1、PM2.5;Temperature and humidity;Wind velocity;Transducer;Microcontrollers1. 概述 （1）1.1 设计背景 （1）1.2 设计的目的以及意义 （1）2. 总体框架设计 （2）2.1 设计要求 （2）2.2 系统设计框图 （2）3. 硬件设计 （2）3.1 时钟电路 （3）3.2 复位电路 （4）3.3 系统电源设计 （4）3.4 显示模块 （5）3.5. PM2.5检测模块 （6）3.6 温湿度检测模块 （8）3.7 风速检测模块 （9）4. 程序设计 （10）4.1 主程序设计 （10）4.2 显示程序设计 （11）4.
2、3 PM2.5程序设计 （12）4.4 温湿度程序设计 （15）4.5 风速测量程序设计 （16）5. 检验与验证 （17）5.1 实物验证 （17）6. 总结 （21）附录 （22）参考文献 （39）致谢 （40）环境智能监测系统1. 概述1.1 设计背景随着新时代的到来，科技的飞速发展给人类带来了诸多便利，但是也带来了一些环境问题，例如说影响我国的雾霾天气。雾霾，顾名思义就是“雾”和“霾”，在夜间的时候，雾相对于霾要多一些，在日间的时候霾占据主力。雾本身是一种自然现象，对人类的健康并没有多大的危害，而霾的主要成分是PM2.5，PM2.5是工业生产、汽车尾气等产生的大气污染物，高浓度的大气污
3、染物对人类的健康有非常大的危害。在1952年英国伦敦4日内烟雾事件中，由于大气污染物高浓度暴露水平，引起了不同程度的居民急性死亡、喉痛、咳嗽、呼吸困难等大气污染性疾病，并致使更多人患上支气管炎、冠心病、肺结核乃至癌症。这引起了人们对大气环境污染的高度关注。特定的气象条件是雾霾的成因之一，在2013 年我国中东部地区大雾频繁，其主要原因：一方面是由于进入冬半年以后，中东部地区冷空气势力逐渐减弱、地面风速减小，我国大部分地区多被西北气流控制，大气层结构较为稳定，为水汽积聚创造了条件；另一方面，由于青藏高原南侧暖湿空气活动增强，并延西南路径将水汽输送到我国中东部地区，为雾气的产生创造了条件。因此，特
4、定的天气现象会促进雾霾天气的多发。雾霾威胁着人类的健康，影响人们的生活，但是雾霾是可以改善和预防的，比如说种植防护雾霾的绿色植被。然而，在检测环境中雾霾的污染程度这方面还没有得到人们的广泛运用，虽然人们可以通过查询天气预报来了解当地的包括温湿度、PM2.5浓度等情况，但是天气预报所报道的相关数据代表的是较大范围的天气情况，是采用大型气象监测系统进行大范围的监测，没有办法精确到自身所处环境中，因此设计一种小型化，便携式的环境智能监测系统就显得十分必要。本次设计的初衷就是设计一个能实时监测当前环境空气中PM2.5浓度的系统，由于特定的天气会使得雾霾现象的频发，所以在监测PM2.5浓度的同时还需要实
5、时监控当前的温湿度情况和风速情况，对当前环境进行评估，使得人们有更好的应对方法。1.2 设计的目的以及意义 在生活中，有时候我们需要实时检测一下当前环境中的PM2.5浓度，以便决定是否出门进行户外活动，由此确保自身的健康，以防吸入过多的微小颗粒物。同时，该系统还能实时监控当前环境的温湿度情况以及当前环境的风速情况，使得人们可以对当前环境进行评估。本文的环境智能监测系统就是基于这一理念来设计，实现该系统在正常的情况下，LCD液晶显示器上实时显示当前环境的PM2.5浓度值和当前环境的温湿度数值，当需要观测风速时，可以按下按键，切换到风速的显示页面，在LCD液晶显示器上实时刷新当前的风速值。2. 总
6、体框架设计2.1 设计要求本文设计研究了一种基于单片机的环境智能监测系统，通过外部元器件感知环境中的PM2.5浓度、温湿度以及风速，元器件将各非电量转换成电量传递给单片机，由单片机检测并控制LCD显示器进行显示。本人通过设计一个以单片机为核心的检测器来实现以下功能：（1）实时显示当前环境的PM2.5浓度值；（2）实时显示当前环境的温湿度；（3）系统死机时可以按下复位按键，使得系统重启；（4）能监控当前环境中的风速情况，按下按键，LCD显示器页面切换显示风速。2.2 系统设计框图根据以上2.1所介绍的系统功能，可以绘制出如下图1的系统功能框图，由框图可以很明确看出各个功能模块之间的输出与输出关系
