基于单片机的pm2.5值检测仪【毕业设计】.doc

1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的 pm2.5 值检测仪所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 绪论 .3第 1.1 节 课题背景 .3第 1.2 节 国内外 PM2.5 值现状及发展趋势 .3第 1.3 节 本课题主要工作 .4第 2 章 系统设计总体选择 .5第 2.1 节 总体设计选择方案 .5第 2.2 节 开发语言选择 .5第 2.3 节 传感器选择 .6第 2.4 节 MCU 选择 .7第 3 章 检测仪设计 .8第 3.1 节 硬件设计 .8第 3.2 节 软件设计

2、.11第 4 章 系统测试 .15第 4.1 节 测试条件 .15第 4.2 节 测试过程 .15第 4.3 节 测试数据 .16第 4.4 节 测试分析 .16结论 .17参考文献 .17致谢 .18附录 1：实物照片说明 .19附录 2：部分源程序 .20苏州大学本科生毕业设计（论文）- 1 -基于单片机的 pm2.5 值的检测仪【摘要】：本论文基于单片机的原理开发的 pm2.5 值检测仪。该仪器通过集合单片机的控制技术和传感技术相结合的一套设备。传感器接收 pm2.5 的浓度信息通过 AD 采样转换由单片机进行读取最后由 LCD 屏幕的实时数据体现形成的一套系统，使人们能简单清晰实时的了

3、解本地的 pm2.5 值的情况。【关键词】：单片机，pm2.5，传感器；Abstract : Deploying IP telephony or voice over IP (VoIP) is a major and challenging task for data network researchers and designers. This paper outlines guidelines and a step-by-step methodology on how VoIP can be deployed successfully. The methodology can be use

4、d to assess the support and readiness of an existing network. Prior to the purchase and deployment of VoIP equipment, the methodology predicts the number of VoIP calls that can be sustained by an existing network while satisfying QoS requirements of all network services and leaving adequate capacity

5、 for future growth. As a case study, we apply the methodology steps on a typical network of a small enterprise. We utilize both analysis and simulation to investigate throughput and delay bounds. Our analysis is based on queuing theory, and OPNET is used for simulation. Results obtained from analysi

6、s and simulation are in line and give a close match. In addition, the paper discusses many design and engineering issues. These issues include characteristics of VoIP traffic and QoS requirements, VoIP flow and call distribution, defining future growth capacity, and measurement and impact of backgro

7、und traffic. Key words:Network Design，Network Management，VoIP，Performance Evaluation， Analysis， Simulation，OPNET 苏州大学本科生毕业设计（论文）- 2 -前言随着今年中国国家经济的高速发展，环境问题也逐一暴露和产生。其中 pm2.5 的问题则是最近一段时间大规模爆发的。Pm2.5 也叫作细颗粒，细粒，等等。是指空气成分的，微粒物理直径小于等于 2.5 微米的颗粒。虽然 pm2.5 只是大气成分中非常少的一部分。但它相比于其他颗粒物质具有更小的半径，能轻易进入人体呼吸道及肺泡，而人体是

8、对其没有任何抵抗能力的，一但人体吸收了 pm2.5，这是不可逆的。Pm2.5 颗粒小，相对大小表面积比更大，活动性强，易沾毒性物质，而且在空气中存在时间长，不容易消除，因此对环境和人体健康影响更大，危害更大。Pm2.5 的化学成分主要包括有机碳（OC),元素碳（EC)，硫酸碳，硝酸碳，钠盐，铵盐等。颗粒物的成分很复杂，主要取决于其来源。主要有自然源和人为源两种，但危害较大的是后者，在学术界的分为一次气溶胶（Primary aerosol）和二次气溶胶（Secondary aerosol）两种。细颗粒物的标准，是由美国在 1997 年提出的，主要是为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧

9、标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。细颗粒物指数已经成为一个重要的测控空气污染程度的指数。到 2010 年底为止，除美国和欧盟一些国家将细颗粒物纳入国标并进行强制性限制外，世界上大部分国家都还未开展对细颗粒物的监测，大多通行对 PM10 进行监测。Pm2.5 的来源十分广泛，有自然来源，人为来源和大气化学反应形成的 2 次颗粒，其中人为来源更为广泛和严重，人为来源来自工厂，发电站，烧荒和汽车，如发电，冶金，石油，化学，和纺织等各种国内工业大家过程中排放的烟尘；自然来源来自土壤扬尘，火山爆发，钠盐等，如大规模的火山爆发和森林燃烧；大气中的气态签体污染物会通过大气反应生成二次颗粒物，如Pm2.5

