智能空气质量检测以及除尘系统的设计与实现(附件)【字数：6956】
the times require. In the research of this paper, an intelligent air quality detection device is mainly designed and developed. The detection of harmful gases in indoor air is completed by using this instrument. In the design, the 8-bit microcontroller of STC company is used as the carrier, and then display and alarm light functions after processing these data. The display module of the instrument adopts LCD1602 dot matrix liquid crystal. At the same time, it also integrates a sound and light alarm device in the system, which can alarm when the parameters exceed the set threshold in real time, and can carry out daily dust removal activities. The indoor intelligent air quality detection device has the advantages of small size and low power consumption, which is more suitable for home use and better completes the improvement of air quality.Key words: STC90C51, air quality, LCD liquid crystal display, harmful gas一、引言 1（一）课题研究的目的及意义 1（二）国内外的研究状况 1二、方案设计与元器件选择 2（一）设计思路 2（二）设计构成的要素 2（三）单片机的选择 3STC90C51单片机简介...........................................................................3三、传感器的选择及其说明 5（一）电化学式气体传感器 5（二）温湿度传感器 5四、空气质量检测仪的硬件设计 7（一）声光报警电路设计 7（二）电路电源设计 8（三）按键电路设计 9（四）模数转换电路设计 9五、系统软件设计 11（一）软件功能需求 11（二）主程序模块 11总结. 13参考文献 14致 谢 15附录一 程序代码 16附录二 硬件电气原理图 34前言课题研究的目的及意义在对空气质量进行评测的过程中主要是根据空气中是否含有污染物以及污染物的量，其反应了空气污染的程度。人们在生活中排放的各种污染物都会严重影响人们吸入的空气洁净度。在检测室内空气质量的时候主要是对装潢产生的污染以及生活区域产生的污染气体进行检测，同时也可以对各种排烟中含有的污染气体进行检测。在如今的新世纪，人们群众的生活水平和质量的提升对空气质量也发起了新挑战，在人民群众日常生活中面临最严重的就是二手烟这种空气污染的危害。美国学者在进行研究中发现，在日常的室内空气中会存在400多种物质，其中会导致癌症高发的污染物质高达20余种，致病病毒200多种，若不加以防范，在通风不良好的室内，人类就宛如居住在一个细菌和病毒环抱的环境中，在室内的空气中有比较多的污染和对人体健康有害的物质，常见的有甲醛、苯等有机物质，大量的研究数据显示，这些物质对人体的健康构成严重的威胁，是人体安全的隐藏杀手。在新房装修后，不在空气质量检测验收合格后就着急入住后得白血病等癌症的例子屡见不鲜。室内空气质量问题已经被多个国家开始密切关注。根据相关机构的统计与分析数据可以得知，目前在全球有一半的人都生活在存在污染的空气中，这些污染的空气导致每年会发生多种呼吸道相关的疾病。