1、 封 面 摘要 因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要由 PM2.5、 PM10、PM0.1 以及重金属镍砷铬铅等颗粒组成。有关雾霾的重大事件层出不穷，如 1952 年伦敦烟雾事件，伦敦杀人雾在四天内夺走了 4000 多条人命；还有 2013 年初北京肆虐横行的雾霾事件，轰动一时。因此，对 PM2.5 的测量显得越来越重要。本设计采用 AT89C52 单片机为控制中心，由 GP2Y1010AU0F 灰尘 传感器测量空气粉尘浓度， LCD1602 显示屏显示当前空气粉尘浓度 。当空气中粉尘浓
2、度达到所设定限度启动蜂鸣器自动报警，且能实时对应显示相应的 LED 灯 ， 直观提醒当前的污染级别。 该系统电路简单、工作稳定、集成度高，调试方便，测试精度高，具有一定的实用价值。 关键字： PM2.5、单片机、粉尘浓度、 GP2Y1010AU0F、自动检测 目录 第一章、概述 . 1 1.1、设计的主要内容和意义 . 1 1.1.1、设计的主要内容 . 1 1.1.2、设计的主要意义 . 1 第二章、主控制器及主要器件 . 2 2.1、 AT89S52 单片机 . 2 2.2、 A/D 转换芯片 ADC0832. 7 2.3、 1602LCD 液晶显示屏 . 8 2.4、夏普粉尘传感器 GP
3、2Y1010AU0F . 11 第三章、硬件电路设计 . 12 3.1、电路设计框图 . 12 3.2、系统概述 . 13 3.3、单片机最小系统 . 13 3.4、 粉尘传感器电路设计 . 17 3.5、 A/D 转换 . 18 3.6、 LCD 显示模块设计 . 19 3.7、按键电路 . 20 3.8、报警电路 . 21 3.9、污染级别提醒电路和程序下载电路 . 21 第四章、程序设计及软件应用 . 22 4.1、主程序设计 . 22 4.2、主要子函数的设计 . 23 4.3、 keil 的应用 . 27 4.4、 protel99se 的应用 . 28 4.5、 Proteus 的
4、应用 . 30 第五章、设计的应用及相关实验 . 31 5.1、 PM2.5 简介 . 31 5.1、 PM2.5 的主要来源 . 32 5.2、 PM2.5 的现状及常用数据 . 33 5.2、设计主要用途及应用的场景 . 35 5.2.1、主要用途 . 35 5.2.2、应用场景 . 35 5.3、应用设计进行 的相关实验及结论分析 . 36 5.3.1、实验一 :东湖公园检测测 . 36 5.3.2、实验二：路口检测 . 36 5.3.3、实验三： 常见生活场景检测 . 36 5.3.4、检测分析 . 37 5.3.5、应对方法 . 37 第六章、总结 . 38 致谢 . 38 参考文献
5、 . 39 附录 . 40 附录 1. 原件清单 . 40 附录 2. 原理图 . 41 附录 3 程序源代码 . 42 1 第一章 、 概述 1.1、 设计的主要内容和意义 1.1.1、 设计的主要内容 本 设计 提出的 “ PM2.5 监测” 的方案 最基本的 实现 方法是 由单片机、粉尘监测传感器、显示模块、报警器等 模块 组成的 电路 ， GP2Y1010AU0F 粉尘传感器采集空气中 PM2.5 的浓度值，经过 AT89C52 单片机处理后，在 LCD1602 液晶上显示，并且设置一 个报警值，检测的 PM2.5 浓度值超过报警值后，蜂鸣器报警，报警值可以用按键手动调节。 另外，该设
6、计在实时检测浓度的同时，根据当前检测浓度亮起相应的灯，浓度范围分别为： 检测的 PM2.5 的浓度值在 0-0.1，绿灯亮，表示环境良好； 检测的 PM2.5 的浓度值在 0.1-0.3，黄灯亮，表示轻度污染； 检测的 PM2.5 的浓度值在 0.3 以上，红灯亮，表示重度污染； 1.1.2、 设计的主要意义 21 世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备不同于以前，它们在性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。 因为空气质量的恶化，阴霾天气现象出现增多，危害现
7、象加重。中国不少地区把阴霾天气现象并入雾一起作为灾害性天气预警预报。统称为“雾霾天气”。雾霾主要由 PM2.5、 PM10、 PM0.1 以及 重金属镍砷铬铅等颗粒组成。在空气动力学和环境气象学中，颗粒物是按直径大小来分类的，粒径小于 100 微米的称为TSP(TotalSuspendedParticle)，即总悬浮物颗粒；粒径小于 10 微米的称为 PM10(PM为 ParticulateMatter 缩写 )，即可吸入颗粒物；粒径小于 2.5 微米的称为 PM2.5，即可入肺颗粒物，它的直径仅相当于人的头发丝粗细的 1/20。虽然 PM2.5 只是地球大气2 成分中含量很少的组分，但它与较
8、粗的大气颗粒物相比，粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远， 因而对人体健康和大气环境质量影响更大。 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。高污染城市中的死亡率超出相对清洁城市的 15%至 20%。据统计，在欧洲， PM2.5 每年导致 386000 人死亡，并使欧盟国家人均期望寿命减少 8.6 个月。人体的生理结构决定了对 PM2.5 没有任何过滤、阻拦能力，而 PM2.5 对人类健康的危害却随着医学技术的进步，逐步暴露出其恐怖的一面。气象专家和医学专家认为，由细颗粒物造成的灰霾天气对人体健康
9、的危害甚至要比沙尘暴更大。 粒径 10 微米以上的颗粒物，会被挡在人的鼻子外面；粒径在 2.5 微米至 10 微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在 2.5微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发的 1/10 大小，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、哮喘、慢性支气管炎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。其中，老人、小孩以及心肺疾病患者是 PM2.5 污染的敏感人群。 因此，对 PM2.5 的监测与治理便显得越来越重要
10、。 第二章 、 主控制器及主要器件 2.1、 AT89S52 单片机 AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k BytesISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 3 AT89S52 具有以下标准 功能 :8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I
11、/O 口线 ，看门狗定时器 ， 2 个数据指针 ， 三个 16 位定时器 /计数器 ， 一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口 ， 片内晶振及时钟电路 。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 内部数据存储器的高 128 个单元是为专用寄存器提供的，因此该区也称作特殊功能寄存器（ SFR），它们主要用于存放控制命令、状态或数据。除去程序计数器 PC 外，还
