摘要PAGEII基于單片機(jī)的霧霾報(bào)警器設(shè)計(jì)

摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，環(huán)境問題引起人們的重視，空氣質(zhì)量成為大眾普遍關(guān)心的話題，而霧霾問題備受大家的關(guān)注，霧霾報(bào)警器成為霧霾防治與預(yù)警的重要手段。我們進(jìn)入科技高速發(fā)展的時(shí)代，測量技術(shù)也在不斷發(fā)展。本文介紹了一種基于單片機(jī)的霧霾報(bào)警器的設(shè)計(jì)，運(yùn)用單片機(jī)和粉塵傳感器進(jìn)行精確檢測，該報(bào)警器攜帶方便，監(jiān)測靈敏，能夠滿足大眾的需求，具有廣泛的應(yīng)用場合，該報(bào)警器成本較低，市場前景較好?！娟P(guān)鍵詞】霧霾報(bào)警單片機(jī)攜帶方便41.引言隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的城市長期發(fā)展工業(yè)，而工業(yè)廢料等化學(xué)試劑的處理不正當(dāng)，導(dǎo)致空氣的質(zhì)量低下，環(huán)境問題成為大眾當(dāng)下最關(guān)注的的問題。在新的發(fā)展情況下，環(huán)保部在2012年制定了新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。根據(jù)空氣中污染物的濃度來判斷對(duì)人類健康以及所處的環(huán)境的影響，在這次制定中，PM2.5作為新的指標(biāo)首次納入判斷空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。人們?cè)絹碓疥P(guān)心空氣質(zhì)量和霧霾指數(shù)，政府也需要對(duì)城市的霧霾指數(shù)有一個(gè)掌握，霧霾對(duì)人們的身體也有相當(dāng)大的影響。我國許多城市已經(jīng)霧霾天氣視為災(zāi)害性天氣的預(yù)警。霧霾的主要成分為顆粒直徑小于2.5微米的可吸入顆粒物，這些顆粒物我們無法用肉眼觀察到，而吸入人體則會(huì)對(duì)人體造成很大的傷害，實(shí)時(shí)掌握霧霾指數(shù)成為防治與預(yù)警今日空氣質(zhì)量的重要手段。我國的空氣質(zhì)量監(jiān)測工作開始較晚，從上世紀(jì)70年代開始了空氣質(zhì)量的監(jiān)測工作，那時(shí)采用手工的監(jiān)測方法，檢測指標(biāo)也相對(duì)單一，監(jiān)測費(fèi)時(shí)費(fèi)力且不準(zhǔn)確，到八九十年代才開始自動(dòng)監(jiān)測。在不斷的發(fā)展過程中，我國的空氣質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)也得到了相當(dāng)大的發(fā)展。在2011年環(huán)保部發(fā)布了《國家環(huán)境監(jiān)測“十二五”規(guī)劃》，指出要提升國家環(huán)境監(jiān)測能力，強(qiáng)化環(huán)境基本公共服務(wù)能力。于是，全國各地根據(jù)本地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況和環(huán)境保護(hù)情況，制定了符合當(dāng)?shù)厍闆r的空氣監(jiān)測方案，加大對(duì)空氣監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的支持。與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，單片機(jī)也在不斷發(fā)展，單片機(jī)和傳感器的發(fā)展使監(jiān)測儀器越來越多樣化。我國的空氣質(zhì)量監(jiān)測在近幾年發(fā)展起來，傳感器的種類也越來越多，其中，粉塵傳感器的發(fā)展對(duì)霧霾報(bào)警器的設(shè)計(jì)起到重要作用。這些元器件的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)發(fā)展使得監(jiān)測空氣質(zhì)量不再是耗時(shí)耗力的工作，使得空氣質(zhì)量的監(jiān)測越來越便捷。而霧霾報(bào)警器成為防治和預(yù)警空氣質(zhì)量的較好選擇，便攜易操作的報(bào)警器會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量的掌握起到重要作用。霧霾報(bào)警器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性能夠?yàn)榄h(huán)境保護(hù)工作提供精確的數(shù)據(jù)支持，也能對(duì)用戶所生活的空氣質(zhì)量起到一定的警示作用，在此5基礎(chǔ)上，環(huán)境保護(hù)相關(guān)部門也能夠提高環(huán)境保護(hù)工作的效率。報(bào)警器的警示作用同時(shí)能夠輔助應(yīng)對(duì)環(huán)境保護(hù)突發(fā)事件，能夠協(xié)助推薦環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施，協(xié)助相關(guān)部門明確環(huán)境保護(hù)工作的發(fā)展方向。霧霾報(bào)警器成本低廉、可以作為必備品推廣使用，預(yù)警信息能夠降低霧霾對(duì)人體的傷害。62.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的本文主要完成通過單片機(jī)與粉塵傳感器和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)對(duì)霧霾的檢測、報(bào)警于一體的報(bào)警器設(shè)計(jì)。