1、毕业设计（论文） I 基于单片机 PM2.5 智能监测系统 诚信申明 本 人 申 明： 我所呈交的本科毕业设计（论文）是 本 人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学 北方学院 或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人承担一切相关责任。 毕业设计（论文） II 摘 要 近些年 随着雾霾天气的肆虐，我们有理由且必要的做一些措施来
2、注意我们身边空气中的 PM2.5。 人的一生中有三分之二的时间 都 是在室内度过的 ， 所以对室内的 PM2.5做实时监测和数据分析尤为必要。 然而现有的 PM2.5检测产品功能较单一，只能用来检测，无法应对空气 PM2.5的恶化情况。 正 是基于 上述情况 ，应用所学的知识，制作一个经济，简单，实用的智能化 PM2.5监测系统 是 十分 有现实意义的 。 本课题针对 PM2.5 监 测 进行 了 研究， 设计 出一套 以 ST 公司的 STC89C52 单片机为核心的 PM2.5 智能监测系统 ， 该系统主要包括中央处理器、信息采集、控制调节、数据显示 、报警 等几部分 ，设计 中 实时监测
3、与智能控制 相 结合， 实现 了 对室内 PM2.5实时采集处理、显示、报警、自动控制调节等 多种 功能 。不仅能让人们非常清楚室内的污染情况，还可以 自动控制调节 空气 ， 为人类营造 一个安全、方便、舒适的 室内生存空间。 对系统 的硬件组成及工作原理 进行了 研究 ，同时 设计 了软件流程图，利用结构化的分析与设计方法，设计工作采用软件工程的思想，各个模块耦合度低，模块内聚性高，该 系统具有集成度和系统稳定性高、设计周期短、可扩展性强的特点 ，具有一定的实用价值 。 关键词 ： PM2.5 单片机 自动 控制 报警 毕业设计（论文） III MCU-Based PM2.5 Intelli
4、gent Monitoring System Abstract In recent years as the fog weather, we have reason to and necessary to do some measures to pay attention to PM2.5 in the air around us. Two-thirds of the time in ones life is spent indoors, so the indoor PM2.5 do real-time monitoring and data analysis is necessary. PM
5、2.5 testing existing product function is relatively single, however, can only be used to detect, unable to cope with the deterioration of air PM2.5. It is based on the above situation, application of learned knowledge, making an economic, simple, practical intelligent PM2.5 monitoring system is very
6、 practical significance. This topic to PM2.5 monitoring are studied, design a set of ST company STC89C52 single-chip microcomputer as the core of PM2.5 intelligent monitoring system, this system mainly includes the central processor, information collection, control, data display, alarm and so on sev
7、eral parts, combining the design of the real-time monitoring and intelligent control, to realize the real-time acquisition of indoor PM2.5 processing, display, alarm, automatic control and other functions. Not only can make people very clear indoor pollution situation, also can adjust the air automa
8、tic control, for mankind to build a safe, convenient and comfortable interior living space. On the system hardware composition and working principle are studied, and design the software flow diagram, using structured analysis and design methods, design work by adopting the idea of software engineeri
9、ng, the low module coupling, module cohesion is high, the system has high integration and system stability, short design cycle, the characteristics of strong extensibility, has a certain practical value. Keywords:PM2.5singlechipautomatic control alarm 毕业设计（论文） IV 目 录 前 言 . 1 第 1 章 课题研究背景与价值 . 2 第 1.