10、 的问题非常的严重，不知不觉我们已经无可避免，所以说 pm2.5 的问题重视和推进不容缓慢，本论文也就此问题进行一些可提供的探讨和研究。本文的核心思想就是通过单片机控制技术和传感器技术相结合，以 AT89S52 单片机为核心控制系统，通过 GP2Y1010AUOP 夏普粉尘传感器对实时 pm2.5 的情况的采集、传输和读取。利用 LCD 显示技术实现数字化显示。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 3 -第 1 章 绪论第 1.1 节 课题背景随着近来的 pm2.5 的问题的愈加严重，而 pm2.5 则是一个刚兴起的环境问题研究，本人表着研究问题的心态去探究 pm2.5 的危害和如何检测 pm2.

11、5 的浓度。全球 210 万人死于 pm2.5 浓度的上升，伦敦也在 1952 年 12 月 5 日发生了全球瞩目的事件，即所谓的毒物事件，那场毒物造成了约 4000 人的死亡，2013 年 10 月 17 日，世界卫生组织下属的国际癌症研究机构也发布报告，首次认为大气污染对人类可致癌，并且视其为普遍和主要的环境致癌物质。所以这是一个可不容缓的问题研究，我们应该重视其发展和未来，为我们能解决和防止问题再次发生做积极的行动。而本文也会对 pm2.5 的检测做出一些贡献。第 1.2 节 国内外 PM2.5 值现状及发展趋势1.2.1. PM2.5 发展现状首先先是中国的情况，在中国的大部分，特别是

12、工业集中的地方，比如华北地区，pm2.5 占空气悬浮颗粒重量的大半。自从中国大规模爆发 pm2.5 问题后，2012 年 2 月，国务部发布的环境空气质量标准也增加了 pm2.5 的监测指标，它采用了世界卫生组织设定的最宽限值，pm2.5 年平均浓度和 24 小时平均浓度分别为 35 微克每立方米和 75微克每立方米。2012 年 3 月 5 日，国务院总理温家宝在政府工作报告中指出，中国绝对不靠牺牲环境和人民健康来换取发展和经济增长，也被称为“pm2.5 新政” 。空气质量等级 24 小时 pm2.5 平均标准值(ug/m3)优 0-50良 50-100轻度污染 100-150中度污染 15

13、0-200重度污染 200-300严重污染 大于 300表 1 pm2.5 值 24 小时平均值标准国外也十分注重 pm2.5 的问题，早在 20 世纪外国也爆发了一系列的 pm2.5 的问题，但随着国家政策大刀阔斧的改革，问题也逐渐好转。但在最近也有些问题。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 4 -项目 年均值 日均值准则值 35u/m3 75ug/m3表 2 世界卫生组织（WHO)2005 年空气质量准则1.2.2. PM2.5 发展趋势Pm2.5 是一个严重的环境问题，我国也准备拟定一系列法律法规来解决这些问题。环境保护部副部长吴晓青在 2012 年 3 月 2 日的国务院新闻发布会上的也

14、表态，环保部正在组织编制重点区域大气污染防治规划，从 2011 年2015 年，在改善城市空气质量的基础上，重点解决 pm2.5 的区域大气污染问题。区域大气污染防治规划出台后，大气污染治理的整体需求和方向会很明确，任务也会很明确了。国家也会在 2016 年拟定新的空气质量准则。项目 年均值 日均值准则值 10ug/m3 25ug/m3过度目标 1 35ug/m3 75ug/m3过度目标 2 25ug/m3 50ug/m3过度目标 3 15ug/m3 37.5ug/m3表 3 中国拟于 2016 年实施的空气质量准则我国也会学习外国的经验，外国在这一条治理 pm2.5 的路上走的更远，我们应该

15、学习。国外的一些经验和实践会让我国受益匪浅。国外也正在进行一系列的研究和探讨，期望找到更规范的定义和更准备的解决方案。第 1.3 节 本课题主要工作Pm2.5 的问题如此严重，而 pm2.5 值的测定却有很大的局限性，纵使国家也对 pm2.5十分重视，地方也会有各种各种的 pm2.5 的检测报告，我们在网上也能找到各种各样各地的 pm2.5 值的实时数据，但这就像天气预报一样有很大的局限性，就像北京面积这么大，而 pm2.5 测值的地方却也有局限性，更不用说，民众对国家某些数据的不信任。我也表示十分遗憾，所以我拟定一个课题。即可以便携测量 pm2.5 的仪器。在这里我会学以所用，通过我大学 4

