摘 要

ABSTRACT 1

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 设计的任务 2

第2章 系统结构设计与方案选择 4

2.1 系统结构设计 4

2.2 方案选择 4

2.2.1 单片机芯片的选择 4

2.2.2 温湿度传感器的选择 4

2.2.3 按键的选择 5

2.2.4 显示模块的选择 5

第3章 硬件部分 6

3.1 电路设计框图 6

3.2 STC89C52RC单片机最小系统 7

3.3 ADC0832模数转换模块 9

3.4 传感器模块 11

3.4.1 夏普粉尘传感器GP2Y1014AU0F 11

3.4.2 温湿度测量模块 12

3.5 LCD1602显示模块 13

3.5.1 LCD1602的引脚说明 13

3.5.2 控制指令说明 14

3.5.3 LCD电路设计 15

3.6 按键模块 15

3.7 电源模块 15

3.8 报警模块 16

第4章 软件部分 17

4.1 keil的应用 17

4.2 Proteus的应用 17

4.3 子程序 18

4.3.1 PM2.5测量函数 18

4.3.2 ADC0832转换函数 18

4.3.3 报警函数 21

4.3.4 SHT11测量函数 22

4.4 主程序 23

第5章 系统的搭建与调试 24

第6章 误差分析 25

6.1 系统结果硬件误差分析 25

6.2 系统结果软件误差分析 25

6.3 系统的不足 25

第7章 总结 27

致谢 28

参考文献： 29

附录 30

摘要

由于空气质量恶化，雾霾天气现象增加，危险现象增加。对PM2.5浓度值测量一下变得越来越重要。本设计的控制中心与处理中心是型号为STC89C52RC的MCU。周围大气当中的粉尘浓度由灰尘传感器（型号为GP2Y1014AU0F）测量得到，该传感器输出的是模拟信号。最后经过运算处理的粉尘浓度值由液晶显示器LCD 1602显示出来。产品使用者可以给系统设置一个阈值，当浓度值到达此阈值时，系统同时产生视觉与听觉报警。以此提醒人们注意危险并采取相应措施。本次设计的系统测试精度比较高，集成度也高，而且电路不太复杂，但运行状态能保持稳定，而且对于初次使用者来说调试也十分方便，拥有较大的使用价值。

关键字：PM2.5、单片机、粉尘浓度、GP2Y1014AU0F

ABSTRACT

As the air quality deteriorates, the haze weather phenomenon increases and the dangerous phenomenon increases. Therefore, it is becoming more and more important to measure PM2.5 concentration values. The control center and processing center of this design is the MCU model STC89C52RC. The dust concentration in the surrounding atmosphere is measured by a dust sensor (model GP2Y1014AU0F), which outputs an analog signal. The final processed dust concentration value is displayed by the liquid crystal display LCD 1602. The product user can set a threshold for the system. When the concentration value reaches this threshold, the system simultaneously generates visual and audible alarms. This reminds people of the dangers and takes appropriate measures. The system test accuracy of this design is relatively high, the integration degree is also high, and the circuit is relatively simple, but the running state can be kept stable, and the debugging is also very convenient for the first time user, and has a large use value.

Key words: PM2.5, MCU, Dust concentration value, GP2Y1014AU0

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

在中国的许多地方，阴霾天气现象已被包含在雾中作为恶劣天气预警的警告。雾霾的主要成分包括了两大部分：一为重金属(如镍，砷，铬和铅)；二为PM 0.1，PM 2.5，PM 10。在二十世纪五十年代期间，地球上发生了一件惊心动魄的让人刻苦铭心的重大雾霾事件，那就是伦敦烟雾事件，发生于一九五二年。此次的致命雾仅用了四天时间便导致超过3999人失去生命。在本世纪一十年代，在我国的首都北京发生的烟雾事件就引起了非常巨大的轰动。空气质量的恶化必将给人们的生活质量造成重大影响。保持环境空气质量在适当的水平是当今社会面临的最大挑战之一。有许多污染源向大气排放大量的污染化合物，大多数来源是人为的。除了气体化合物，人类活动产生的最重要的污染物之一是颗粒物（PM），如Demirbas^[1]和Williams等人^[2]所述。