10、1 节 选题的意义与价值 . 2 第 1.2 节 研究综述 . 3 第 1.3 节 课题的研究意义与目的 . 5 第 1.4 节 研究范围与内容 . 7 第 1.5 节 研究视角与方法 . 7 第 2 章 PM2.5 检测研究的概况 . 9 第 2.1 节 PM2.5 监测系统的基本概念 . 9 第 2.2 节 PM2.5 监测系统的特征 . 9 第 2.3 节 PM2.5 的基本概况 . 10 第 3 章硬件选择与设计 . 12 第 3.1 节 系统原理概况 . 12 第 3.2 节 硬件电路设计 . 13 第 4 章系统软件 . 25 第 4.1 节整体设计思路 . 25 第 4.2 节
11、主要模块设计 . 26 第 5 章 组装调试 . 28 第 5.1 节 调试分析 . 28 第 5.2 节 不足与改进 . 28 毕业设计（论文） V 结 论 . 30 参考文献 . 32 毕业设计（论文） 1 前 言 随着我国经济的发展， 人们生活水平不断 改善和 提高， 环境问题和健康问题受到日益重视。近些年 越来越多的 人 开始关注居住生活环境的 空气 质量安全问题 ，尤其是 室内的 PM2.5污染问题 ， 所以对室内 的 PM2.5做实时 检 测和 智能调节 显得 非常重要 。 目前，虽然市面上的 PM2.5检 测仪器 已经有很多种， 检 测速度较快，但是绝大部分产品 功能单一，只能用
12、来检 测，不具备 智能调 控 的能力。 仅仅靠单纯的检 测不能实施 经济可行的空气质量调节措施， 若 在 检 测的基础上实现 智能 控制，使 检 测 智能化， 这样才能 尽快为人们创造良好的室内环境。 因此， 设计开发一套智能化监测系统是有现实意义的 。 正是基于上述情况出发，本 设计 将检测器与空气净化器结合，即通过估算 当前 空气 中 污染物 浓度，指示空气净化器的开关，实现自动控制调节。 主要 工作 原理是 通过传感器 采集室内 的环境信息， 送入到单片机通过分析处理 得 出相应的 结果， 并 输出到显示电路， 这样 LCD显示屏能 即时 显示 检测到的各室内环境参数，使人们能及时了解室
13、内环境 的 具体情况。并在 PM2.5浓度超过预先设置的上限 时 ， 指示 报警电路 发出 报警信号 ， 及时的通知人们 并自动控制打开空气净化器来改善室内空气 ， 为人类营造 一个安全、方便、舒适的 室内生存空间。 毕业设计（论文） 2 第 1 章 课题研究背景与价值 第 1.1 节 选题的意义与价值 1.1.1 理论意义与价值 基于单片机 PM2.5智能监测系统 将检测器与空气净化器结合，即通过估算当前 空气污染物浓度，指示空气净化器的开关，实现自动控制调节。环境检测设备和净化器、智能手机等家电和智能化产品结合，采用智能化检测设备，通过物联网，可以把数据传 到电脑或手机上，方便人们的控制。
14、如果做个形象比喻，那就是“给电器 装上眼睛 和鼻子 ”，这是未来发展的新趋势。 顺应未来智能化检测的趋势， 设计 出应用 传感器周期性从外部采集数据 ，通过 LCD 屏幕即时显示， 实时检测空气中 PM2.5的浓度 。 如果 PM2.5浓度超过 预先设置的上限 ，蜂鸣器报警， 并 自动 控制 打开空气净化器来改善室内空气。另外，还可以检测室内 温度， 切换显示时间日期 。 在实时监测的基础之上， 还要进行 PM2.5高浓度 预警和自动控制 调节 。 若能实现 实时检测与自动控制 这两者的结合 ， 会使 这个室内应用系统 更加人性化。 这 个 方案 的 解决 也 是实现 PM2.5智能检测的关键
