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1、本科毕业设计（论文）基于单片机的空气中PM2.5浓度报警器Design of Infrared Remote Control Electronic Code Lock Based on 51 Single Chip Microcomputer 院 （系）计算机科学与技术系专 业电子信息工程班 级2016级电子信息工程2班学 号16210420229学生姓名彭海龙指导教师艾广燚提交日期年 月 日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行的设计（研究）工作及取得的成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果
2、为本人独立完成，不包含他人已经发表或撰写的作品及成果。对本文的研究作出贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业论文作者（签字）： 签字日期： 年 月 日成绩评定成绩项论文成绩（百分制）折合比例实得成绩（折合分）指导教师成绩30%评阅教师成绩20%答辩成绩50%总评成绩注：毕业设计（论文）成绩按百分制评定。答辩成绩不及格的（评分低于60分的），则该毕业设计（论文）总评成绩为答辩成绩。 指导教师评分： 评阅教师评分： 答辩小组评分： 总评成绩： 系主任签字（盖章）： 年 月 日摘要如今，空气质量与能见度一天不如一天，这与空气中存在的细微颗粒物离不
3、开干系，在如此多肉眼不可见的颗粒物中，这中间影响最严重的是PM2.5细微颗粒物，含量浓度越高其在空气中能较长时间悬浮，并且能突破人体鼻腔的防御对心肺功能造成影响，久而久之将对人体造成损伤，空气的监测刻不容缓。设计是对PM2.5浓度的检测，一方面可以监督空气状况，另一方面对于需要优质空气质量的人群来说，这种空气质量提示功能也是非常必要的。便携式的检测仪便是我此设计的初衷，这样也能及时有效的做出应对措施。本课题设计一种可以自动检测PM2.5分成的电子设备。对空气中的Pm2.5浓度进行实时监控，如高于一定上限值时的提示与报警。当PM2.5的浓度超过上限时，还要求能够控制风扇转动，模拟系统换气功能。本
4、系统为这种空气检测及处理系统的原理性原型，要求以实物形式实现基本功能。关键词： PM2.5；单片机；报警器；传感器技术；粉尘浓度 AbstractToday, one day as a day of visibility and air quality, and this is the subtle air particulate matter without involvement, in so many particles are not visible to the naked eye, it is among the worst affected PM2.5 fine particle
5、s, the higher levels of concentration in the air can be suspended for a long time, and can break through the bodys defenses nasal affect cardiopulmonary function, over time will cause damage to human body, air monitoring is of great urgency. The design is the detection of PM2.5 concentration. On the
6、 one hand, it can monitor the air condition. On the other hand, it is also necessary for people who need high quality air quality to have this air quality indicator function. The portable detector is the original intention of my design, so as to make timely and effective countermeasures. This projec
7、t designs an electronic device that can automatically detect the fraction of PM2.5. The Pm2.5 concentration in the air is monitored in real time, such as warning and alarm when it is higher than a certain limit. When the concentration of PM2.5 exceeds the upper limit, it is also required to be able