7、。图1 系统设计框图3. 硬件设计单片机，全称为单片微型计算机，是一块微型处理器。单片机技术经过几十年的发展，现在的单片机型号已经越来越丰富，最简单的有51单片机，最复杂的单片机直接用在超级计算机中。本文所设计的环境智能监测系统采用STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2也是属于51单片机，但是其性能上要比51单片机要强，它不但完全兼容8051指令，寄存器也基本兼容，其次，STC12C5A60S2单片机内部自带高达60K FLASHROM（快速擦写只读编程器），这种存储器的好处就是用户可以用电的方式瞬间擦除和改写，并且STC12C5A60S2单片机支持串口程序烧写，方便程序下载
8、。所以说STC12C5A60S2单片机具有强大的功能。虽说STC12C5A60S2单片机和简单的51单片机的性能有着天壤之别，但是其本质上都是一样的，即通过修改单片机内部的程序从而调用外部的电路平台实现系统功能。STC12C5A60S2是现在常用的一款单片机，其引脚功能与51单片机类似，也是其他单片机的基本构造。总体可大致归纳为：（1）32个普通IO口：这些IO口可以细分为P0/P1/P2/P3口，每个口分配有8个引脚输出，这些引脚都可以作为普通的输入、输出端口使用。值得一提的是，P3口作为双功能口，还有很多的寄存器，这些寄存器主要有两个定时器、两个中断和一个串口，用的最多的双功能口也就是这三
9、个寄存器功能。（2）复位脚：单片机是一个微型计算机，其内部可以运算程序，因此需要有复位脚来引导程序的运算。复位脚的功能是能使得单片机进行复位，从而使得程序能正常运行。51单片机的复位引脚在9号引脚，因此可以在9号引脚设计一个复位电路。（3）晶振端口：单片机的P3口的两个定时器端口需要使用到外部晶振作为时钟震荡源。因此，单片机的18号引脚和19号引脚作为晶振端口，一般都介入外部晶振。STC12C5A60S2引脚图如下所示：图2 STC12C5A60S2引脚图3.1 时钟电路上图中并未包含有最小系统电路，但是最小系统电路是单片机设计中最必不可少的一个关键电路，是程序能正常运行的基点。最小系统一般有
10、复位电路和时钟电路，下图为时钟电路，C1和C2为晶振电容，是为了稳定晶振的振荡频率而设计的，一般值在几十pF即可满足。而晶振则有很多种，在此选择振荡频率为11.0592MHz的晶振。时钟电路的硬件连接如下图3所示：图3 时钟晶振电路图3.2 复位电路一个完整的系统需要有复位端，当程序死机的时候可以按下复位键拯救系统。在本次设计中，S1连接到单片机的9脚，当有按键按下后，按键S1、电容C3、电阻R1构成的电路产生一个微分脉冲复位，9脚检测到0.1us的高电平即可复位。复位电路的硬件连接如下图4所示：图4 复位电路3.3 系统电源设计前面已经指出，单片机的工作电源为5V。同样，该系统中的温湿度传感
11、器DHT11与显示器LCD1602的正常工作电压均为DC5V，因此有必要设计一个电源电路以供给整机电路的正常工作。每个国家定义的市电电压都不一样，但一样的是微处理器能正常工作的电压是5V，因此需要将市电电压220V交流电转变成5V的直流电。220V是一个非常危险的电压值，能提供的功率非常大，而单片机工作所需的功率很小，不需要如此大的功率。为节能考虑，本次设计采用变压器降压，再经过整流滤波电路，输出稳定的直流5V电压。稳压电源，其专业名称为LDO电路，该电路由变压器将高电压转变成低电压，然后再依次经过整流电路、滤波电路和稳压电路。如下图5所示，输出端即为直流5V电压，需要说明的是，图5中的P1端
12、接入的不是220V交流电，而是已经经过变压器降压后的低电压，一般的变压器降压电压为5V、9V、12V、15V、18V以及36V。本次设计拟采用220V转12V变压器，12V的电压不会很高，对人体不会产生危害。虽然说三端稳压块LM7805的工作电压不仅仅12V，但为了保护芯片，防止芯片过热烧坏芯片，选择12V电压是一个较为理想的值。图5 稳压电源设计组成3.4 显示模块显示电路，是将电子信息以一种能让人类识别的方式显现出来。不同的显示线路有着不同的特点，常见的有LED点阵屏显示、LCD液晶屏显示和数码管显示。在本次多路采集系统设计中，显示电路是由LCD1602构成的一个显示器件，在该显示器上显示
13、测量信号的值，使得使用者可以直接观察得到结果。其工作原理是根据光学的折线传播原理构成，光线经过内部的折线点阵后会点亮相应的点阵，多个细小点阵一起点亮就组成了一个字符。该器件的引脚功能如表1所示，显示电路的硬件设计需要根据表1所示的引脚功能进行设计：表1 LCD1602引脚编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D33VL液晶显示偏压11D44RS数据/命令选择12D55R/W读/写选择13D66E使能信号14D77D015BLA背光源正极8D116BLK 在图6电路中，由于单片机P2口设计的特殊性，与P0口的设计不一致，因此不需要接入上拉电阻，就能使得其高电平达到5V的点位
