基于单片机空气PM25浓度检测系统设计毕业论文.docx
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基于单片机空气PM25浓度检测系统设计毕业论文
基于单片机空气PM2.5浓度检测系统设计毕业论文
毕业设计(论文)
题目:
基于单片机空气PM2.5浓度检测系统设计
河南科技大学毕业设计开题报告
课题名称
基于单片机空气PM2.5浓度检测系统设计
学生姓名
于海洋
专业班级
机电114
课题类型
硬件设计
指导教师
徐莉萍
职称
教授
课题来源
科研
1.设计(或研究)的依据与意义
设计的依据:
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,他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。
监测PM2.5的原理以及硬件都在明显的改善,软件的简化功能的增加。
本课题的背景是根据基于专业的精细的检测仪基础上,来设计便携式的PM2.5检测仪,携带方便,现在具有粉尘传感器,单片机,LCD液晶,及蜂鸣报警器,模拟信号的转化为数字信号,数据采集电路采集PM2.5的浓度值,并由微控制器分析处理数据,最后由液晶显示屏显示相应的结果,小巧的装置可以应对现在人们的监测,以及微机原理的接口技术单片机原理,显示屏的装置技术,信号的转换与放大技术,调理电路的器件实现,调理电路的原理误差减少等明显的提高,单片机的仿真软件的出现单片机电子电路的仿真大大改善了现在的设计困难程度。
设计的意义:
近年来,雾霾问题引起了大家的重视,也影响了民众的生活,灰蒙蒙的天气也引起了大家的恐惧。
因为空气质量的恶化,雾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并入雾以其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,以及重金属珅铬铅等颗粒组成。
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多天人命;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。
让大家了解雾霾的成因及危害,雾霾天气应该注意的事项,保护好自己。
普及雾霾问题和了解PM2.5的简单测定,并且符合环保保护的要求。
而央视前记者柴静拍摄的记录片《苍穹之下》就是对现在问题的根本性的揭露,我们不仅要为了我们自己能够生活在一个更加明媚,更加阳光,白云万里的世界里而奋斗,而且还要保证以后的子孙后代都应该享受这样的天空。
其次,雾霾会引发很多的疾病,尤其是肺部方面的疾病,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疾病并导致心律不齐、非致命心脏病等心血管方面的疾病。
也会引发很多的综合性疾病,检测雾霾天气的危害,并使之达到环境保护要求已经刻不容缓。
2.国内外同类设计(或同类研究)的概况综述
国内外的设计主要是在下面方法的基础上实现的
重量法
所谓重量法是指将PM2.5直接截留在滤膜上,然后用天平称重。
滤膜并不能把所有的PM2.5都收集到,一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜。
但只要滤膜对于0.3μm以上的颗粒截留效率大于99%,就算合格。
因为所损失的极细小颗粒物对PM2.5的重量贡献很小,对分析结果影响不大。
目前按照重量法设计的采样设备较多,如中国生产的TH—150型智能中流量颗粒物采样器、四通道PM2.5采样器(PR2300)、美国URG公司生产的通用型大气污染物采样仪(URG—3000k)、德国GRIMM分析仪等。
这些采样器利用Teflon膜或PTEE滤膜对PM2.5进行采样,再采用称重法计算颗粒物质量浓度。
重量法是最直接、最可靠的方法,是验证其他方法是否准确的标杆。
然而重量法需要人工称重,程序比较繁琐而费时。
因此,这种方法及仪器多应用于进行单点、某时间段内的采样与监测,为大气污染调查、研究提供数据。
β射线吸收法
将PM2.5收集到滤纸上,然后照射一束β射线,射线穿过滤纸和颗粒物时由于被散射而衰减,衰减的程度与PM2.5的重量成正比。
根据射线的衰减就可以计算出PM2.5的重量。
由于这种方法可实现自动、连续监测,因此多应用于大气环境监测业。
这种方法一般要求都比较高,设备比较昂贵,适用于大型的研究设备以及大型的研究场合。
微量振荡天平法
基于微量振荡天平法研制的采样器由空心玻璃管、滤芯等组成。
该空心玻璃管一头粗一头细,粗头固定,细头装有滤芯。
工作原理为:
空气从粗头进,细头出,PM2.5就被截留在滤芯上。
在电场的作用下,细头以一定频率振荡,该频率和细头重量的平方根成反比,于是,根据振荡频率的变化算出收集到的PM2.5的重量。
该方法可实现自动、连续监测。
因此,近年来我国多个地区采用微量振荡天平法测定PM2.5浓度。
例如,2011年沈阳市环境监测中心站采用“赛默飞世尔”的1405型振荡天平法颗粒物监测仪对PM2.5进行了长期的监测和分析。
除了以上三种PM2.5重量测定方法外,还有利用光散射的原理测定颗粒物浓度的方法。
但是,这种方法并没有被各国环保部门采纳为标准方法,虽然目前有依据此原理制成的专业仪器在某些科研中时有运用。
该测定方法的原理是:
空气中的颗粒物浓度越高,对光的散射就越强;测定光的散射后,理论上就可以算出颗粒物浓度。
但在实际运用中,由于光的散射与颗粒物浓度之间的关系是受到诸多因素的影响,例如颗粒物的化学组成、形状、比重、粒径分布等,而这些都取决于污染源的组成。