8、to control the rotation of the fan and simulate the ventilation function of the system. This system is the original prototype of the air detection and treatment system, which requires the realization of basic functions in physical form.Key words:PM2.5; Single chip microcomputer; alarm; Sensor techno
9、logy; Dust concentration目录第一章、概述11.1、设计的主要内容和意义11.1.1、设计的主要内容11.1.2、设计的主要意义1第二章、主控制器及主要器件22.1、STC89C51单片机22.2、A/D转换芯片ADC083232.3、1602LCD液晶显示屏42.4、夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F6第三章、硬件电路设计83.1、电路设计框图83.2、系统概述83.3、单片机最小系统93.4、粉尘传感器电路设计113.5、A/D转换123.6、LCD显示模块设计13第四章、程序设计及软件应用154.1、主程序设计154.2、主要子函数的设计154.3、keil的应
10、用184.4、protel99se的应用184.5、Proteus的应用18第五章、设计的应用205.1、PM2.5的简介205.2、PM2.5的主要来源205.3、设计主要用途及场景运用22第六章、总结23致谢24参考文献25附录26附录1 程序源代码36广东东软学院本科毕业设计（论文）第一章、 概述1.1、设计的主要内容和意义1.1.1、研究背景空气污染和雾污染日渐严峻，分析雾污染的演变，空气污染的主要原因：空气污染物的持续增长。随着经济的发展，身体的健康程度与质量越来越受到重视，如何在日渐恶化的空气状况下进行预防显得尤为重要。空气中对身体不利的东西有很多，肉眼无法看见更加让人防不胜防，尤
11、其是空气中的PM2.5。中国轻工业的快速发展，是值得全国人民为之振奋的事情，与此同时，空气问题也随之而来，高速发展的中国经济使中国成为PM2.5区域污染的震中。不同于自然，人为活动造成的污染多样化且大量产生，很多来源于日常并无法根绝，阴霾的天气是全人类不愿意看到的，因此本实验是对PM2.5的检测，防患于未然。1.1.2、设计的主要意义科技是经济发展的一杆枪，开枪的时候便会分出胜负，当我们在一些领域取得成就时其实也在一些方面造成了伤害。阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及
12、重金属镍砷铬铅等颗粒组成。有研究表明，全球二氧化硫排放量约为66.8-92.4千兆吨/年，其中七成来自燃烧化石燃料，两成来自海洋排放，一成来自火山排放。从1980年到2000年，亚太地区细微颗粒物指标居高不下，主要原因是处于发展中国家大量使用含硫物质。经过大量的科学研究，我国硫酸盐主要分布在中部、东部地区和西南地区的工业开发区。受降水影响，温度和分布因素是季节性的。春季和秋季阳光充足，气候较弱，Kiehl等人关于人工气溶胶对气候影响的许多观察证实了这一点，即全球气候模型CCM3用于模拟自1950年以来硫酸盐气溶胶的年平均辐射力。它是气溶胶研究的重要组成部分，对经济的快速发展进行了深入研究。第二
13、章、 主控制器及主要器件2.1、STC89C51单片机STC89C51单片机采用经典的MCS-51内核，与MCS-51产品的指令系统兼容单片机由中央处理器、存储器和输入输出接口组成，采用高密度非易失性存储技术制造，与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。它与Keil平台软件程序开发环境完全兼容，满足系统对控制器性能、输入输出端口资源和环境的要求。其结构框图如图2.1所示。图2.1 STC89C51结构框图图2.1结构框图STC89C51引脚功能与封装：图2.2 STC89C51引脚图引脚：The main power supply、External crystal oscillator or
14、 oscillator、Multi-function I/O port、Control and reset等。表2.3引脚与复用功能端口引脚复用功能P1.0T2（Timer / Calculator 2External input）P1.1T2EX（Timer/Calculator2External trigger and Bidirectional control）P1.5MOSI（Online programming）P1.6MISO（Online programming）P1.7SCK（Online programming）表2.4 P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD
