论文总字数：21743字

目 录

1、引言 1

1.1、设计的主要意义 1

1.2、国内外空气质量状况 1

1.3、设计的主要内容 1

2、硬件电路设计 2

2.1、电路设计概述 2

2.2、单片机最小系统 3

2.3、粉尘传感器电路设计 6

2.4、A/D转换芯片ADC0832 8

2.5、LCD显示模块设计 8

2.6、蓝牙电路 10

2.7、DHT11传感器电路设计 11

3、软件应用及程序设计 12

3.1、软件应用 12

3.1.1、Keil的应用 12

3.1.2、protel99se的应用 12

3.1.3、Proteus的应用 12

3.2、主程序设计 13

3.2.1、程序流程图 13

3.2.2、主程序 13

3.3、子函数设计 15

4、设计应用及相关实验 16

4.1、主要用途及应用场景 16

4.1.1、主要用途 16

4.1.2、应用场景 17

4.2、相关实验及监测分析 17

4.2.1、实验一:宿舍 17

4.2.2、实验二：教室 17

4.2.3、实验三：常见生活场景 18

4.2.4、监测分析 18

4.2.5、PM2.5的应对办法 18

5、总结 19

参考文献 20

致谢 21

附录 24

附录1.元件清单 24

附录2.实物图 27

附录3.程序源代码 27

基于单片机的空气质量监测仪

刘力铭

，China

Abstract：In recent years,haze weather becomes more and more and the dangers of this kind of phenomenon also become bigger because of the deterioration of air quality.A lot of places of China have put the fog weather as a severe weather warning forecast.This design adopts the STC89C52 single-chip microcomputer as the control core,measuring PM2.5 concentrations in the air by GP2Y1010AU0F dust sensor,and then use the DHT11 temperature and humidity sensor to measure temperature and humidity in the air.Finally,the value is displayed on the LCD1602 screen.At the same time,the bluetooth transmission module is also included in this design,which can transmit data to APP via bluetooth in real time for real-time monitoring.

Key words：bluetooth;Single chip microcomputer;PM2.5

1、引言

1.1、设计的主要意义

最近几年，因为空气质量的恶化，雾霾天气逐渐变得多了起来，而这种现象的危害也越来越大，中国已经有很多地方把雾霾天气列为灾害性天气预警预报。雾霾主要是由PM0.1、PM1.0和PM2.5等细小粒子所组成，当颗粒物的直径小于2.5微米时，就被称为PM2.5，而PM2.5对人体的伤害非常大，因此尤其需要对PM2.5的浓度进行监测。

根据世界卫生组织发布的数据可知，不管是否是发达国家，现在都正在被PM2.5所影响着，在重度污染的城市内，人口的死亡率高出相对比较干净的城市百分之15到百分之20。医学专家指出，根据人体的生理结构特征，决定了人体不能对PM2.5有什么免疫的手段，PM2.5在被人体吸进体内以后便会进入支气管，刺激呼吸道，从而影响肺部气体的交互，引起哮喘、咳嗽、呼吸困难等呼吸系统方面的疾病，严重的话，则可能会诱发心血管方面的疾病。虽然医学技术在不断的进步，但是PM2.5对人类健康的危害也同时慢慢变得严重了起来，我们必须要给予重视。

1.2、国内外空气质量状况

我们先来看一看我国的环境状况，我国的大部分地区PM2.5浓度都偏高，尤其是工业集中的城市，譬如华北地区，PM2.5的浓度很高。自从我国开始出现大范围的PM2.5的问题后，2012年2月，在国务部发布了的《环境空气质量标准》之中，也新增了有关PM2.5的检测标准，在这里面规定了PM2.5的日平均浓度值应在75μg/m³左右，PM2.5的年平均浓度值应在35μg/m³左右。于2012年3月5日的政府工作汇报中，国务院温家宝总理表明了自己的态度“中国绝不靠牺牲人民健康和环境来换取经济增长和发展”，此即为我国的“PM2.5新政”。

国外也十分注重PM2.5带来的危害，就在1997的时候，美国颁布出台PM2.5标准，空气中PM2.5的浓度不允许大于65μg/m³·d。到了2006年的时候，美国政府又把PM2.5的浓度标准从65μg降低到了35μg，因为需要对空气环境进行进一步的优化。而就在前一年，世界卫生组织发布的《空气质量准则》，又对可以被人体吸入的PM2.5的浓度限值作出了进一步严格的规定，将PM2.5的年平均浓度值确定为10μg/m³，把日平均浓度值确定为25μg/m³。当下，法国、德国、英国，和美洲的大部分国家，都开始陆续将PM2.5列为了国家标准污染物，同时开始进行硬性的限制。

1.3、设计的主要内容

此设计所采用的最简单的方案是利用STC89C52单片机、夏普粉尘传感器、蓝牙、LCD液晶显示屏等模块，连接并实现所需要的功能。利用粉尘传感器收集空气中PM2.5的浓度值，DHT11传感器采集空气中的温湿度，经过STC89C52单片机处理后，在LCD1602液晶显示屏上显示，并且通过蓝牙模块传输到手机APP，实时监测空气质量。