本文所介紹的報(bào)警器具有成本低廉、操作方便快捷的特點(diǎn)，同時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的報(bào)警器測量精度高，顯示迅速的優(yōu)點(diǎn)，能更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。結(jié)合對(duì)當(dāng)前空氣狀況的分析和目前檢測科技的發(fā)展，通過比較各類型單片機(jī)和粉塵傳感器以及檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)為系統(tǒng)的微處理器與系統(tǒng)的核心，并與粉塵傳感器相結(jié)合，通過其他電路，加以顯示屏顯示和蜂鳴器報(bào)警，實(shí)現(xiàn)高效的霧霾檢測報(bào)警系統(tǒng)。2.2系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容為：①STC89S52為系統(tǒng)的控制核心。②夏普粉塵傳感器GP2Y1010AUOF作為采集粉塵顆粒大小的模塊。③采用LCD1602液晶顯示屏來顯示所有測量值。④鍵控設(shè)計(jì)用以實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互。其中，以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的模塊為系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，粉塵檢測傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵顆粒的檢測，從而測得空氣中的PM2.5指數(shù)，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出模擬量的轉(zhuǎn)換，9×9按鍵輸入電路可以完成對(duì)報(bào)警數(shù)值的設(shè)置，更好的完成人機(jī)交互，液晶顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示所需要的測量數(shù)據(jù)。當(dāng)粉塵傳感器的檢測值高于用戶所設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)檢測值低于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路處于關(guān)閉狀態(tài)，復(fù)位電路完成用戶對(duì)系統(tǒng)的復(fù)位需求，以便于重新檢測。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）7LED指示燈LED指示燈液晶顯示屏STC89S52單片機(jī)液晶顯示屏STC89S52單片機(jī)蜂鳴器報(bào)警電路蜂鳴器報(bào)警電路鍵控電路復(fù)位電路鍵控電路復(fù)位電路A/D轉(zhuǎn)換開關(guān)電路A/D轉(zhuǎn)換開關(guān)電路粉塵傳感器粉塵傳感器圖1：系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖83.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的控制模塊系統(tǒng)的控制電路由STC89S52單片機(jī)和鍵控電路以及LCD1602液晶顯示屏組成。3.1.1單片機(jī)模塊單片機(jī)模塊能夠讓單片機(jī)正常工作并且完整的發(fā)揮其功能的一個(gè)集成在一塊芯片上的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是系統(tǒng)的重要構(gòu)成，也是系統(tǒng)控制的核心?，F(xiàn)在的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)比較先進(jìn)。本文所采用的單片機(jī)為STC89S52單片機(jī)，其最小系統(tǒng)引腳圖為圖2。STC89S52單片機(jī)是一種采用CMOS工藝的處理器，該單片機(jī)具有功耗低、性價(jià)比高、尋址位為8位。同時(shí)，該單片機(jī)芯片具有Flash存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，可以反復(fù)擦除和編寫代碼。同時(shí)，該單片機(jī)外圍電路簡單，工作頻率相對(duì)較低，能夠滿足本文所設(shè)計(jì)的報(bào)警器需要。圖2：單片機(jī)引腳圖93.1.2顯示模塊本文的設(shè)計(jì)采用的顯示模塊為LCD1602液晶顯示模塊，該設(shè)備可以顯示粉塵傳感器所測得PM2.5指數(shù)，即空氣中的粉塵濃度，用以判斷此時(shí)的空氣質(zhì)量。LCD1602液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富的優(yōu)點(diǎn)。LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行，每行有16個(gè)字符，且外圍電路簡單，該顯示模塊在本文所設(shè)計(jì)的霧霾報(bào)警器中可以得到有效應(yīng)用。3.1.3鍵控模塊本文所采用的的按鍵設(shè)計(jì)主要完成用戶對(duì)于霧霾報(bào)警值的設(shè)置，以更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。對(duì)應(yīng)的有3個(gè)按鍵，分別為自減鍵、自增鍵、設(shè)置鍵。