颗粒物会造成严重的环境问题。Tiwari等人^[3]、Pipal and Satsangi^[4]、Gong等人^[5]和Li等人^[6]等人报道的一些问题是地球辐射平衡的变化、云的形成的变化、对全球变暖的贡献以及能见度的降低。

人类健康也可能受到PM排放的影响，PM2.5值高于40就会对身体健康产生危害。环境中的PM2.5值比较高时，会有大量的细微颗粒物进入人体的呼吸系统。当颗粒物进入支气管和进入肺部之后，会影响气体交换过程，从而诱发支气管炎、哮喘等呼吸道疾病。无论在室内或室外环境中，人们都可能接触到颗粒物。Utell和Frampton^[13]研究发现了室外空气中的颗粒物含量可以从5000到10000个颗粒/cm³不等。在交通量大的街道上，这个数字可以增加到300000粒/立方厘米甚至1000000粒/立方厘米。若某地区出现持续几天的严重雾霾天气时，由于阳光微弱，地面表面的细菌、真菌、病毒以及微生物可以快速地大量繁殖，当人们接触多了之后，有可能引发过敏等疾病。

美国1997年就制定并颁布了关于颗粒物浓度值的标准，而中国是2011年制定的标准。有报告^[7]显示，在中国，排名在前500的城市中，超过99%的城市空气质量没有达到WHO推荐的标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。中国于1982年首次发布了《大气环境质量标准》（GB3095-82），随后进行过三次修订。目前的环境空气质量标准（GB3095-1996）于1999年发布。本标准仅限设定可吸入颗粒物质量浓度的限值，细颗粒物质不用作监测项目。2012年2月29日，环境保护部公布了最近修订的环境空气质量标准（GB3095-2012）^[8]，把颗粒浓度极限（粒径≤2.5μm）添加入内。与新标准平行也是环境法规指数（AQI）（测试）（HJ633-2012）已经实施。

现在，我们有能力且应该对PM2.5进行检测与预防，以改善空气品质，提高人民群众的生活质量。

1.2 国内外研究现状

目前，各国以及各环保部门使用的测量仪器五花八门，对PM2.5的测定方法也不完全相同，但大体上可分为以下四种：β射线吸收法、微量振荡天平法、重量法和光散射法。

①β射线吸收法：通过滤纸来收集PM2.5颗粒，然后用β射线照射滤纸。当射线穿过颗粒物时会被衰减，由于衰减度与颗粒物质量为正比例关系，因此可得出滤纸上的颗粒物重量。该方法准确度高，但其响应速度很慢，通常用与计算PM2.5一小时的平均值。

②微量震荡天平法：该方法的收集器具为锥形空心玻璃管，其粗头固定，滤芯安装在细头处。空气由粗头流经滤芯后从细头出，PM2.5就此截留。然后给装置施加一定的电场，使细头以一定频率振荡，该频率和细头重量的平方根成反比。最后根据振荡频率的变化得到PM2.5的重量。优点：准确，灵敏度高，适应范围广，可连续监测。缺点：体积大，价格昂贵。

③称重法：用滤孔直径一定的滤膜直接把颗粒物截留在上面，然后用天平对滤膜进行称重。优点：国标方法，最直接最可靠，可以用来验证别的方法是否有效。缺点：不能进行实时测量，只能测量一段时间的平均值。

④光散射法：用光照射颗粒物，通过测量散射光强度，套用一定的公式进行光强与浓度值的转换，从而得出颗粒物值。优点：检测速度很快，设备占用的物理空间小，通常可以将设备随身携带。缺点：有较高的不确定性。

国内外针对PM2.5问题都制定了较为完备的检测、预防与治理方案，同时开发出了许多相关设备。在国外有各种测量PM2.5的仪器，例如：Filte、Spotmeter、DLPI和ELPI等。这些设备对专业知识要求比较高，没有进行专业学习和对设备操作熟练度不够的人员，是很难进行PM2.5的检测。国内品牌设备，如Eersi的型号为DES-3P的设备，价格接近千元，非常昂贵；雨沃品牌的粉尘检测仪价格也是上千元；Hti品牌的HT9600型号PM2.5颗粒计数器价格高达八百元。当然也有几百元的设备，但对于一般人和普通家庭来说，价格还是不尽人意。因此，设计一款体积小、功耗低、运行速度快、稳定性好、价格适中的便携式PM2.5检测仪是非常有意义的。