14、，低电平达到0V，从而进行准确的IO口电平读取。在下图中，引脚1和引脚2为显示器的电源端口，值得注意的是，引脚15和引脚16同样要接上电源和地，这两个引脚是显示器的背光口，如果不接上的话只是背光不会点亮，但是显示还是能正常工作。引脚3为显示器的对比度调节端口，因此需要接入滑动变阻器，用户可根据自我需要调节对比度。引脚4、5、6则为显示器的控制端，写指令与写数据均通过这几个引脚执行。剩下的引脚都为数据传输端口，只需要将其从低到高连接到P2口的8个引脚端口即可。图6 LCD显示电路设计3.5. PM2.5检测模块3.5.1 模块简介GP2Y1010AU0F是日本夏普公司生产研发的一种粉尘传感器，内
15、部主要由光电传感器和发光二极管组成，具体的实现步骤为：LED由脉冲进行点亮和熄灭，此时由晶体管组成的光电传感器检测LED的亮灭，由于空气中存在有微小颗粒物，微小颗粒物的存在阻挡了LED光线的传播，因此传输到光电传感器端的光通量就会减弱，由此可以间接测出空气中的微小颗粒物的浓度，GP2Yl010AUOF的设计初衷就是测量直径为10微米的颗粒物。同理，该器件可以检测PM2.5的值，只需要在程序中转换一下计算方式即可。在官方提供的datasheet中，可以知道光电传感器与LED的示意图如下图所示：图7 LED脉冲与光电传感器示意图3.5.2 原理分析 由3.5.1可知夏普GP2Y1010AU0F可以
16、对环境中的微小颗粒物进行感应并检测，其内部安装了光电传感器和发光二极管，被测环境中微小颗粒浓度越大，发生漫反射的光越多，到达晶体管的光通量也就越弱。夏普GP2Y1010AU0F能够探测到空气中尘埃反射光，即使非常细小的如烟草烟雾颗粒也能够被检测到，该传感器具有非常低的电流消耗（最大20m A，典型值11m A），可使用高达7VDC，该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓成正比。在器件上有个LED作为发光元件，浓度值改变后传输到晶体管上的电压值也会相应改变。如图8所示，GP2Y1010AU0F外部有6根引脚，3脚和5脚直接与单片机的P15口和P10口相连，6脚为GP2Y1010AU0F的电源正极，
17、4脚为GP2Y1010AU0F的电源负极。电源经过一个150欧姆的电阻后给GP2Y1010AU0F内部的LED进行供电，为了滤波，在给内部LED供电的同时并联一个电容到地，过滤掉电源中的纹波，保证测量精度。图8 PM2.5传感器电路图3.6 温湿度检测模块DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它能够利用其内部自带的数字采集模块电路来进行温湿度采集，DHT11能够同时检测并输出温度和湿度，这是因为其内部传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。每个DHT11传感器在出厂前都会在精度很高的环境中进行校准实验，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，这些系
18、数在单片机进行读取温湿度信号的时候会调用得到。而且最主要的是，DHT11体积小，只要一个钢笔头大小，因而能在很多的场合使用。产品为4针单排引脚封装，很容易与其他模块进行连接，同时，DHT11还有很多的封装，可以在不同的环境中使用。DHT11与CPU的数据传输是采用单总线的方式，对其控制的时序有很严格的要求，在写程序的时候数据的采集必须间隔1s以上，否则采集将会失败。下图为DHT11实物图：图9 DHT11实物图根据其技术手册，可以列出如下的引脚功能表：表2 引脚功能表Pin名称注释供电3-5.5VDCDATA串行数据，单总线NC空脚，请悬空GND接地，电源负极因此，根据引脚表设计的DHT11的