15、（Serial input）P3.1TXD（Serial output）P3.2INT0（External interrupt 0）P3.3INT1（External interrupt 1）P3.4T0（External input of timer 0）P3.5T1（Timer 1 external input）P3.6WR（External data memory write strobe）P3.7RD（External data memory read strobe）2.2、A/D转换芯片ADC0832由A/D芯片，把检测到的pm2.5浓度转化成数字信号， DOP3.6、DIP3.7、
16、CLK P3.5将引脚与51单片机接口相连。获得数据后，将不同浓度的细微颗粒物数值转化为数字信号。芯片顶视图：图2.5芯片顶视图芯片接口说明：CS_：Chip select enable, low level chip enable.CH0：Analog input channel 0, or used as IN +/-.CH1：Analog input channel 1, or used as IN +/-.GND：Chip reference 0 potential (ground).DI：Data signal input, select channel control.DO：Dat
17、a signal output, conversion data output.CLK：Chip crystal input.Vcc/REF：Power input and reference voltage input (multiplexed).2.3、1602LCD液晶显示屏 1602是一个集成模块，也就是说该型号的液晶显示器具有各种功能，具有背光调节功能，显示单片机检测到的PM2.5数值，可以显示数字、字母、符号和字符。控制指令说明：11条控制指令，如2.6表所示：表2.6 控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回0000000
18、01*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRA或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读 出的数据内容11个指令如下图图2.7液晶屏指令图2.4、SHARP粉尘传感器GP2Y1010AU0FGP2Y1010AU0F，通常在空气净化系统中应用，无需进行A/D转换，利用激光散射法和粒子计数原理。因此，对空气中的细微颗粒物十分敏感，
19、能有效且准确的捕捉到PM2.5的浓度。 图2.7 粉尘传感器 图2.8 传感器内部结构2.5 蜂鸣器蜂鸣器是一种简单的振动装置，集成了电子信号。在报警电路中，当浓度增加时，单片机会提醒过量，并能放大电流。报警模块如图2.8所示。图2.9 声音报警模块第三章、 硬件电路设计3.1、电路设计框图系统组成结构如下：单片机液晶显示模块蜂鸣器模块AD/PM2.5检测模块复位电路 LED指示电路晶振电路图3.1 系统图3.2、系统概述系统原理图如下图3.2 系统原理图3.3、单片机最小系统作为控制其他模块正常运行的控制器，其他六个功能模块的数据传输和功能实现是通过多个输入输出端口实现的，包括单片机、晶振电
20、路、复位电路、电源电路和程序下载电路五个部分。单片机最小系统框图图3.3 单片机最小系统图晶振电路:介绍晶振管脚：XTAL1（19 脚） ：Input terminal of the internal oscillation circuit of the chip。XTAL2（18 脚） ：The output of the internal oscillation circuit of the chip。图3中采用的是内晶振模式，该管脚是输入和输出反相放大器，即采用利用芯片内部的振荡电路，在引脚上外接定时元件配置为使用Semiconductor vibration的片内振荡器，或者是器件直接
21、由外部晶振驱动。(一个Semiconductor vibration和两个电容)本实验套件中使用的11.0592M Semiconductor vibration振荡器越高频消耗越大使用应时晶体振荡器时，33pF陶瓷电容通常就足够了。晶体和电容应尽可能靠近芯片，以降低引线的寄生电容。晶振电路如图所示。图3.4 晶振电路图复位电路:当NRST引脚上的低电平(外部复位) ，软件复位(SW复位)，单片机执行系统复位操作。电源复位操作通常有两种基本形式:掉电复位和待机模式下返回。在单片机系统中，复位电路非常关键。上电时，电容两端的电压不会突然变化，复位输入为高电平，芯片复位。当程序异常运行或崩溃时，需
22、要重新设置。复位按钮并联在电容器的两端。不按复位按钮时，电路实现上电复位。芯片正常工作后，按下按钮手动复位RST引脚。 复位电路图如图所示。 图3.5 复位电路图EA/VPP（31 脚）的功能和接法:内部的存储器现在更加的大众，较少使用外接程序存储器。在片内高电平必须接，如果悬空则出现程序不能运行等状况或者十分地不稳定。如图所示。图3.6 P0口外接上拉电阻3.4、粉尘传感器电路设计根据粉尘传感器GP2Y1010AU的规划书中对管脚的描述：图3.7 粉尘传感器管脚图对应的管脚为:图3.8 管脚描述图在PCB中，替代传感器：设计可变电阻局部限压电路。传感器GP2Y1010AU通过对空气粉尘颗粒浓