對(duì)應(yīng)在電路上為K1、K2、K3。分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)的P3.3、P3.4、P3.5。相應(yīng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。鍵控可以設(shè)置報(bào)警閾值，配合粉塵傳感器和蜂鳴器，若粉塵傳感器所采集的PM2.5指數(shù)超過用戶所設(shè)置的閾值，則報(bào)警電路開始工作，蜂鳴器報(bào)警。圖3鍵控電路3.2系統(tǒng)的采集模塊系統(tǒng)的采集模塊由粉塵傳感器模塊和A/D轉(zhuǎn)換器組成。103.2.1粉塵傳感器本文所采用的的粉塵傳感器為GP2Y1010AUOF傳感器，它具有體積小，方便安裝維護(hù)的特點(diǎn)，常用于環(huán)境中粉塵、花粉等有關(guān)空氣質(zhì)量指數(shù)的濃度檢測。該傳感器內(nèi)置氣流發(fā)生器，可以自行吸入外部空氣，可以精確又快速的檢測所需檢測粒子的濃度。同時(shí)，該傳感器的壽命長、靈敏度高、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。它的Vout引腳輸出粉塵濃度的模擬電壓信號(hào)，該引腳采集的粉塵濃度通過A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的P0口連接，將夏普粉塵傳感器GP2Y1010AUOF所采集的粉塵濃度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給STC89S52單片機(jī)。在其內(nèi)對(duì)角位置配置有紅外檢測收發(fā)對(duì)管和光電晶體管，能夠探測到被測氣體中的塵埃物質(zhì)反射光，可探測0.8μm的細(xì)小的固體顆粒。該傳感器還具有低功耗的特點(diǎn)，是用戶選擇霧霾報(bào)警器的重要參數(shù)，其輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，信號(hào)電壓幅度與粉塵濃度成正比，配合A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)系統(tǒng)使用，能夠得到精確度相對(duì)較高的檢測數(shù)據(jù)。主要參數(shù)如表1所示表1：GP2Y1010AUOF傳感器主要參數(shù)主要參數(shù)參數(shù)值靈敏度/V·（0.1mg/m0.5輸出電壓/V0.9（TYP）消耗電流/mA11工作溫度/℃-10~65存儲(chǔ)溫度/℃-20~803.2.2A/D轉(zhuǎn)換器本文所設(shè)計(jì)的霧霾報(bào)警器所采用的轉(zhuǎn)換器芯片為ADC0832。該轉(zhuǎn)換芯片是一種雙通道、八位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有兼容性強(qiáng)、體積小、轉(zhuǎn)換時(shí)間短、11準(zhǔn)確率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于本霧霾報(bào)警器的設(shè)計(jì)具有重要的作用。3.2.3采集電路本文所設(shè)計(jì)的霧霾報(bào)警器的采集電路由夏普GP2Y1010AUOF傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器組成，這里所采用的轉(zhuǎn)換器為ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其連接電路圖如圖3所示圖4：采集模塊電路圖3.3報(bào)警模塊本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用的報(bào)警電路為聲光報(bào)警電路，采用蜂鳴器、三極管9102驅(qū)動(dòng)，和單片機(jī)的P15口連接。當(dāng)采集電路所測得空氣中的PM2.5指數(shù)超過用戶所設(shè)置的閾值，P15口為低電平。則報(bào)警電路工作，二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。當(dāng)采集電路測得空氣中的PM2.5指數(shù)沒有超過用戶所設(shè)置的閾值，P15口為高電平，報(bào)警電路不工作，二極管不發(fā)光，蜂鳴器不報(bào)警。報(bào)警電路電路圖如圖512圖5：報(bào)警電路134.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1程序語言簡介完成本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及電路設(shè)計(jì)后，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，采用C語言進(jìn)行程序的編寫，軟件的翻譯環(huán)境采用Keil4。程序的編寫包括主函數(shù)和子函數(shù)，采用模塊化結(jié)構(gòu)。主函數(shù)包括：對(duì)系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)緩存、串行通信接口、I/0接口設(shè)置、傳感器、顯示器設(shè)置等函數(shù)。子函數(shù)包括：顯示函數(shù)、聲光報(bào)警函數(shù)、鍵控檢測函數(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)、濾波等。