15、 ， 因此 这个设计非常有 研究价值。 1.1.2 实践意义与价值 世界卫生组织发布的报告显示，无论是发达国家还是发展中国家，目前大多数城市和农村人口均遭受到颗粒物对健康的影响。那些 直 径在 2.5 微米以下的 细颗粒物 ， 还不到 成 人 头发丝粗细的 1/20，不易被阻挡，被吸入人体后会直接进入支气管，刺激呼吸道 ，干扰肺部的气体交换，从而引发咳嗽、呼吸困难等呼吸系统的疾病并导致心律不齐、非致命性心脏病等心血管方面的疾病。 所以 ，对 PM2.5 的监测 显得越来越重要。 今年 4 月 22 日清华大学在北京发布了 首个室内 PM2.5(细颗粒物 )污染公益调研报告。结果显示，相对于室外
16、 PM2.5 污染，室内 PM2.5 污染对人的影响更显著， 人均室内 PM2.5 暴露量和潜在剂量为室外的 4 倍。 “这主要是因为人们一天中有大约 20 小时是在室内，只有 4 小时在室外 。” 研究组负责人、清华大学电子工程系研究员张林（ 1968 ） 表示 ， 每天摄入人体内的 80%的 PM2.5来自于室内。 此次调研 历时 两个半月 ，有 407 名志愿者参与，调研组共获得累毕业设计（论文） 3 计总时长约 11 万小时的室内 PM2.5 数据，其中包括 7703 个地理位置点，覆盖北京市 13 个区县。 对于室内 PM2.5 浓度，由于房屋面积有限，无法进行直观的能见度判断。再加
17、上室内环境差异性较大，专业 PM2.5 检测设备庞大昂贵，难以进行普遍实时的监测，这使得人们一直缺乏对于室内 PM2.5 污染程度全面系统的认识和研究 1 。 现代人 70% 90%的时间处于室内，室内空气质量直接影响人体健康。对付室内的 PM2.5，开窗通风本是最有效的办法，但也要依据室外空气状况而定，像目前我国的室外空气质量，就不适宜长期开窗 通风 。 基于单片机 PM2.5 智能监测系统 的 设计使 实时监测与智 能控制相结 合，不仅能让人们非常清楚室内的污染情况，还可以 实现自动控制调节， 为人类营造一个安全、方便、舒适的 室内生存空间。 智能监测系统 不仅能为人们的生活带来便利，更符
18、合可持续发展理念，无论是经济学角度还是社会学角度来看， 这样做都 有着重要的现实意义和经济价值。 第 1.2 节 研究综述 1.2.1 国内 PM2.5 检测的发展和应用 2013年 1月 ,雾霾天气侵袭 了 大半个中国 ， “ 雾霾 ” 就 成为 了 年度关键词 ，而且 连续 两 年成为两会热 议话题 。 今年 2 月 28 日，在柴静雾霾 深度 调查纪录片穹顶之下中，国家环境保护部提供的数据显示， 2014 年北京污染天数为 175天，天津 197 天，成都 125 天，沈阳 152 天，兰州 112 天，石家庄高达 264 天！相关数据表明，如今在中国每年因为大气污染过早死亡的人数有 5
19、0 万人！纪录片一出随即引起全民热论，使“雾霾”问题再度回到公众视野，环境保护的话题迅速升温。 在 今年“两会”上，雾霾治理 又 成为提及频度最高的热点之一。代表委员们认为，政府应 该 进一步加强防治力度，更加注重运用市场和法治手段，促进企业更好地履行社会责任，全社会“同呼吸、共奋斗”，形成合力，以切实的成效保护和改善生态环境、造福全体人民。 其实早在 2007年，中国工程院、环保部联手开展的战略研究 就 对引入 PM2.5标准给予高度关注，将 PM2.5 纳入宏观战略目标。 2008 年环境保护部启动环境空气质量标准修订程序，将 PM2.5 纳入环境空气标准和空气污染治理系统之中。在 201
20、1 年的第七次全国环保大会上， 公布了全国 PM2.5 检测时间表， 2012 年，毕业设计（论文） 4 在京津冀、长三角、珠三角等重点区域及直辖市和省会城市开展 PM2.5 监测，2013 年，在 113 个环境保护重点城市和保护模 范城市开展监测， 2015 年，在所有地级以上城市开展监测， 2016 年 也就是明年 在全国实施。 在国内， PM2.5 检测仪器已不鲜见。例如， 去年 4 月初正式上市 的 汉王蓝天科技首款 PM2.5 检测仪 M1（如图 1.1） ， 和手机大小相似、可随身携带， 其原理 采用激光测试法， 即 采用了散射粒子加速度测量法，可以精确获得粒子质量、运动速度、反