23、度的检测输出模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。电路设计如图：图3.9电路设计图3.5、A/D转换ADC0832的封装机管脚说明：CS_：Chip select enable, low level chip enable。CH0：Analog input channel 0, or used as IN +/-。CH1：Analog input channel 1, or as IN +/-。GND：Chip reference 0 potential (ground)。DI：Data signal input, select channel control。DO：Data signal outp
24、ut, conversion data output。CLK：Chip crystal input。Vcc/REF：Power input and reference voltage input (multiplexed)。图4.0 A/D封装管脚图3.6、LCD显示模块设计传统LED灯拥有寿命高无汞污染等优点，但是新型LCD（liquid crystal display）灯搭载LED背光源系统具有色彩还原性好、对比度高、亮度高等优点而且不需要外加驱动电路，根据各管脚的功能电路设计如下：图4.1 LCD电路设计图仿真电路图：图4.2 仿真电路图3.8 LED指示电路LED灯的功能是报警，配备有
25、红黄绿三种颜色分别于单片机的P2.0口P2.1口和p3.1口连接。LED的电路原理图如下4.3所示：图4.3 LED电路原理图第四章、 程序设计及软件应用4.1、主程序设计4.2、主要子函数的设计单片机对ADC0832 的控制原理其功能项见下表 。表4.4 ADC0832控制原理表当IN-的电压 IN+的电压， 操作IN+与 IN-的输入时，结果为00H。详细的时序说明请下表： 表4.5 时序表ADC0832 数据读取程序流程：图4.6 流程图实际程序设计代码为：4.3、keil的应用Keil C51编译器提供三种存储器模型同时允许对所有8051内存区域的访问，在无法立即获得实物或需要先进行模
26、拟的时候，便可通过此应用对电路原理图进行仿真。真如此实验就是在模拟仿真的基础上，再对STM32进行焊接，以提高此实验的成功率。 Keil_c软件界面如图：图4.7 Keil c 界面图4.4、protel99se的应用此应用是上世纪八十年代末推出的，是业界首推的电路板设计工具。它由Advanced Schematic和Advanced PCB两大部分组成。其中Advanced Schemati由：Schematic和Schematic Library组成。本身的强大与他庞大的元件库离不开关系，且IU友好，新手也能快速的掌握，是现如今各高校必学习的一个软件。4.5、Proteus的应用对于嵌入式
27、工程师来说，它能是您将固件编写并应用到原理图受支持的微控制器上，拥有这超过两万种原器件，泛用性广且十分的综合实用。Proteus同时仿真和微控写代码的能力是顶级的，设计师能在设计完原理图后快速的展开工作。在设计方面是顶尖的，同时在诊断也有一定的造诣，可以通过监视MCU来对软件和硬件中存在的问题进行调试。Proteus的断点功能不仅可以监视寄存器还能对变量进行检查。对于工程师有很大的帮助，在校园也有一定的帮助，在学生不熟悉焊接时或者原理图时，可以在此程序上先进行仿真帮助学生快速的熟悉教学内容以便走向重要的实践环节。Proteus拥有不下8种的激励源，在仿真方面更加的生动，能对引脚或者导线进行各种
28、各样的标记上色。ASF能精确的对电路进行分析，支持主流的CPU和外设，最值得一提的就是实时仿真。主界面及仿真效果如下：图4.8 仿真图第五章、 设计的应用5.1、PM2.5简介Pm2.5泛指可以进入人体呼吸系统的颗粒物，其直径小于或等于2.5微米的颗粒。2012年2月颁布新条例国务院增加了细颗粒物检测指标，第二年同月，正式取了一个名字“细颗粒物”。在Environmental science领域，分为Aerosol pollutant (颗粒物)和Gaseous pollutant。各种焚烧过程产生的颗粒物对呼吸系统疾病的发病率和严重程度有很大影响。PM2 5浓度的增加也与易感人群的死亡总数以
29、及心血管和呼吸系统疾病的超额死亡数密切相关。邱东季节因PM2 5号爆炸而长时间停留在大气中，受复合排放源、粒子特性、天气条件等多种因素的影响，不同类别的PM2.5号内的巨噬细胞对丙二醛和谷胱甘肽水平的影响类似于PM2.5。PM（ particulatematter）是一个学名总称而2.5则是定义空气中的空气含量。想让我们的天空重现蓝色，应采取减少煤炭消耗比例、优化能源结构、实施更严格的机动车和工业排放标准等措施，以减少人为排放的空气污染物。旱季的特点是高西低东，南高北低。在雨季，东高西低。健康中国2030规划纲要和健康中国战略两大政策正是为了我们国民的身体健康水平而发布。2013年，中国发布大