19、硬件设计图如图10所示，2脚为数据端，直接连接到单片机的P11号引脚。图10 DHT11硬件设计图3.7 风速检测模块风速难以直接测量，因此在本次设计中采用间接的方式进行风速测量，即制作一个轻质的风车，在风车的其中一片叶片上粘一个小的磁铁，当风吹过时，叶片跟随转动，此时叶片上的磁铁也会随之转动。因此，只要测量出叶片上的磁铁转动的速度，即可模拟测出此时的风速情况。叶片的转速测量可以考虑使用霍尔传感器进行测量。由硬件设计原理可知，由于在一个风扇叶片上粘了一个小的磁片，当叶片转动时，霍尔传感器能够检测到磁场的变化，从而输出脉冲信号。霍尔传感器在检测到转动信号后从端口输出脉冲，单片机根据该脉冲信号处理
20、而计算出叶片的转动速度，从而在软件内部直接将转速转换为风速，并控制显示在单片机上。在本次设计中，不采用分离元件的霍尔传感器进行测量，而是采用霍尔传感器模块来进行测量。采用模块测量得出的结果也更为精准，下图为霍尔传感器的实物图，需要说明的是，最右边类似三极管的黑色物体即为分离元件的霍尔传感器。图11 霍尔传感器实物图由以上的实物图可以看出，模块除了两个电源引脚之外，还有一个脚为数据引脚，将其直接连接到单片机的IO口，电路如下图所示：图12 霍尔传感器电路图4. 程序设计软件的设计也是本次设计的一个大重点，软件的主题架构为C语言架构，C语言由于其识读率高，易于查错，因此是单片机设计的最常见的语言。
21、采用头文件的形式对其进行编程，由于单片机的头文件keil中没有配置，需要自己从STC单片机的官网进行下载。由于本次设计的程序内容较小，不需要在特定的软件编辑器中编辑，直接在keil中进行编辑即可。但是需要注意的是，在keil中可以选在51类型的单片机，然后在程序中加载60S2的头文件即可。4.1 主程序设计系统的正常作离不开软件和硬件的相结合，当硬件设计完成后，即可对软件进行设计。软件设计可以根据系统功能来定制，软件的主要架构可以分为：（1）主程序。主程序是程序的核心，所有的子程序的运行均有其统一控制，以执行各个头文件或子程序之间的协调工作。（2）子程序。一个完整的系统基本上不可能只有一个子程
22、序，必须要多个子程序结合调用，才能使程序发挥出最好的效果。各个模块的功能不尽相同，各个子程序的作用也不尽相同。在本次设计中，软件也可以分为测量模块、AD转换子程序和LED显示模块，因此子程序主要有测量子程序、显示子程序和定时器控制子程序等等。程序的开始首先要对各个器件进行初始化，即定义各个器件的工作方式工作字，例如需要对中断进行初始化，打开系统中断，控制是下降沿触发还是低电平触发。同理，主程序需要完成对各个元器件进行此类初始化操作。而同样，GP2Y1010AU0F需要程序对其初始化，定义工作字以及工作方式，再对其进行读一个字节和写一个字节，从而进行总线时序传输。值得注意的是，GP2Y1010A
23、U0F非常注重时序的结合，否则在实物焊接中测温会出现问题，比如不显示PM2.5或者显示错误等情况。综上所述，系统程序主程序不仅要完成初始化，还需要对各个器件的数据进行处理。GP2Y1010AU0F可以测量PM1.0与PM2.5，但是在本次设计中主要以显示PM2.5为主要功能，PM1.0的显示为预留。主程序的设计流程图如下：图13 主程序流程图4.2 显示程序设计由数码管的设计结构可知，欲在显示器上显示数字“7”，只需要点亮三个段选端口，因为是共阴数码管，因此需要该三段为低电平，则LED显示“7”的代码编号是0000 0111即十六进制的0x07H。同理，6代码即为0x7D，由于数码管设计的特殊
24、性，因此该种显示器能显示的字符有限，不能像LCD显示器一样显示多种字符。数码管的显示则可以分为动态显示和静态显示，静态显示只要发送特定的段码以及位码即可，而动态显示则是需要不断扫描不断发送才能在显示器上实时显示当前所测结果。具体的工作流程为：5V电源直接通过8050三极管的集电极，单片机则连接到三极管的基极，而发射机则分别连接数码管的各个位选端口。当单片机电平为高电平，三极管导通，电流从集电极转移到发射机，点亮数码管。单片机端口为低电平，则关闭数码管的显示。在此段中间需要加入点延时，否则显示器显示乱码。而对于LCD1602，可以按照下图进行编写程序代码，初始化后直接进入写指令程序，然后写数据，控制显示后光标自动加一，每个显示方式都按照这种步骤去显示即可控制整个系统的显示。图14 显示编程流程图4.3 PM2.5程序设计 PM2.5程序流程图如下所示：图15 PM2.5程序流程图4.3.1 初始化程序设计STC12C5A60AD2内部自带有AD转换，该型号的单片机AD转换口在单片机的P1口（P1.0-P1.7），有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。由于可提供八路的输