2、硬件电路设计

2.1、电路设计概述

设计的电路是将STC89C52单片机作为主要控制，利用5个模块相互合作，完成此次设计所需要实现的功能，5个模块为：粉尘传感器、液晶显示屏、温湿度采集模块、蓝牙模块、A/D转换模块。

系统原理框图如图2-1所示：

图2-1 系统原理图

STC89C52采取了高密度、非易失性存储的工艺制造，低能耗但是高性能，单片机内部具备可重复擦写的Flash只读程序存储器，与此同时，它还兼容了标准的MCS-51指令系统及80C51引脚构造，正因如此，所以STC89C52单片机可以为用户在进行应用设计的时候提供多种高性价比的解决方案。

STC89C52单片机具备以下功能:三个16位定时器/计数器，8k字节Flash，32位I/O口线等。内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器所用，其基本功能就是用来存放控制命令、状态或数据。在程序计数器PC以外，单片机还具备了21个特殊功能寄存器，它们的地址空间为80H～FFH，其中有11个特殊功能寄存器是具备有位寻址的功能，其字节地址恰好能够被8给整除。此外，STC89C52单片机总共拥有2种模式来节约用电量，一种是空闲模式，在这个模式下，CPU不会继续运作，但是可以使得定时器/计数器、串口等会继续执行工作。处于掉电保护方式下，振荡器停止，保留RAM的内容，单片机处于不工作状态，直到接下来的一个硬件复位或者是中断才会结束。STC89C52是一个功能强大，高效且简单的微型计算机，它具有运用范围广和成本低等优点，可以用它来解决一般的复杂的控制问题。

2.2、单片机最小系统

单片机最小系统，即利用尽量少的器件，组成一个能够单独工作，并且又能够具有某项功能的电路。

单片机最小系统框图如图2-2所示：

图2-2 单片机最小系统

2.2.1、时钟电路:

我选择的是11.0592M的石英晶振，其中电容的数值可以对振荡的频率产生轻微的作用，因此能够用于对频率的微调。可以使用两种晶振器件，一种是石英晶振，另一种是陶瓷晶振，它们之间的具有一定的区别，石英晶振的电容可以在20~40pF之间取值，而陶瓷晶振则在30~50pF之间取值。如果想要看晶振是否已经起振，我们可以利用示波器来观测XTAL2输出的波形，如果是标准的正弦波，那么说明已经起振，当然，也可以通过万用表来检验，测量XTAL2和地之间的电压，如果是2V左右的电压，则说明起振。

时钟电路如图2-3所示：

图2-3 时钟电路图

2.2.2、复位电路:

复位电路在单片机系统里面是必须的，它可以在程序运行出错或者是死机的时候，对单片机完成复位的操作。想要使得51系列单片机复位，只需要给它提供高电平达到两个机器周期便可以实现，同时如果复位引脚一直是高电平的话，那么就会进行不断地执行。复位操作一般情况下有两种模式，一种是开关复位，另外一种是上电复位，前者用于电路运行过程中，而后一种则是在通电瞬间会执行一次。在通电的刹那，电容两侧的电压是不会有陡然变化的，这时，复位端和电容的负极相连接，电压基本处于电阻的两端，如果复位端的输入是高电平，那么单片机将会执行复位操作，在这之后，5V的电源重新为电容充电，同时电阻两端的电压值慢慢趋近于0,单片机又继续正常工作。与电容并联在一起的是复位按键，当单片机开始正常的工作之后，如果想要复位，只需要按下按钮，来使得复位端出现高电平，从而实现手动复位。

复位电路如图2-4所示：

图2-4 复位电路图

2.2.3、EA/VPP的功能和接法:

如果EA端一直处于高电平的状态，那么单片机就会对内部程序存储器进行请求；但是如果EA一直处于低电平的状态，那么单片机就仅会对外部存储器进行请求。

2.2.4、P0口外接上拉电阻:

51单片机的P0口为开漏输出，其中不存在上拉电阻，又因为场效应管V2是截止的，因此，在将其作为普通的I/O时，想要让“1”信号的输出能够正常，则一定要接一个上拉电阻，如图2-5所示:

图2-5 上拉电阻

此外，为了防止输入的时候发生读取数据的问题，也必须接上拉电阻，这里我们外接的是一个10k的电阻。在这里简单地说明一下它的原因：在输入状态下，一般来说从引脚和锁存器上面读出来的信号应该是一样的，但是也可能会有特殊情况。比方说，从内部总线输出的是低电平，那么锁存器的情况就是Q＝0，Q＝1，这时候场效应管V1开通。这时候无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，通过引脚读入单片机的信号全部都是低电平，这样就会产生错误的信号读入。又比如说，从内部总线输出的是高电平，那么锁存器的情况就是Q＝1，Q＝0，这时候场效应管V1截止。如果外接引脚信号为低电平，那么从锁存器里面和从引脚上面读入的信号就会不一致。因此在把P0口作为通用I/O接口输入使用的时候，在输入数据前，应该先对P0口写“1”，此时锁存器的Q端为“0”，那么输出级的两个场效应管V1和V2就全部截止，即它们的引脚处于悬浮，这样才可以作为高阻输入。

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