21、光强度等信息，并对空气中的颗粒物粒径大小进 行统计和分析，从而 能 较准确地测量空气中的粒子浓度。 目前 ，网上关于家用 PM2.5 检测仪 的 叫卖 也 非常火热。如果在淘宝网上输入关键词“ PM2.5 检测仪”，就能跳出 近 4000 件检测仪 ，价格从上百元到数万元不等，销量好的产品订单月售量已经超过 200 单。 PM2.5 检测仪能及时评判空气质量，促进人们改善空气质量，推动人们寻找空气安全之道，从而提高全社会的健康指数。 因此 ， PM2.5 检测仪器在家居 领 域 有非常广泛的使用前景。 图 1.1 汉王霾表 M1 1.2.2 国外 PM2.5 检测 的发展和应用 在美国， 由
22、于 工业排放、 机动车 尾气等 曾 导致发生了非常 严重的大气污染。到 二十 世纪中期，洛杉矶一带大气臭氧浓度很高，光化学烟雾问题突出，在 1952年和 1955 年 就发生了两次短短数日内上 百位老人死亡的惨剧。美国 立即 采取 了区域环境管理框架，打破州的界限， 开始 进行统一管理。环保机构有权进行立法、 执法、处罚，并通过强制执行手段和监控、技术改进等相结合的方式协调开展工作。清洁空气法案修正案 在 1990 年 正式 获得 通过， 到 1997 年 ， 美国环保署设立 了 专门针对大气 PM2.5 浓度 的标准，以便更好 地 检测过去 那些 被忽略的 细小颗粒物。当污染较为严重时，美国
23、官方网站 还 会要求民众 尽量 控制外出 活动的强度和时间，以此来减 少 PM2.5 对 人们 身体 的 伤 害。此外，媒体还毕业设计（论文） 5 建议 人们 不要在繁忙的 道路 附近锻炼 ，不要在室内 吸 烟，减少使用蜡烛、烧 火炉子， 以此 来 控制室内污染。 2005 年，欧盟 出台了 关于限制 PM10 的法令 ； 到2010 年，对 PM2.5 的监控标准生效。目前，欧盟的空气质量标准包含对 PM2.5年均浓度 和 PM10 年均浓度 和 日均浓度 的要求，是世界上对 PM10 监控标准最严格的地区之一。 去年 由加拿大研究人员研发 出 了 一项 便携式 PM2.5 在线实时测量技术
24、， 该系统 首先 使 用一个 PM2.5 采样器 把 PM2.5 从总的大气颗粒中分离提取出来，通过颗粒计数系统监测这些颗粒，然后利用基于悬浮颗粒物的基本原理 ,计算出测量地点的 PM2.5 数值 ,并即时显示 出 PM2.5 测量结果。这种便携式 PM2.5 在线检测仪器可以应用在几乎任何空气检测的场所， 也可以进一步研发出用于科研用的高精度的测量仪器。 第 1.3 节 课题的 研究意义 与目的 1.3.1 理论意义 随着微电子技术的发展，传感 器的使用数量越来越大，性能和种类也得到不断的提高和丰富，传感器 已经趋于标准化、模块化，这使得基于微电子芯片控制的室内环境实时监测系统成为可能。 现
25、在 PM2.5 相关的 检 测仪器 已经有很多种 ，绝大部分产 品只能用来检 测，对检 测到的数据不能采取任何应对措施 ， 只是进行 单纯的检 测 而 不能提供经济可行的空气质量调节措施 是远远不够的 。 针对上述情况，设计出一套相对来说更加智能化的监测系统， 使检 测 变得 智能化， 让它具备最基本的解决实际问题的能力， 这样 才能 使检测更有意义 ，为人们创造更好的室内环境。 本设计 具体研究内容为： （ 1） 研究基于 STC89C52系列单片机的 PM2.5智能监测系统 的基本功能，设计系统的总体方案； （ 2） 结合课题实现完成的实际功能设计合适的算法和 软硬件 整体 设计 ； （ 3） 以 STC89C52芯片为核心搭建系统硬件架构，实现对系统的控制及信号的处理； （ 4）自动实时检测和 A/D数模转换功能的设计与实现； （ 5） 在软硬件平台上研究系统各部分所实现的功能，用 C语言完成算法以
