论文总字数：18420字

目 录

第一章 概述 1

1.1 设计的依据及其意义 1

1.2该设计的设计原理 1

1.3论文安排 2

第二章 系统总体设计及模块介绍 4

2.1系统总体设计 4

2.2相关模块及芯片介绍 5

2.2.1 单片机的选择 5

2.2.2传感器模块的选择 6

2.2.3 ADS1100模数转换芯片 7

2.2.4 液晶显示模块 9

2.2.5 锂电池充放电芯片的选择 12

第三章 电路设计 14

3.1单片机最小系统设计 14

3.2 程序下载与调试电路 15

3.3 AD转换电路 16

3.4 传感器模块电路 16

3.5 显示屏电路 16

3.6 报警电路 17

3.7 锂电池供电与充电电路 18

第四章 软件部分设计 19

4.1开发环境 19

4.2程序设计 19

4.2.1主程序设计 19

4.2.2 声光报警部分 20

第五章 系统调试 21

5.1硬件的调试 21

5.2 软件的调试 21

5.3 程序的下载 21

第六章 测试与分析 21

6.1系统实物图 21

6.2 操作流程 21

6.3 实际效果与数据对比 21

6.4存在的不足与展望 21

第七章 总结与展望 21

参考文献 21

致谢 21

附录 21

便携可充电式PM2.5检测仪设计

朱廷玉

，China

ABSTRACT：Nowadays, how to effectively control the haze is still a difficult problem in the technical level. People rely more on wind to blow up pollutants in the atmosphere, but it is technically feasible to monitor smog. This design is a portable detector which is used as the control core to measure the haze particles in the air. The instrument as well as traditional instruments with sensor monitoring data, the AD conversion technology transform the data again by single chip, combining three implementations for the detection of fog particle concentration in the air. At the same time, the lithium battery is used as the power supply to realize the portability and rechargeability of the system.

It has been proved that this design can help people to carry out real-time detection of the air quality around them, and effectively improve the users' awareness of air pollution. The rechargeable design improves the user's endurance more effectively.

KEY WORDS: MCU; PM2.5; Smog concentration; Sensor technology

第一章 概述

1.1 设计的依据及其意义

近年来，随着爆发式增长的中国经济，同时与之相应的是人们的生活水平和质量显著提高，而随之提高的还有人们对健康的要求和对自然环境的向往。但是，高度发达的工业社会虽然给我们带来了高水准的生活，但负面影响也随之接踵而来。其中，环境污染就是一个极其重要的影响因素。现在，空气污染尤其是PM2.5给自身带来的严重危害已经在人们的脑海中形成了普遍认知，绝大多数人已经认识到改善自然环境已经刻不容缓，广大人民群众强烈呼吁要求使用上安全的空气^[1]。

目前在中国绝大多数的大中型城市PM2.5指数分布都极不均衡，北方城市由于空气流通缓慢故而指数常常爆表，而大部分沿海城市却由于临海而环境质量较好^[15]。由此如何实时地监测我们身边的环境成了一个问题，人们需要以此为标准来进行预防。由于现在手机app上的PM2.5的浓度指数仅仅显示某一片地区的指数，但雾霾的分布并不是均匀的。所以便携式检测仪就有了需求，现如今随着高科技的快速发展，实现这一目标并不困难^[2]。

PM2.5这一概念的产生可以追朔到上世纪70、80年代，在那时这一概念才刚刚出现。而直到90年代，有关这方面的研究才慢慢受到人们的广泛关注，美国的一些科学家和相关协会成为了其中的佼佼者。他们做出了研究，并指出了大气污染物的主要成分和其来源。同时相关的规章制度在人们的呼吁下也渐渐随之出台用来规范国家、企业和个人对污染物的排放问题。

而由于经济发展相对滞后的问题，这一情况直到本世纪初才受到中国政府和人民的关注，并迅速在人群中引起热议，形成了巨大的舆论风波。与此同时，相关研究也同时在中国展开，然而尽管我们对PM2.5的主要成分和雾霾的成因有了相当的了解却由于客观原因仍显得无能为力。如今正值我国经济快速发展，由于对资源的几乎无止境的需求和发展工业进程中对于环境的牺牲，雾霾的情况并没有减弱。

而在当下，作为个人如何在恶劣的生活环境里最大限度的保护自己的身体健康就成了一个问题。而获取身边的空气污染指数以采取措施应对，就成了保护自己的第一步，本课题便是基于这一理念才诞生的。