16、 年来学习的各种技能和知识，来自己解决这个问题。也符合我校学以致用的校训。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 5 -第 2 章 系统设计总体选择第 2.1 节 总体设计选择方案本次课题的总体设计便是利用传感器检测 pm2.5 的实时数据，经过 a/d 转换，由芯片进行处理数据，再由 d/a 转换由显示器显示实时数据。再通过一系列的额外配置，及电源和开关的细节处理，总体设计出符合要求和功能基本完整的一套设计。图 2-1 总体设计方案第 2.2 节 开发语言选择2.2.1. 方案一：采用 java 开发环境Java 是一种可以跨平台的一种程序设计语言，具有卓越的通用性和简单安全性和高效率性，同时拥有

17、全球最大的开发者专业群和交流平台。但 java 还是拥有其明显的缺点，其一就是本专业没有接触过 java 重头开始学也比较时间和人力，而且运行速度慢，不能更接近操作系统，有时候比别的代码语言长。有明显的缺点。2.2.2. 方案二：采用 c+开发环境VC+它使用 C 语言编程，程序结构主要由分支语句、顺序语句和循环语句等构成。一个庞大的软件系统主要是由一个主程序和若干个子程序组成。而使用 C 语言编程，编译效率高，对于学过的人来说比较方便，但是当程序写到足够长时，结构不够清晰，不仅容易出错还不易检查除语法之外的错误原因。另外，人机界面的也设计需要相对来说较长的开发周期，后期维护也存在一定困难。相

18、比于其他的开发环境，有一定的优越性。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 6 -所以我选择了 c+作为上位机的软件选择。第 2.3 节 传感器选择2.3.1. 方案一：使用 KFC-A1/V1/R4 系列使用 KFC-A1/V1/R4 系列。能测量 0.5um/1um/2.5um 以上颗粒物，供电电压为DC24V（22V 到 26V） 。传感器稳定时间为接通电源约 1 分钟，不能相对的实时测量，价格相对较高，难入手。2.3.2. 方案二：使用夏普 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器使用夏普 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器。Sharps GP2Y1010AU0F 是一款光学空气质量传感器，设

19、计用来感应空气中的尘埃粒子，其内部对角安放着红外线发光二极管和光电晶体管，使得其能够探测到空气中尘埃反射光。该传感器具有非常低的电流消耗。该传感器输出为模拟电压，其值与粉尘浓度成正比。可测量 0.8 微米以上的微小例粒子。体积小，重量轻，便于安装。所以我选择夏普 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器。图 2-2 便是夏普 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器。图 2-3 是该款夏普粉尘传感器的原理图。灵敏度 0.5V/0.1mg/m3尺寸 46.0 30.0 17.6 mm)图 2-2 夏普 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器图 2-3 夏普 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器内部结构图苏

20、州大学本科生毕业设计（论文）- 7 -第 2.4 节 MCU 选择2.4.1. 方案一：采用 ARM 系统使用基于 ARM Cortex-M3 为内核的 EasyARM1138 单片机，它有八个通道的 10 位ADC，使用简单且功耗低，体积小，高性能。大量使用寄存器，执行指令速度更快，指令长度固定，寻址灵活，执行效率高等一系列优点。但其加个相对来说比较高，一个简单的功能虽然也能实现，但总有点大材小用。2.4.2. 方案二：FPGA,CPLD 等大规模可编程逻辑控制器件使用 FPGA,CPLD 等大规模可编程逻辑控制器件，其时钟频率高，运算速度快，但不合适该制作。无论成本还是其他操作控制上的问题

21、其都与单片机无明显竞争力，所以本方案不采用。2.4.3. 方案三：采用 52 单片机系统52 单片机是 51 单片机的升级强化版本。52 单片级它从内部的硬件到软件有一套完整的处理器，它的处理对相不是字、节而是位。其成本相对较低，而且操作简单，但速度慢，片内空间不足，资源少，难以实现复杂的操作，而本设计不需要复杂的程序来运行，而且考虑本设计所以要的成本，故我选择 52 单片机作为系统。苏州大学本科生毕业设计（论文）- 8 -第 3 章 检测仪设计第 3.1 节 硬件设计3.1.1. 总体规划该系统采用夏普 GP2Y1010AU0F 粉尘传感器进行测量，得出模拟信号，再进行放大，然后送入单片机进行 A/D 转换处理和数据的处理。再有 D/A 转换通过 LCD 显示。3.1.2. 主控制器电路主控电路是 51 单片机，其外围电路非常的简单，只需要加上电源和晶振电路就行了。图 3-1 引脚结构