在本文的研究中主要是基于单片机芯片来设计了一款空气质量检测系统，通过采用该系统能够对室内的空气质量每时每刻进行监测，当有害气体的浓度超出设定的阈值后会触发报警模块工作。国内外的研究状况目前国内外的研究人员们主要是采用气体传感器来收集空气的相关数据信息，在1983年的时候就已经设计开发出了检测甲醛的传感器。经过多年的发展，随着各种集成技术、电路技术以及计算机技术的快速发展与普及应用，这类传感器已经具有比较高的灵敏度，可以对相关的样品进行比较精准测定。但是这些芯片在进行实际的检测应用中会比较容易受到水分子的影响，导致测量的数据会发生漂移，因此需要根据这些问题来设计相应的处理电路模块，通过提高传感器的相应性能可以更好地推广和应用。在日常生活中对甲醛、苯等这些常见的有害气体进行检测中，国外经过多年的研究发展后，已经发明并且制造出了相应的检测设备，比如有Z300甲醛气体检测仪、英国知名科技公司生产的PPM-400甲醛检测仪;国内的相关行业研究人员们也对这方面进行了比较深入的研究，比如江苏安普公司研发的400型甲醛分析仪以及北京宾达绿创科技研发的甲醛测定仪308等。通过采用这些装置和仪器可以比较方便地完成对室内空气质量的检测，但是这些设备比较适合那些专业的机构进行使用，因为这些设备的操作比较复杂，对工作条件的要求比较高，同时这些装置在进行数据的检测中需要的时间比较长，往往需要现场进行繁琐的样品数据采集之后还要进行相应的试验分析才可以得出空气质量报告，无法进行有效的持续监测。当前国内外有关这些空气质量检测装置的设计上主要的差异在对单片机以及传感器相关芯片的选择上，随着这些技术的不断成熟，设计开发便携式的检测装置已经成为可能。二、方案设计与元器件选择及其主要参数（一）设计思路在下面的设计中主要是采用电路图以及设计框图的方式来表示基于单片机STC90C51的空气质量检测系统，通过对系统采用模块化的设计方式来对不同模块之间的交互以及数据转换过程进行分析。1、本次所设计的空气质量检测系统具有空气温湿度信息的检测，同时还集成了报警以及数据显示的功能模块，可以比较精准地对室内空气质量进行评测； 2、该系统中的显示模块是采用的LCD1602显示屏，通过系统中的数模转换装置可以把这些信息经过转换处理后在液晶显示屏上进行显示。3、如果空气中存在有害气体，同时气体的浓度超出了阈值后就会触发报警模块工作。4、通过采用按键的方式可以对系统的测量范围进行设置和调整，可以调节相关参数 （二）设计构成的要素本文在进行设计的过程中主要是分为了硬件和软件两个部分进行配合工作。硬件系统是由STC90C51单片机芯片、液晶屏（LCD屏幕）、防尘风扇及配套滤芯等组成。软件系统是程序烧入。整个程序采用C语言进行设计，在达到预期目标的基础上对程序进行反复测试。采用KELL5软件对程序进行编程。（三）元器件的选择（STC90C51）随着计算机科学技术的持续发展以及广泛的应用，单片机的集成度也变得越来越高，同时单片机芯片的模块化程度也比较高，具有体积小，质量轻等多种优点，目前这些芯片在嵌入式的设备开发以及智能仪表等领域中有比较好的应用场景。使得这些行业的开发研究成果能够快速投入使用，进一步推进了科技发展。结合以上内容以及过去两年在课本中的学习内容，单片机型号的挑选主要从以下几点中考虑一是要选择大厂不选小作坊，选择市面存量大不选罕见的，要考虑到制造企业的综合信誉、制造工艺水平的高低，以确保单片机在一定的技术指标下可以稳定且长期运行不出故障。二是可开发性，这种芯片在实际的设计中需要满足不同场景下的设计与开发的需求，比如可以进行调试以及仿真； 三是该芯片具有较高的性价比，由于在进行实际的应用中会有比较复杂的场景，所以需要选择的芯片具有较高的适用性。在本文的研究中选择的是宏晶公司的一款低功耗的芯片，这种芯片的工作原理与51系列的单片机芯片是一致的。此单片机含有4Kbytes的可系统编程FLASH，通过采用引脚连接外部的元器件，同时还兼容51系列单片机的相关操作指令，可以在不同的应用场合中提供比较灵活的控制功能。