1.3 设计的任务

研究内容：包括对身边的空气质量及温湿度进行检测，方便个人和家庭以较低的成本获取周围环境的质量信息，以便及时应对。

目的：完成PM2.5浓度的测量，以及比较精确的温度和湿度测量（±0.8°C和±5％RH）。

本次设计所研究的PM2.5测量仪系统硬件由单片机（型号为STMC89C52RC）单片机、液晶显示模块LCD 1602、按键输入模块、模数转换模块ADC 0832、报警电路、灰尘传感器GP2Y1014AU0F、温湿度传感器SHT11等部分组成。

灰尘传感器GP2Y1014AU0F实时采集空气中的PM2.5浓度信号（模拟信号），该模拟信号传输给ADC0832处理，使其变成数字信号。该数字信号经单片机分析运算处理后，在液晶屏LCD1602上显示计算得到的空气质量。使用者可以手动设置粉尘浓度。如果浓度过大，系统会发给蜂鸣器发出信号使其报警，同时也给发光二极管发出信号使其报警，从而达到听觉和视觉警报效果。

第2章 系统结构设计与方案选择

2.1 系统结构设计

现在是信息化和自动化时代，一般完整的系统设计包含硬件设计和软件设计。而设计的第一步就是要构建一个框架。根据设计要求，把本系统进行模块划分，则需要控制中心模块（单片机最小系统）、传感器模块、模数转换模块、显示模块、按键模块、报警模块、电源模块，共七大模块。其系统结构框图如图2.1所示。

图2.1 系统的结构

2.2 方案选择

2.2.1 单片机芯片的选择

市面上有比较多人用的两款单片机芯片是AT89S52与STC89C52。相比于国外AEMEL公司的AT芯片，我国自主研发的STC芯片具有更多优点：更大的数据存储空间、更快的运行速度、更低的功耗。因此在最小系统的芯片选择上，我选用STC89C52RC作为系统的控制中心。

2.2.2 温湿度传感器的选择

方案一：

DHT11温湿度传感器。该传感器采用的电源为直流供电，电压为3.3至5.5V。在测量宽度方面，能测量的湿度范围为20%至90%RH，不在测量范围内进行的测量，其数据并不可靠；能测量的温度范围为0至50℃，不在测量范围内进行的测量，其数据也不可靠。在精度方面，湿度精度为±5.0%；温度精度为±2.0℃。价格便宜，但由于精度太低，不满足设计要求。

方案二：

SHT11温湿度传感器。该传感器采用的电源为直流供电，电压为2.4至5.5V。在测量宽度方面，能测量的湿度范围为0至100%RH，属于全范围测量；能测量的温度范围为-40℃至123.8℃，不在测量范围内进行的测量，其数据也不可靠。在精度方面，湿度精度为±3.0%；温度精度为±0.4℃。该传感器的湿度与温度精度都超过了设计要求，而且是低功率传感器。

从设计要求方面考虑，我选用方案二。

2.2.3 按键的选择

方案—：

矩阵式键盘。矩阵式键盘的扫描方式为矩阵行列式，当需要的按键很多时，采用该方法可以提高MCU的I/O口利用率，但编程比较复杂。

方案二：

独立式按键。每个按键独占一个I/O口，每个按键相互独立，不需要进行矩阵扫描，电路简单，编程也简单。

由于本次设计用到的按键不多，所以我选用独立式按键。

2.2.4 显示模块的选择

方案一：

数码管。数码管显示非常明确，但由于需要进行多字符显示与参数设置，数码管并不能胜任此工作，因此不选择该方案。

方案二：

LCD屏。LCD1602是市面上最常用的显示屏，能进行字符串显示，因此我选择该方案。

第3章 硬件部分

3.1 电路设计框图

硬件电路的设计可分为需求分析、原理图设计、实物连线焊接、模拟测量调试、实际测量五个阶段。每个阶段都得细心完成，不然任何一个疏忽都有可能导致设计不成功。

综合上一章的方案选择，最终的系统组成结构如图3.1所示：

图3.1 系统的组成结构

本电路的控制中心为STC89C52RC芯片，与另外七个模块电路相辅相成，共同实现设计功能。它们分别是LCD显示模块、粉尘传感器、A/D转换、报警模块、电源模块、SHT11温湿度传感器模块。系统原理图如图3.2所示：