1.2该设计的设计原理

这种设计中使用的方法称为光散射。

当光线在空气中行进时，由于粒子与粒子会互相撞击，光子在受到阻碍后会朝不同的方向发射，这一过程就成为光的散射。而在这一过程中由于碰撞的光子会朝四周散开，虽然这些光频率同之前一样，但强度显然较弱，这样的的光称散射光，这种现象称光的散射。而散射光又叫做子波，而这一过程中吸收了射过来的光同时将散射光射出的粒子称为散射粒子。而在这一过程中，子波的强度分布在不同的方向并不一样，而且十分复杂。

不过，虽然如此，但这种原理仍被运用于检测空气中颗粒浓度的领域。

本论文可以这么总结，这种方法的原理在于根据不同的子波的强度，颗粒物的浓度是肯定不一样的。在高浓度时, 通过相应的测量，光线通过相应的转换公式就会得到它的密度，因为光散射不提高,。然而，由于粒子的形状、化学成分、重力和粒子分布等都会影响光的散射。所以光线的散射与空气中的颗粒物之间有着复杂的关系。此外，粒子与粒子之间甚至可能产生难以预料的化学反应。

可以说，目前光散射法是不太成熟的。因为空气中的情况十分复杂，用这种方法来探测空气中的颗粒物就是一个复杂的过程。限制其测量精度的因素有两个。一个是抽样过程。空气中污染物粒子的大小的跨度很大，从几纳米到100微米不等。有研究表明,通过实际采样器到测试室的颗粒物与许多因素相关，其中包括一个粒子的形状和大小,进气流量和抽样气流速度,气体样品的比例涡流和摄入量等等。这些因素组合成了一个复杂的函数。这极大地限制了仪器的准确性^[4]。

1.3论文安排

本设计的主要目的是在基本完成对空气质量检测的要求下实现整个系统的便携式和可充电性。STC89C52微控制器是整个系统的核心，夏普生产的 GP2Yl014AUOF作为PM2.5传感器检测装置，以模数转换芯片ADS1100作为两者之间的数据转换传输中介，搭建起整个框架。并且采用803040锂电池为整个系统供电，还可充电实现多次利用。

该设计的最大优势是所用材料都很廉价，整个系统将成本控制在了一个很低的水平，同时采用蜂鸣器实现了最基本的报警功能，基本达到了可实用的水平。

该设计的基本框架如下：

（1）STC89C52为整个系统的核心，用来分析计算空气污染指数。

（2）空气中的颗粒浓度由Sharp GP2Y1010AUOF传感器检测。

（3）由ADS1100将传感器收集的数值由模拟量转化为数字量。

（4）最后计算出的数值在LCD1602上显示。

（5）可以通过按键来设置所需要的警戒线。

本文旨在设计一种具备检测空气中颗粒物浓度同时可以便携的可充电检测仪，文章以系统的方案选择、软硬件设计与制作、系统实物的测试为主体，具体的章节安排及各章的主体内容如下

第一章介绍本课题的选题意义与背景，简单介绍有关PM2.5检测的发展现状与设计采用的原理，确定系统设计的主要工作。

第二章详细介绍了便携可充电式PM2.5检测仪的方案设计，给出系统所用到的各个模块的参数特点。

第三章为硬件设计部分，详细介绍了便携可充电式PM2.5检测仪设计所用各个模块的硬件电路设计。

第四章位软件设计部分，介绍了系统各个模块的程序设计流程。

第五章和第六章给出系统设计的实物图，说明设计实物的操作流程，并对本系统做出分析与展望。

最后对本次毕业设计做一个简单的总结。

第二章 系统总体设计及模块介绍

2.1系统总体设计

本设计是一种基于广泛采用的STC89C52单片机^[3]的锂电池供电的便携式雾霾检测装置。系统由以下几个部分组成：

1、STC89C52单片机

2、夏普GP2Y1010AUOF模块

3、ADS1100模数转换部分

4、显示屏

5、蜂鸣器报警部分

整个系统在控制其他部分的设计中的核心自然就是STC89 C52微控制器，它主要包括粒子传感器模块GP2Yl010AUOF。A/D模数转换芯片 ADS1100，最后在液晶屏上显示，也就是LCD1602。

整个系统的框架结构如图2-1所示：

图2-1 系统框架图

2.2相关模块及芯片介绍

2.2.1 单片机的选择

在历史上，英特尔设计制造了第一块单片机，而作为微控制器被设计出来的它很快在工业领域掀起了一场革命。而单片机经过多年在工业领域的实际应用，同时在运用中对它们不断改进，单片机由最初的核心组成CPU逐渐扩展集成了许多外部接口，并由此诞生了许许多多的种类，为实现成本较低较为复杂的小型控制提供了条件。

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