4.2軟件設(shè)計(jì)流程在本文的軟件設(shè)計(jì)中，主要的任務(wù)是驅(qū)動(dòng)傳感器，使得采集電路能夠采集到外界的PM2.5指數(shù)，再通過單片機(jī)的控制，在LCD液晶顯示屏上顯示出當(dāng)前所測的PM2.5濃度值并且驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路工作。14讀取并顯示當(dāng)前值開始讀取并顯示當(dāng)前值開始讀取設(shè)置好的閾值讀取設(shè)置好的閾值鍵盤按下？鍵盤按下？選項(xiàng)是選項(xiàng)其他否其他解除警報(bào)顯示當(dāng)前設(shè)置閾值解除警報(bào)顯示當(dāng)前設(shè)置閾值超出閾值？超出閾值？否報(bào)警是報(bào)警圖6：軟件設(shè)計(jì)流程圖泰山學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）154.2.1主程序設(shè)計(jì)首先，進(jìn)入程序后要初始化，包括對(duì)ADC0832的初始化、LCD液晶顯示屏的初始化等。程序使用中斷處理液晶顯示和數(shù)據(jù)采集，流程圖如圖6所示。本文所采用的GP2Y1010AUOF粉塵傳感器是一款光學(xué)空氣質(zhì)量傳感器，可以感應(yīng)空氣中的塵埃粒子從而探測空氣中的塵埃反射光，以便于監(jiān)測到空氣中的各種顆粒物。（1）LCD1602顯示初始化LCD_Init();（2）端口初始化Port_Init();（3）ADC轉(zhuǎn)換初始化ADC_Init();（將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)）（4）定時(shí)器中斷初始化Timer0_Init();（配置中斷函數(shù)）（5）數(shù)據(jù)初始化Port_Init();（對(duì)LED、蜂鳴器等部分期間數(shù)據(jù)初始化）4.2.2采集數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的報(bào)警器通過粉塵傳感器測得空氣中的粉塵濃度為模擬信號(hào)，需要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出到LCD液晶顯示屏上。4.2.3蜂鳴器報(bào)警部分程序設(shè)計(jì)本文所設(shè)計(jì)的報(bào)警其中，蜂鳴器和發(fā)光電路為報(bào)警模塊的主要構(gòu)成。首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，開啟定時(shí)器用于定時(shí)，然后設(shè)置緩沖區(qū)的初始值，用以保存單片機(jī)傳輸過來的數(shù)值，低電平時(shí)報(bào)警。

165.總結(jié)與展望5.1總結(jié)通過硬件設(shè)計(jì)和軟件模擬調(diào)試，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了前期期待的工作要求。經(jīng)過不斷地系統(tǒng)測試，總結(jié)情況具體如下：本文所設(shè)計(jì)的霧霾報(bào)警器系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空氣中PM2.5的實(shí)時(shí)濃度檢測，并且數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確。本文所設(shè)計(jì)的霧霾報(bào)警器系統(tǒng)具有成本低廉、操作簡單、方便攜帶等特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的霧霾報(bào)警器系統(tǒng)使用的芯片有單片機(jī)芯片STC89S52、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832、粉塵傳感器GP2Y1010AUOF、LCD1602液晶顯示設(shè)備、另外還有實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警的LED發(fā)光二極管、蜂鳴器等硬件。本文所設(shè)計(jì)的霧霾報(bào)警器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括程序的初始化、傳感器的驅(qū)動(dòng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換的程序、所測得空氣質(zhì)量的顯示等。通過本次霧霾報(bào)警器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)專業(yè)知識(shí)掌握的不夠好，很多大二學(xué)過的專業(yè)課知識(shí)記不起來，對(duì)知識(shí)的理解不夠好，自己需要提高的還有很多。

195.2展望霧霾報(bào)警器是一個(gè)能夠提高生活質(zhì)量的比較方便的器件，近年來科技的不斷發(fā)展也帶動(dòng)了檢測技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)也越來越強(qiáng)烈，能夠及時(shí)檢測到所處環(huán)境中的PM2.5指數(shù)成為人們的一大需求。霧霾檢測手段的提高可以

實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取環(huán)境中的PM2.5指數(shù)，以便于采取有效的防霧霾措施，可以減少PM2.5對(duì)人類健康的威脅。同時(shí)，霧霾報(bào)警器能夠給相應(yīng)的政府單位提供數(shù)據(jù)來源，以便于更好的防治工業(yè)污染。

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