这意味着光散射和颗粒物浓度之间的换算公式随时随地都可能在变,需要仪器使用者不断地用标准方法进行校正。
有研究者做过理论计算:
利用光散射仪测定PM2.5,至少有30%—40%的不确定性。
这种不确定性是这类仪器固有。
所以需要其不断地去校正,为以后的测量能够更加的准确,得有相对接近事实的数据。
3.课题设计(或研究)的内容
首先通过PM2.5粉尘传感器及检测电路对周围环境中的PM2.5的浓度值数据进行采集,由模数转换电路将PM2.5检测电路输出的模拟量转换成数字量,并将数据传送给微控制器,并由微控制器对数据进行处理分析。
一方面将处理的结果显示在LCD1602液晶显示屏上,使PM2.5的检测结果一目了然,方便人们随时随地的了解周围的PM2.5的状况。
另一方面,如果PM2.5的浓度过高,便由微控制器通过报警电路进行必要的提醒,报警部分主要由LED指示灯和蜂鸣器组成。
并设计其外壳的形状,便于携带,小巧并且美观。
4.设计(或研究)方法
通过看视频及查看资料对单片机、LCD、微控制器、模数转换的应用学习,熟悉芯片的功能,学习相应的函数,程序设计等,用芯片实现模数/数模转换及音频的噪音处理和压缩,编码,解压,解码等。
通过查资料,看相关的作品,分析模数转换的相对转换,如何实现报警的相关程序,理解并编好需要的程序,逐步实现本课题需要的功能。
通过仿真软件的仿真看时候能够实现需要的要求,逐步的改进其需求。
然后按照要求做出实物,做实验验证其合理性及实用性并查找资料设计其外观的几何形状的设计。
5.实施计划
1、第3~4周:
查阅资料,完成开题报告,确定总体方案;
2、第5~12周:
设计硬件电路、编写程序,联机调试;
3、第13~14周:
编制设计说明书;组装实物并试验;准备答辩;
4、第15周:
答辩。
指导教师意见
指导教师签字:
年月日
教研室意见
教研室主任签字:
年月日
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
2)原创性声明
3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写
2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
基于单片机空气PM2.5浓度检测系统设计
摘要
随着柴静的纪录片《苍穹之下》的播放,现在的人们对PM2.5已经变得更加的熟悉了。
了解它的危害以后,监测PM2.5已经变得具有非常重要的意义,尤其是小型便携式的让能够让我们我们随时随地的对空气质量进行检测,确保我们周围环境的质量。
同时现代社会的经济和社会得到了充分地发展,高科技技术应用于社会的例子已经屡见不鲜,尤其在单片机快速发展的今天,单片机应用于现今检测设备已经越来越多,形成了一定的规模,越来越小型化和多样化。
本课题主要是采用单片机对空气浓度PM2.5的测量系统。
此系统把传感器技术与单片机的控制技术,AD转换技术相结合,实现对空气颗粒浓度的采集。
把模拟量转换成数字量,经过单片机的处理计算后,在显示屏上显示。
实践证明,该设计系统电路便于人们对身边的空气质量进行实时监测,从而可以有效地提高身体健康,改善人们周围的环境,具有非常重要的实际意义,并且操作简单,集成度高、工作稳定,调试方便,测试精度高,具有一定的实用价值,因此市场应用前景非常的广泛。
关键词:
单片机;PM2.5;粉尘浓度;传感器技术
BASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERPM2.5AIRQULITLYMEASURMENTDESIGN
ABSTRACT
WiththebroadcastJingChaidocumentary"underthesky",andnowthepeopleofPM2.5havebecomemorefamiliar.Familiarwithitsharm,PM2.5monitoringhasbecomehastheveryimportantsignificance,especiallysmallportableletcanletusanytime,anywhereontheairqualitytesting,toensurethequalityoftheenvironmentaroundus.
Andtheeconomyandsocietyofmodernsocietyhasbeenfullydeveloped,technologyisusedausedinthemoderntestingequipmenthasbeenmoreandmore,formingacertainscale,moreandmoresmallanddiversified.ThispapermainlyusesthesinglechipmicrocomputertoairconcentrationPM2.5measurementsystem. Thissystemcombinesthesensortechnologywiththesinglechipmicrocomputercontroltechnology,andtheADconversiontechnology.Realizetheconcentrationofairpaticlesinthecollection AnalogKingadisconvertedtodigitalquantity,throughcalculationofthemicrocontrollerindisplayscreendisplay.
