基于单片机的空气质量(PM2.5)监测系统设计(#0423)

近年来国内外雾霾天气肆虐，人们也开始逐渐重视起对PM2.5的检测技术的相关研究。本文详细论述了国内外PM2.5空气质量检测的研究现状，在分析和总结研究现状的基础上，结合日常生产生活中对PM2.5空气质量检测的需求，人性化智能化地设计出了这套基于单片机的PM2.5空气质量检测系统。

功能描述

1、采用51单片机作为核心控制单元；

2、采用粉尘传感器（GP2Y1010AU0F）检测粉尘浓度；

3、通过ADC0832将模拟信号转化为数字信号，传送给单片机读取并处理；

4、采用LCD1602液晶进行数据显示；

5、当浓度超标时进行蜂鸣器+LED声光报警；

6、采用按键对浓度报警阈值进行设置；

按键说明

K1：设置键，进入阈值设置界面；

K2：加键，浓度报警值+1操作；

K3：减键，浓度报警值-1操作；

整体方案

根据设计好的相应系统方案和选定的器件，设计了包括主控制器电路、粉尘传感器电路、模数转换电路、液晶显示电路、按键电路、电源时钟电路、声光报警电路的系统框图。

电路设计

采用Altium Designer作为电路设计工具。Altium Designer通过把原理图设计、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。

单片机管脚说明：

P0端口（P0.0-P0.7）：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个引脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1端口（P1.0-P1.7）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2端口（P2.0-P2.7）：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口，用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3端口（P3.0-P3.7）：P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

VCC（40）：供电电压，其工作电压为5V。
GND（20）：接地。

RST(9)：复位输入。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个引脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P3.0-P3.7口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。

ALE/PROG (30)：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如果想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，则置位无效。

PSEN(29)：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

XTAL1(19)：来自反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2(18)：来自反向振荡器的输出。

EA/VPP(31)：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V的编程电源（VPP）。

仿真设计

采用Proteus7.5作为仿真设计工具。Proteus是一款著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

主程序设计

void main()
{
//  while(1);
    LCD1602_init();  //LCD初始化
    Init_EEPROM_dat();  //初始化数据 将保存到EEPROM中的数据读出
    beep=1;  //关蜂鸣器
    GotoXY(0,0);    //设置显示数据地址  列位，行 
    Print("PM2.5:     mg/m3");    //PM2.5空气质量指数
    GotoXY(0,1);    //设置显示数据地址  列位，行
    Print("Alarm:     mg/m3");
    covert_PM2_5(Alarm_DUST);  //PM2.5报警值转换显示
    LCD1602_Print(6,1,&PM_buf[0]);   //显示PM2.5报警值
    PM2_5_LED=0;  //关闭传感器LED
    InitTimer0();//初始化定时器  PM2_5采样定时
    while(1)
    {
        scan_key();  //按键扫描程序
        if(set_flag==0)
        {
            if(PM2_5_flag==1)
            {
                PM2_5_flag=0;
                DUST=median(ADC_Get,10);//冒泡排序，10次 求取中值
                DUST_Value=(DUST/256.0)*5000;   //转化成电压值mv 8位A/D
                DUST_Value=DUST_Value*0.172-0.0999;//固体悬浮颗粒浓度计算  (V-0.0356)*120000
                if(DUST_Value<0)  DUST_Value=0;
                if(DUST_Value>650)  DUST_Value=650;  //限位
                DUST=(uint)DUST_Value;
                TH0=0xDA;//定时9.68ms  12MHz
                TL0=0x30;
                ET0=1;
                TR0=1;
                time_count++;
                if(time_count>=10)   //每隔大约500ms，更新一次显示数据
                {
                    time_count=0;
                    if(DUST>Alarm_DUST)    //判断报警
                    {
                        alarm_flag=1;
                        beep=0;  //开蜂鸣器
                    }
                    else
                    {
                        alarm_flag=0;
                        beep_flag=0;
                        beep=1;  //关蜂鸣器
                    }
                    covert_PM2_5(DUST);  //PM2.5值转换显示
                    LCD1602_Print(6,0,&PM_buf[0]);   //显示PM2.5值
                }
            }
        }
    }
}

源文件获取

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