12、有 21 个特殊功能寄存器，其地址空间为 80H FFH。这 21 个寄存器中有 11 个特殊功能寄存器具有位寻址能力，它们的字节地址刚好能被 8 整除。 AT89S52 是 一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如图 2.1 所示。 图 2.1 AT89S52 结构框图 4 AT89S52 引脚功能与封装 ： 图 2.2 AT89S52 引脚图 按照功能， AT89S52 的引脚可分为主电源、 外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O 口、控制和复位等。 多功能 I/O 口 ： AT89S52 共有四个 8 位的并行 I/O 口： P0、 P1、 P
13、2、 P3 端口，对应的引脚分别是 P0.0 P0.7， P1.0 P1.7， P2.0 P2.7， P3.0 P3.7，共 32 根 I/O 线。每根线可以单独用作输入或输出。 P0 端口，该口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。在作为输出口时，每根引脚可以带动 8 个 TTL 输入负载。当把 “1”写入 P0 时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时， P0 可用作多路复用的 低字节地址 /数据总线，在该模式， P0 口拥有内部上拉电阻。在对 Flash 存储器进行编程时， P0 用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。 P1 端口
14、，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口， P1 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4 个 TTL 输入。对端口写 “1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。 P1 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对 Flash 编程和程序校验时，P1 口接收低 8 位地址。 另外， P1.0 与 P1.1 可以配置成定时 /计数器 2 的外部计数输入端（ P1.0/T2）与定时 /5 计数器 2 的触发输入端（ P1.0/T2EX），如表 2.3 所示。 表 2.3 P1 口管脚复用功能 端口引脚 复用功能 P1.
15、0 T2（定时器 /计算器 2 的外部输入端） P1.1 T2EX（定时器 /计算器 2 的外部触发端和双向控制） P1.5 MOSI（用于在线编程） P1.6 MISO（用于在线编程） P1.7 SCK（用于在线编程） P2 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口， P2 口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式 ） 4 个 TTL 输入。对端口写 “1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。 P2 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 在访问外部程序存储器或 16 位的外部数据存储器时， P2 口送出高 8
16、位地址，在访问 8 位地址的外部数据存储器时， P2 口引脚上的内容（就是专用寄存器（ SFR）区中 P2 寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对 Flash 编程和程序校验期间，P2 口也接收高位地址或一些控制信号。 P3 端口，该口是带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口， P3 口的输 出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式） 4 个 TTL 输入。对端口写 “1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。 P3 口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。 在 AT89S52 中，同样 P3 口还用于一些复用功能，如表 2.4
17、 所列。在对 Flash 编程和程序校验期间， P3 口还接收一些控制信号。 表 2.4 P3 端口引脚与复用功能表 端口引脚 复用功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） 6 P3.2 INT0（外部中断 0） P3.3 INT1（外部中断 1） P3.4 T0（定时器 0 的外部输入） P3.5 T1（定时器 1 的外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） RST： 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（ Watchdog）溢出后，该引脚会保持 98 个振荡周
18、期的高电平。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO 位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。 ALE/PROG： 地址锁存允许 信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对 Flash 存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲 PROG。一般情况下， ALE 是振荡器频率的 6 分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个 ALE 脉冲。在需要时，可以把地址 8EH 中的SFR 寄存器的 0 位置为 “1”，从而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令执行时 ALE
19、 才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对 ALE 屏蔽位置 “1”并不起作用。 PSEN： 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当 AT89S52 在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期 PSEN 被激活 2 次。在对外部数据存储器的每次存取中， PSEN 的 2 次激活会被跳过。 EA/Vpp： 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为 0000H FFFFH 的外部程序存储器中读取代码，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。但是，如果锁定位 1 被编程，则 EA 在复位时被锁存。当执行内部程序时， EA 应接到 Vcc。在对 Flash 存储器编程时，这条引脚接收 12V 编程电压 Vpp。 XTAL1： 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。 XTAL2： 振荡器的反相放大器输出。