（四）元器件的性能概要1、使用51这一系列的单片机可以实现多管脚的功能支持，同时还可以对不同的机器和时钟周期进行选择，该芯片支持51单片的相关指令和代码；2、芯片的工作电压范围是3.3-5V，可以满足供电需求；3、芯片的工作频率是在0-40MHZ，这一频率范围也满足相关芯片和组件需求；4、支持的4K 等字节；5、在芯片上集成了512字节的存储空间；6、该芯片具有与51系列单片机相应的接口，可以满足总线扩展的应用需求；7、该芯片支持逻辑编程以及ISP，不需要采用专门的编程器8、实现看门狗；9、内部集成了配套的复位电路，在使用复位电路的外接情况下也能够正常使用；10、该芯片有3块16位的定时计数器，在不同的工作场景中选择不同的定时和计数的功能；11、系统具有外部4路的中断功能，通过采用不同的模式可以对中断电路进行唤醒；12、该芯片支持异步串行的功能，可以选择采用定时器来支持工作；13、芯片的工作温度满足需求； 14、封装LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44 /图1 STC90C51引脚布置（五）时钟电路模块 时钟电路在这个系统中主要是负责进行计时处理的，该电路的结构主要是由12MHZ频率的晶体振荡器和复数个30pF的电容（瓷片型）构成。该电流模块主要负责提供该单片机工作需要的时钟信号，单片机内部也有一个比较复杂的时序同步的功能电路，在进行工作的过程中为了确保整个系统更加稳定可靠，通常会外接一个时钟电路，下面图2所示是设计的时钟电路的结构图。/图2 时钟电路模块（六）复位电路模块整个电力系统中采用复位电路可以在发生异常情况的时候及时恢复到电路的初始状态，这种电路的主要工作原理就是在进行启动的过程中有不同的方式。复位电路在工作的过程中可以把异常的电路进行初始化，所以也像计算机系统中的清零的功能，可以比较容易使电路系统恢复到初始状态，下面图3是复位电路的简要电路图。/图3 复位电路模块三、传感器的选择（一）电化学式气体传感器 在对电化学相关的数据进行监测的时候主要是采用相应的传感器来实现数据的收集，并把这些数据进行相应的转换，目前的主流电化学式气体传感器可以检测众多对人有害的化学气体，供电式传感器还可以检测氧气含量。电化学传感器的优势在于对气溶胶的超高灵敏度以及优良的选择性。缺点在于只能正常稳定使用两年。本文从实用性和性价比等方面考虑选择采用化学传感器。在进行详细的设计过程中通过采用这种传感器可以实现对0.1ppm规模气体浓度进行检测，同时对空气中的苯、甲醛等这些有害气体有比较好的灵敏度，下面图4所示是这种芯片的实物效果图，电路图如图5/图4 MS1100/图5 有害气体传感器接线图（二）温湿度传感器 温湿度传感器在实际的工作过程中就是能够采集相关的温度和湿度的数据信息，然后会通内部的功能模块对这些数据进行处理和转换的一种装置。通常可以采用这种芯片来实现对温湿度数据的采样工作。因为测量温湿度的范围不大，精度要求不高所以我选择数字温湿度传感器。DHT11能够测量相对湿度和温度，并且具有长期稳定性、无需额外模块、远距离信号传输能力、低能耗、4引脚等优势。实物图如图6表1 DHT11传感器信息/参数温度条件时长（分钟）变化极值单位湿度分辨率222%RH16Bit重复性±1%RH精度24℃±2%RH0－48℃±3%RH互换性可完全互换量程范围0℃3288%RH24℃1888%RH48℃1878%RH响应时间1/e(63%)25℃，1m/s 空气61015S迟滞±1%RH长期稳定性典型值±1%RH/yr温度分辨率111℃161616Bit重复性±1℃精度±1±2℃量程范围050℃响应时间1/e(63%)630S表2 电化学式气体传感器性能说明（MS1100） 四、空气质量检测仪的硬件设计（一）声光报警电路设计 为使是数据的显示更加直观，在增加了液晶显示功能模块的基础上还增加了报警模块，具体的电路结构见图7所示，通过采用这个报警模块可以使在数据超出阈值后通过声光报警来提醒人们，主要的功能模块有蜂鸣器和二极管。/图6 声光报警电路（二）电源电路设计在设计电源模块时主要是根据稳压管来完成系统的电源输入大小的控制，如果低于供电电压就会通过功放进行放大，稳压管应加装散热板，防止长时间使用导致整个设备烧毁。电源电路如图7/ 图7 电源电路（三）按键电路设计为了测量不同环境中的气体浓度及温湿度，于是设计了按键功能，以实现对不同环境下气体浓度和温湿度范围的调整。共设计了5个独立按键如图8，可通过按键进行设定的确定和返回，并且能结合使用环境在三种范围的自由切换，以适应不同的使用环境。另外上下和左右方向键4个，因考虑到使用者可能要在同一时间多次测试同一值，特设计了上调键的另外一个功能，当上调键按下时完成自动和手动的切换以满足不同使用环境。/图8 按键电路（四）模数转换电路设计 电化学信号在通过相应的传感器采集后会经过AD进行数据的转换，然后会把这个数据传给STC90C51这个芯片来实现对转换后的数字信号进行处理，最后把处理后得到的数字信号通过液晶显示单元进行显示，芯片管脚示意图见图9所示。