Practicehasprovedthatthedesignofcircuitsystemforreal-timemonitoringoftheairqualityaround,whichcaneffectivelyimprovehealth,improvetheenvironmentaroundus,andhasveryimportantpracticalsignificance,andhastheadvantagesofsimpleoperation,highintegration,stability,convenientdebugging,hightestprecision,withsomepracticalvalue.Therefore,marketprospectisverywidely.
KEYWORDS:
MCU;PM2.5;Dustconcentration;Sensortechnology
前言
数字由于现代社会经济与科技的高速发展,人们对身边生活环境的要求越来越高,经济的发展同样不可避免的带来一些负面的影响,环境污染就是其中之一,现在人们对周围的环境已经变得越来越关注。
使得人们感觉到环境对自身健康的影响有着很大一部分的影响作用,人们的关注点时刻的被牵引在周围的环境危害上面,现在的我们已经变得对周围环境要求比较渴望居住在舒适的环境里,迫切的希望吸上比较新鲜的空气。
我们大部分的时间都是在都是在我们居住的房子里,由此监测我们住房的环境显得更加的有效,还我们一个舒适,安全的居住环境,由于现在房屋的建材,专修房屋的材料对人体还是有一定的危害作用,例如;甲醛、有毒的重金属颗粒物、环境的直接危害就是导致呼吸道健康方面的危机,PM2.5的浓度指数已经引起了不少的关注,手机上时常有着PM2.5的浓度检测。
现在有了高科技的快速发展,并且与其相结合的优势,对环境的检测相对来说比较高效,并且具有实时性。
此次设计主要是利用单片机作为微处理器为核心并与粉尘传感器相结合以及其他电路形结合,以AT89S52单片机为核心,ADC0832模/数转换器、PM2.5粉尘传感器GP2Yl010AUOF、LCD1602显示屏组成粉尘浓度检测系统。
它通过对当前环境地检测实现PM2.5的采集、转换、计算以及读取,把得到的数据经过显示屏进行显示。
通过单片机将先进科技应用于检测环境的质量,提醒人们做出相应安全防护措施,改善当前环境状况。
本课题的终极目的是通过单片机与控制技术传感器技术相结合而实现对PM2.5的检测的环境检测系统。
本次设计具有很多明显的优势就是简单便携并且材料不贵,可操作的精度要求比较高,并且具有可调节的优点,此次设计以单片机作为控制中心,传感器采集的颗粒物浓度经过AD转换成数据通过单片计算输送给显示屏显示设定最大爆表值超过这个值蜂鸣报警,实现高效便捷的检测PM2.5浓度的作用。
主要的设计内容如下:
(1)采用夏普GP2Y1010传感器对粉尘颗粒采集。
(2)使用AD0832作为采集样品的模拟量转化为数据量
(3)采用AT89S52单片机作为控制核心,计算其颗粒物的浓度
(4)LCD1602作为显示屏显示所有测量值。
(5)通过按键设置报警值,作为检测量最高值,当测量的值高于报警值,蜂鸣器报警。
第1章国内外同类设计的概况综述
§1.1设计的历史依据及其意义
PM2.5受到关注是在上世纪的90年代,在美国的一些科学家或者协会相应的做出一些研究和发表一些论文,指出了颗粒物污染的一些来源,制定一些规章制度来限制各个国家地区对颗粒物的排放问题,在我国最早是在一位网络友人“美帝是管空气”在微博上转发的美国驻华使馆在twitter上发表的北京PM2.5的检测数据,严重爆表。
而在2015年2月28日柴静自费拍摄的《苍穹之下》更是揭露了现在我们面临的种种环境危机,从而现在的我们更加的关注颗粒物的一些实质性的危害。
可以提高我国的环境保护的意识,具有不可磨灭的影响。
随着人类掠夺式地开发资源以及以牺牲环境为代价来换取工业和经济的快速发展,导致环境污染问题愈来愈严重。
生存的环境变得苦不堪言时常受到一些迫害,因此与大自然的和平相处已变得刻不容缓。
为了解决这些问题,所以现在的很多东西都应用了高科技的产品来实行对自身周围的环境进行检测,提高保护措施。
§1.2国内外检测PM2.5主要的设计方法
重量法
重量法通俗来讲指直接将大气流中的PM2.5颗粒被截留在滤膜上,然后用天平直接称重。
但是仍然会有一些比较较小的颗粒会穿过滤膜,但是这些颗粒较小重量可以忽略对重量的影响不大。
目前,按照重量设计的检测PM2.5采样设备比较多,如美国URG公司生产的通用型大气污染物采样仪(URG-300K),中国生产的四通道PM2.5采样器(PR2300),TH-150型智能颗粒物采样器。