图3.2 系统原理图

3.2 STC89C52RC单片机最小系统

STC89C52RC MCU是STC开发的CMOS（互补金属氧化物半导体）8位微处理器，其三大特点为高性能、低能耗和强大的抗干扰能力。微控制器包含8k字节的ROM（只读程序存储器），在理论上重复读写十万次。STC公司把非易失性而且高密度储存方案手段应用到该芯片上。其使用传统MCS-51操作系统，高密度集成8位CPU和可编程闪存单元，这些功能使强大的STC89C52RC具有低成本高效益的优势，为众多基于单片机的系统（包含嵌入式系统）提供了众多的优良解决方案。

单片机的最小系统是单片机正常工作和执行其功能的必要组件，也可以理解为单片机由最少数量的元件组成的系统。对于52系列MCU最小系统通常应包括：MCU、输入/输出设备、晶体振荡器电路、复位电路等。最小系统框图如图3.3所示。最小系统原理图如图3.4所示。

图3.3 单片机最小系统框图

图3.4 单片机最小系统原理图

晶振电路：

XTAL1（19 脚）：芯片的内部振荡电路输入端。

XTAL2（18 脚）：芯片的内部振荡电路输出端。

XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，可配置为使用带内置晶振的振荡器，或者器件可由外部晶振直接驱动。在图3.4中，使用内部晶体振荡模式，但是可以通过使用内部振荡电路外部连接XTAL1和XTAL2引脚定时组件（1个石英晶体和2个电容器）来实现自激振荡。通常，晶体振荡器可在1.2和12 MHz之间选择，甚至可高达24 MHz，但频率越高，功耗越高。本系统使用的11.0592M晶振，电路上的两个电容只起的微调频率作用。

复位电路：

在微控制器系统中，复位电路至关重要：当程序异常跳跑（异常工作）或冻结（停止运行）时，必须复位。

当MCS-5l系列MCU的复位引脚RST（第9引脚）高于2个机器周期时，MCU执行复位操作。如果RST继续为高电平，则微控制器处于循环复位状态。

复位有两种基本形式：自动接通和开关复位。接通时，电容两端的电压不能突然变化很大。此时电容的负极连接到RESET，电压施加到电阻上，RESET的输入为高电平，芯片复位。然后加一个5V电源，作用是为电容充电，使分压在电阻上的电压值缓慢减小，最终约等于0分压，这样芯片就恢复正常工作。复位按钮是并联在电容两端的，如果未按下复位按钮，则表示上电复位完成，若在芯片完全正常操作后按下按钮可将RST引脚改为高电平，可获得手动复位的作用效果。

复位电路图如图3.5所示。

图3.5 复位电路图

STC89C52RC的I / O端口为8位并行模式，其端口有4大个：P0、P1、P2、P3端口，相应的引脚为P0.0~P0.7，P1.0~P1.7，P2.0~P2.7，P3.0~P3.7，共32条I / O线。每条线用作输入或输出，可以单独使用。

①P0端口（39~32引脚），该端口是8位双向I / O端口，其漏级处于开路状态。“1”写入端口P0，其引脚状态为高阻抗输入。P0口用于总线扩展时，因为其内部具有很弱的上拉电阻，因此不需要外接上拉电阻。若使用该端口的数据输入输出功能时（I/O口功能），则需要额外的上拉电阻。

②P1端口（1~8 引脚），该端口是8 位双向I / O端口，内部带有比较弱的上拉电阻。当端口写入“1”时，这时的作用是作为数据输入端口。当用于flash程序编写与校验时，P1端口接收的地址为低8位。另外，P1.0端口与P1.1端口存在第二功能。如表3.1所示。

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