30、气污染防治行动计划，开始实施严格的污染控制措施。结果，空气质量迅速改善。5.2、PM2.5的主要来源PM2.5成分不简单，其来源人类排放占主体，小部分来源于自然。非自然排放对人体造成的危害或比沙尘暴还要大，如果不采取有效的措施，由于其粒径能够进入人体上呼吸道，会引发哮喘等肺部疾病气态前体污染物在大气中通过化学反应。上世界九十年代，美国率先提出了细颗粒物的标准，其目的让人类认识这种颗粒物并且重视起来通过一些措施对空气污染进行预防，燃烧化石燃料等工业生产过程或供热等活动都对城市空气有着不轻的危害。如今，中国已成为污染最严重的地区之一。目前，我国大部分城市空气质量不达标，如果不采取有效的控制措施，尤
31、其是在冬季，扬尘以及机动车混合物将使空气情况愈加恶化。1997年，美国率先提出对细微颗粒物进行监测，主要应对全球工业化的出现，污染程度指数型增长。在当前环境下，空气污染问题不仅仅是一个国家或者一个片区的问题，这是世界各地都需投入精力，加以关注，所有人类共同体所面对的难题。关于每个国家可以从对方那里学习到什么，以及希望分享这些经验将有助于弥合我们不可避免地遇到的文化鸿沟共同解决全球环境挑战。24小时平均值标准值分布如下（来自PM2.5检测网）：表4.9 PM2.5检测表空气质量等级24小时PM2.5平均值标准值优035良3575轻度污染75115中度污染115150重度污染150250严重污染大
32、于250及以上表5.0 世界卫生组织（WHO）2005年空气质量准则世界卫生组织（WHO）2005年空气质量准则项目年均值日均值准则值1025过渡期目标13575过渡期目标22550过渡期目标31537.55.3、设计主要用途及应用的场景21世纪，生活在和平年代的我们，对生活质量投入更多的精力和金钱，为的就是提高健康水平从而让生活质量稳步提升，假如有一天我们连呼吸都得小心翼翼，毫无疑问空气质量直接影响了我们的生活质量，本设计的初衷就是为了我们的生活质量设计一个简易小巧的装置，能随身随地的携带在身上，在家能随时监测达到预防作用，在外也能由应对措施或者能做成嵌入式装置，那就更加完美了，如嵌入空调中
33、或者在我们的时钟上这种日常使用率比较高的东西上，如此一来就能时时刻刻地注意到身边的空气质量状况。第六章、 总结近年来，空气问题变得越来越突出。我们需要采取一些措施来防止现有的空气问题。本设计就是基于此前所学的知识，我们制作了一个经济、简单、实用的多功能PM2.5浓度检测仪。通过粉尘传感器GP2Y1010AU0F采集细微颗粒物(pm2.5)的浓度，报警值的数值可以改变。另外，该设计在实时检测浓度的同时，所检测得到的浓度值将亮起与其相对应的灯，直观地告知观测者当前的浓度。在此设计中遇到的主要难题：材料的获取，由于此次疫情的特殊性材料比较难获取以及调试的时间过短，幸运的是最后还是顺利地完成本次课题。
34、致谢相聚总会分别，时光匆匆一不小心大学四年已过，仿佛一切还在脑海里激荡，这四年无论是同学还是老师都教会了我许多，更是收获了真挚的友情，感恩四年来在身边一起成长，指点过我的人。本论文的议题是在与艾广燚老师交流后定下的。艾老师专业知识过硬，无论是对学业或者对学生都尽责尽力，对学生十分的体恤。在进行毕业设计期间，给予我们十分宝贵且重要的理论知识，以助我顺利完成此次设计。论文得以顺利完成，首先得感谢我的指导老师艾老师，无论是在议题上或是论文格式改正上都给予我很大的帮助，其次感谢广东东软学院，在这生活学习了四年，我的生活多姿多彩，这是学校给予我的，踏上社会必将堂堂正正为人，踏踏实实做事。在此再次向艾广燚
35、老师致以衷心的谢意!参考文献1刘宏斌.我国PM2.5的现状与防治对策.武汉:湖北经济学院学报.2012.2王幸之,钟爱琴.AT89系列单片机原理与接口技术.北京：北京航空航天大学出版社.2004.3郑锋,王巧芝.51单片机应用系统典型模块开发大全.北京:中国铁道出版社.2011. 4STC.8-bitMicrocontrollerwith8KBytesIn-SystemProgrammableFlashSTC89C51.19995李全利.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社.2009.6罗亚萍.基于STC89C51单片机的室内有害气体监控系统.山西电子技术.2011.7范红刚,魏学海.51单片机自学笔记.北京：北京航空航天大学出版社.2010.8杨将新,李华军.单片机程序设计及应用从基础到实践.北京.机械工业出版社.2006.9李维提,郭强.液晶显示应用技术.北京：电子工业出版社.2006.15李学海.经典108051单片机轻松入门与上手.北京：清华大学出版社.200911夏普粉尘传感器GP2Y1010AU0F使用说明10A/D转换芯片ADC0832产品规格书11基于单片机的PM2.5检测报警系统的设计J. 张恒奕. 电子制作. 2018(22)12基于单片机在自动化控制中的设计J. 王天魁. 信息与电脑(理论版). 2019(12)附录附录1 程序源代码 37