重量法可以是说最基本的方法,是验证其他方法的标尺,是最简单,最可靠的方法。
但是也有其缺点,他需要人工来完成,并且其相应的配套设备也比较相当的复杂,相对来说比较费时,因此重量法多应用于单点上。
微量振荡天平法
微量震荡天平法相对来说就没有那么高的检测精度,但是它并不像重量法那样的复杂,它主要是靠颗粒通过他的传感器(锥形管构成)改变其震荡的频率,也就是说空气中的颗粒被截留在可随时更换的滤膜上,导致振荡频率发生变化,这是就可以根据频率的变化来检测此时的颗粒浓度。
它能够实现连续检测的目的,并且能够自动实现。
因此我国现在的很多地方目前都是采用这个方法来测定PM2.5的浓度,从而更好地实时测量周围的环境质量。
Beta射线法/β射线法
Beta射线法基本上可以跟微量震荡天平法是一个性质类的,此方法是根据射线衰减的原理来实现的,就是当射线照射在通过空气的颗粒时,相应的接收到的射线就会相应的减少。
减少的多少,根据换算公式就会计算出颗粒物的浓度大小。
此系统也有相应的缺点,那就是可能在照射的过程中会有相应的挥发,这时就需要一些补偿的系统,能够最大限度的保证其准确性,接近于真实值。
光散射法
光散射的原理是指;空气中的颗粒物对光具有一定的散射作用并且根据浓度的不同散射的值也就相应的会有所不同,浓度较高时,对光的散射也不会相应的提高,测定光值以后,通过相应的换算公式也就会得到其浓度值。
但是,颗粒物与光的散射有着复杂的关系,颗粒的的形状,化学组成,比重,微粒的分布都会影响光的散射问题。
此外,这鞋颗粒物之间有可能还会发生一些化学反应。
第2章系统硬件总体设计及电路设计
§2.1系统硬件总体设计
本设计系统以AT89S52单片机为基本核心,主要包括粉尘传感器采集模块,A/D模数转换ADC0832模块,单片机作为控制模块,显示屏作为显示模块。
设计系统通过传感器电路检测PM2.5粉尘信息,由AD模数转换,经过过过单片机的计算,最后在液晶上面显示。
整个系统的框架结构如图2-1所示
图2-1整体系统框架总图
1.灰尘传感器:
实现对灰尘颗粒的感应。
2.A/D转换电路:
用于完成传感器输入模拟量转换成数字量
3.供电电路:
实现对整体系统的供电。
4.单片机最小系统:
AT89S52作为微处理器,包含时钟电路,复位电路控制其他的设备。
5.显示液晶:
用于完成对系统测量值和报警值得显示。
6.按键电路:
用于完成报警值参数调整的功能。
7.报警电路:
实现系统的报警。
§2.2硬件电路设计及相应主要芯片介绍
硬件电路设计主要是根据设计技术的要求,设计出硬件电路原理图,也就是说硬件设备应该怎样连接的方式,下面将对这个方面做具体的阐述。
§2.2.1单片机最小系统
单片机的最小系统应能让单片机正常工作并且能够正常的发挥其功能的一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
它是一个小型的电脑设备所具有的那样拥有者明显的大脑,也就是控制的核心。
同时,也具有一些输出设备,还有就是定时器,能够作为时间的控制中心,具有作为通讯的接口,把所有需要用到的都集中在一个小小的芯片之上,这就是单片机。
当然单片机现在的发展已经比较先进,我们来看一下作为最基本的存在它是怎样的。
如图2-2及2-3
图2-2单片机最小系统框
图2-3单片机最小系统引脚接线图
一般把AT89S52单片机的工作电压定为5V,经过查看电路图,VCC接5V的电压,VSS接地,在单片机中复位电路是必须存在的电路,就像我们开启一台电脑一样,需要打开开机键。
这个复位开关就相当于开机键的存在,同时如果我们的机器死机,或者是出现不可未知的危害是,需要我们重新启动时,都可以这样开始,这次的设计采用的是手动复位的开关。
与复位电路同样至关重要的就是属于我们应用的时钟电路,这个时候时钟电路就像是整个机器的心脏一样,控制着单片机的节奏。
XTAL1为反向放大器的输入,XTAL2为反向放大器输出,这是利用晶振的作用来实现放大的节奏。
本次设计就是采用机器周期为12个振荡周期的石英晶振。
单片机最初是作为微控制器被利用起来,它被用在工业领域的很多方面,比较早的时候CPU是其核心装置,然后就集成了很多的外设接口,能够实现比较复杂的小型控制。
单片机最早是由英特尔公司提出来的。
AT89S52单片机是本次设计所采用的单片机,下面将重点介绍它的主要性能和参数。
如图2-4实物图
AT89S52
图2-4AT
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