/图9 ADC0809电路其中ADC0809各脚功能如表3引脚功能介绍D7-D0IN0-IN78位数字量输出引脚8位模拟量输入引脚VCC+4V工作电压REF（+）参考电压正端REF（-）参考电压负端STARTA/D转换启动信号输入端ALE地址锁存允许信号输入端EOC转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平OE输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK时钟信号输入端（一般为500KHz）。α、β、γ地址输入线表3 各引脚功能ADC0809这种单片机芯片内部还集成了一个8通道的开关，在进行工作的过程中可以对通过不同管脚输入的数据进行处理，然后会通过8路模拟模块来把输入的数据进行A/D转换。在该模块工作的过程中对系统的模拟数据的输入有一定的要求，系统的工作电压是0-5V，在进行工作的过程中会对单机芯号进行处理，同时还要在该功能模块中增加功放电路。ADC0809芯片具有51系列单片机的标准接口，这些接口比较容易进行操作，接口的连接示意图见下面图10所示。/图10 ADC0809接线原理图/五、系统软件的设计（一）软件功能需求对这个系统进行设计的过程中首先是分成了多个模块，主要完成相关数据采集的是传感器模块，然后会通过采用AD模块把这些数据进行转换，同时把数据发送到液晶显示模块显示，下面表4是不同模块的功能介绍。表4 各功能模块功能简要描述/在进行软件的功能设计中根据相关的需求主要是采取了下面的措施1. 对程序进行模块化处理，主要是根据整个应用程序的不同功能进行划分，拆分成了主程序模块、显示模块以及报警模块等，不同的模块之间通过相应的协议来完成数据的传输和通信。2. 程序的功能是通过采用C语言进行编写； 3.在程序中通过增加中断的功能改善了兼容能力。4. 在软件中还增加了错误处理的逻辑，大大提高了整个系统运行的可靠性。（二）主程序模块架构图11是在本次设计中的主程序流程图，通过对这个程序流程进行分析可以得知，所开发的软件主要的功能就是通过传感器可以完成所需要的数据采集，然后把这些数据进行分析和处理后通过计算机软件来进行分析，并把数据通过液晶显示模块进行显示，如果超出了设置的阈值就会通过报警模块发出报警的功能。整个程序的实现是通过系统中传感器以及单片机的逻辑单元来实现的。/图11 程序主流程图总 结在整个论文的撰写以及毕业课题的设计中对报警装置的设计与开发比较顺利，主要是通过对一些比较先进的方案进行参考，通过分析完成空气质量检测装置的系统设计，经过这段时间的毕业设计我学习到很多知识，首先是把理论知识与实践进行了结合，很好地锻炼了自己的动手实践能力，还考验了我的总结归纳能力。伴随着该次设计的完成，我在经验方面有不少收获。我一开始选好这个课题后不知道具体该怎么去做，有众多不擅长的方面和领域，好在老师和同学能够对我进行启发和帮助，帮助我解决一个又一个难题。在挑选组件传感器时要仔细考虑，并仔细思考每个组件的正确使用方法。使用Protel做原理图，一丝不苟地把每一个针脚相连，必须完全遵守电路设计原则，了解每一个电路设计。焊接时，千万要小心虚焊接，针脚是不能连到一块去的，注意实验安全。在程序设计当中，严格遵守程序的规则和要求。如果有问题不能自己一个人解决，要赶快去上网查阅资料，并在实际操作时注意合理实验的操作要求。在写论文的时候，语句一定要读起来通顺流畅，段落清晰紧凑，主旨明确。在最后我想说，这次毕业设计我学会了该怎么去查阅信息知识，增长了我的专业素养，锻炼了我遇到困难时的毅力。希望我的空气质量检测系统设计能够被大众所采用或者有所启发，我的文章能够对空气质量检测器的开发起到帮助。参考文献[1] 沙占友主编．集成化智能传感器原理与应用．北京 电子工业出版社， 2004，36-56．[2] 赵德安．单片机原理与应用[M]．北京机械工业出版社，2009．[3] 诸邦田．电子电路实用抗干扰技术[M]．北京人民邮电出版社，1994.5[4] 李广第．单片机基础．北京北京航空航天大学出版社，1995，33-64．[5] 汪吉鹏、马云峰．微机原理与接口技术[M]．北京高等教育出版社，2001.7[6] 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