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单片机空气质量检测系统设计

期刊目录网统计论文发表2019-12-24 10:41关注(1)

  随着社会经济的不断发展,人们的生活水平日益提高,健康与养生成为了全民关注的热点话题,空气质量地不断下降也引起了社会的广泛关注,如何了解家居内空气质量的情况也成了亟需解决的问题。在此背景下,本文针对室内空气的质量问题设计了基于单片机的空气质量检测系统,为人们能够及时调节室内空气质量,提高生活水平提供了可能。

单片机空气质量检测系统设计

  关键词:空气质量检测系统;单片机;设计

  近年来,室内空气质量的不良给大众生活造成了许多的困扰,皮肤过敏、免疫力下降、呼吸道问题、心血管疾病等,严重地甚至会给众多家庭带来沉重的灾难,室内空气中含有的甲醛、PM2.5等有害成分是引发疾病的主要原因,PM2.5是指悬浮在空气中直径小于2.5微米的细微颗粒,由于其停留时间长,带有毒性对人体健康影响较大;甲醛更是由世界卫生组织国际癌症研究机构公布一级致癌物,所以如何检测周围环境的空气质量并进行改善对人类健康的发展是至关重要的。

  1系统组成及工作原理

  本文设计的空气质量检测系统以STC89C52单片机为核心,由温湿度传感器模块、PM2.5传感器模块、甲醛传感模块、按键输入模块、声光报警模块、数据处理模块实现空气质量检测的功能。系统功能框图如图1所示。温湿度传感器、PM2.5传感器和甲醛传感器将采集到的模拟数据经过模数转换芯片将模拟信号转换成数字信号,将得到数字信号交由单片机进行精确的处理最后由单片机控制LCD液晶显示器和声光报警模块完成数据的显示与报警功能,LCD液晶显示屏可显示温度、空气湿度、PM2.5、甲醛气体的浓度信息。除此之外,用户还可以通过按键输入模块设置温湿度的阈值,当温湿度超过设定阈值时,声光报警模块发出警报,从而实现提示用户及时改善空气质量的目的。

  2系统硬件设计

  本文设计的空气质量检测系统的硬件分别采用STC89C52单片机、GP2Y1014UPM2.5传感器、DHT11温湿度传感器、ZE08-CH2O甲醛传感器、LCD1602液晶显示器、ADC0832模数转换器等硬件。

  2.1单片机最小系统

  STC89C52单片机是由宏晶科技研发,具有高速、低功耗、抗干扰能力强等优点的新一代单片机,STC89C52单片机的指令系统能够完全兼容传统的8051单片机,并且有两种时钟周期可供用户选择,分别是12时钟的机器周期和6时钟的机器周期。其工作电压范围为5.5V~3.3V或3.8V~2.0V,工作频率范围为0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率高达4848MHz。单片机最小系统是指能够保证单片机正常工作的最小单元,单片机最小系统由电源电路、时钟电路和复位电路组成,最小系统的电源电路部分为单片机正常工作提供电源电压;时钟电路有内部时钟和外部时钟两种工作方式,通过产生时钟脉冲信号为单片机工作提供时钟节拍;复位电路为单片机运行异常时提供了一个回复到初始状态的途径,是单片机系统必不可少的一部分。

  2.2GP2Y1014UPM2.5传感器

  GP2Y1010AU0F是一种粉尘传感器系统,基工作原理基于光学传感的基础之上。红外发射二极管(IRED)和一敏转换器呈对角排列在此设备上。它能够探测到空气中灰尘的反射光。特别是,可以有效的检测空气中非常细微的颗粒,比如说香烟的烟雾。此外,该传感器能够通过不同的电压波形来表示室内灰尘和烟雾,从而进行区分。故GP2Y1014U型号的PM2.5传感器可有效的采集室内气体中的细微颗粒。

  2.3ADC0832模数转换器

  ADC0832是一种具有双通道的模拟数字转换芯片,由美国国家半导体公司生产研发的,一经推出就因为其具有性价比高,兼容性强、体积小、转换速度快、稳定性强等优点被用户广泛使用,ADC083具有8位分辨率,最大分辨率可达256级,能够满足一般用户对模拟量转换的需求。传感器采集的数据可以通过ADC0832转换成单片机可以处理的数字量。

  2.4LCD1602液晶显示

  LCD液晶显示器是目前非常流行的一款电子通用器件,可用做于家用电器、电子万年历、电子表等电子器件的屏幕显示,显示的主要是数字、专用符号和图形。本设计所采用的长沙太阳人电子有限公司的字符型LCD1602液晶显示器其以显示质量高、体积小、重量轻、功耗低等优点被广泛应用,是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,通过LCD1602液晶显示屏,可显示空气温湿度、PM2.5和甲醛的浓度。

  3系统软件设计

  空气质量检测系统是由硬件部分设计和软件部分设计共同完成的,软件设计部分用于控制和驱动硬件系统,根据系统功能的不同,软件设计部分以下几个功能模块的设计,包括:系统主程序设计、温湿度检测子程序设计、PM2.5检测子程序设计、甲醛检测子程序设计、液晶显示子程序设计。下面对部分程序进行介绍。

  3.1主程序设计

  单片机在上电工作后进入主程序,在主程序里首先进行初始化,初始化单片机子程序的主要参数,包括LCD液晶显示的初始化、中断程序的初始化、时钟初始化以及传感器参数的初始化,初始化完成后进入数据采集阶段,各传感器采集相关数据,然后通过ADC0832将采集的数据转化为单片机可以处理的数字量,并在LCD1602液晶屏上显示。单片机将采集到的数据与设置的阈值进行比较,当超过阈值时,系统进行声光报警。按键动作会产生系统中断,执行相应的按键加减程序。

  3.2温湿度检测子程序

  温湿度检测采用DHT11温湿度传感器,在传感器采集温湿度之前,先将数据引脚拉低18ms,总线和主机分别拉低20us,然后将主机设置为输入模式,等待数据输入,然后判断从机是否有信号响应,若无响应信号,则返回重新拉高继续等待判定是否有响应信号,若有响应信号,程序向下继续执行,进入数据接收模式,开始接收温湿度传感器所采集到的温湿度数据,接收到的是一个16位的数据,其中接收到数据的高8位为整数,低8位为小数,再经过单片机的处理,即可显示到LCD液晶显示屏上。

  3.3PM2.5检测子程序设计

  PM2.5的检测采用的是GP2Y1014UPM2.5传感器,PM2.5传感器通过单片机的串口与其通信,单片机接收到数据后就会对其进行判断,判断收到的数据中是否含有PM2.5的数据信息,通过识别关键标志进行判断确认,若含有“0xaa”关键字,则认为包含PM2.5的数据信息,并将PM2.5的数值提取出来,通过LCD液晶显示屏进行显示。若无“0xaa”关键字,则返回继续接收GP2Y1014UPM2.5传感器采集的数据,进行检测。

  4结论

  基于单片机的空气质量检测系统能够实时检测室内环境温湿度、PM2.5含量、甲醛含量等信息,具有操作简便、易携带、实用性强等特点,可以广泛应用到家居空气质量的检测。对人们生活环境的改善有重要的意义。

  参考文献

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  作者:邓然 朱英坤 林德洋 单位:哈尔滨华德学院

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