1、題目：PM2.5粉塵測量的設計摘要當前工業化水平不但發展，人民生活水平日益提高，可學技術產品的涌現為人們帶來了很大便利。但越來越多的環境問題日益凸顯，逐漸成了人們關注的焦點。環境污染問題首當其沖，治理污染的能力急需加強。人們肆意的行為已經嚴重的影響了環境，為我們和我們的下一代的生活帶了極大的挑戰，而污染中最緊要的問題就是直徑小于2.5微米的顆粒物，PM2.5對空氣質量造成嚴重污染，對人體呼吸系統產生影響，對人體健康造成損傷，因此PM2.5的監測和治理就顯得尤為重要。 本研究提出了PM2.5可吸入顆粒物測量的設計原理，控制核心為STC89C51單片機?？諝庵蟹蹓m濃度的測量由GP2Y1010AU0

2、F灰塵傳感器，然后將空氣粉塵濃度顯示在LCD1602顯示器上，當峰值達并觸發到設置好的和階段報警值時，檢測儀開始報警，測量人員可通過不同的指示燈顏色確定PM2.5的濃度。最終電路實現空氣質量PM2.5粉塵測量的數據，一次來顯示當前空氣中PM2.5濃度與空氣質量。關鍵詞：PM2.5測量；STC89C51單片機；GP2Y1010AU0F灰塵傳感器；LCD1602顯示器。Design of a Digital Frequency Measurement CircuitAbstractWith the continuous development of modern science and techn

3、ology, more and more products have been brought into people's lives, but more and more problems have arisen. Environmental pollution is the first problem, and the ability to control pollution needs to be strengthened urgently. People's indiscriminate behavior has seriously affected the envir

4、onment and posed great challenges for us and our next generation's life. The most important problem of pollution is PM2.5 inhalable particulate matter, which is a kind of particulate matter that can be inhaled into the bronchus by human body less than 2.5mm in diameter. It is difficult to discha

5、rge after inhalation. Therefore, the measurement and treatment of PM2.5 is particularly important.In this paper, the design idea and principle of PM2.5 dust measurement are presented. STC89C51 is the main control core, GP2Y1010AU0F dust sensor is used to measure the concentration of air dust. LCD160

6、2 displays the current concentration of air dust, and according to the alarm value set, it can alarm the color of indicator lamp, debug conveniently, and measure accurately. It has high practical value.The final circuit realizes the measurement data of PM2.5 dust in air quality to show the current P

7、M2.5 concentration and air quality at one time.Key words: PM2.5 measurement; STC89C51 microcontroller; GP2Y1010AU0F dust sensor; LCD1602 display.目 錄1緒論11.1選題背景11.2課題研究的目的和意義11.3國內外研究現狀21.4本文的主要工作32本設計系統的總體方案42.1系統功能與技術指標42.2工作原理42.3程序的框圖設計52.4程序的主流程圖的設計66結總結與建議246.1總結246.2展望247致謝2511夏普粉塵傳感器GP2Y1010A

8、U0F使用說明26畢業設計（論文）知識產權聲明27畢業設計（論文）獨創性聲明28附錄291.主函數292 .A/D轉換函數30if(ADDO = 1)311緒論1.1選題背景PM2.5是一種直徑小于2.5微米的顆粒物，又稱可吸入顆粒物。它是一種可以進入人體肺部，并難以排出體外的微小顆粒物，對人體的眼球、鼻腔、上呼吸道都有極大的危害，同時這種顆粒物可以暢通無阻的進入人體肺泡并且沉積非常長的時間，可導致心腦血管疾病。可吸入顆粒物作為病毒和細菌的載體，一同散播在空氣孔，讓人防不勝防，很容易傳染疾病。社會生產中很多生產工作對它的粉塵濃度有著極為精確的要求，生產中很多顆粒物帶有有害的化學物質，人長時間呼

9、吸或者散落在人體表面上非常容易引起皮膚病甚至癌癥。由這幾點我們可以得出顆粒物對人類的健康和發展有著非常大的危害，那一個常見的行業來舉例子，煤礦下作業時，會產生非常多的可吸入顆粒物，再者井下作業條件通風能力不好，在工作時，它的濃度可以達到1000mg/m3以上。在這樣惡劣的作業環境中，就會不由自主的吸入各種各樣的顆粒物，顆粒物長時間侵入人體，就會在肺泡中大量沉積，引發慢性職業病，嚴重時，會危及人的生命安全。由此可見，我國的煤礦安全問題中，顆粒物是一個嚴重的問題，我們國家煤礦安全規程中這樣規定：“游離的顆粒物濃度不得超過2mg/m3?！币虼诵鑼崟r對井下的濃度進行檢測，防止超標，對工人們的生命安全負

10、責，由此可見，空氣質量PM2.5粉塵測量器的意義是顯而易見的。1.2課題研究的目的和意義本設計以單片機作為主控核心，可完成數據收集、顯示、自動報警、參數設置以及智能降溫系統各個模塊的軟件設計，配合每個模塊的硬件設計以此來實現各個模塊的功能，從而實現PM2.5粉塵的測量和收集。隨著綠色、低碳、環保等要素深入人心，人們對于環境的要求越來越苛刻，空氣質量測量的重要性日益劇增，PM2.5粉塵測量器也應運而生，它對于PM2.5濃度的實時監測和預防上有極大的作用，方便測量，顯示結果明顯，制作工序簡單，成本較低，是一個可批量投入生產的好設備，這使得測量儀的適用范圍非常廣泛，對于環境可持續發展有著非常重要的意

11、義。該粉塵測量儀是以STC89C51單片機作為主控核心，外接三個按鍵進行參考值得設定，運用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集環境的PM2.5濃度，經過A/D轉化電路，將模擬信號轉化為數字信號，然后通過STC89C51單片機進行處理，將當先的環境中可吸入顆粒物的濃度通過LCD1602顯示出來，適用于工礦、衛生防疫站、環保監測等多個領域。1.3國內外研究現狀至今為止,伴隨著人類活動范圍的不斷擴展，科學技術的不斷進步，人類對于自然地破壞也隨之而加重。在國際上更多的是采用更為先進的監測技術，有用射線的原理，這種設計方法實收量只與吸收粉塵的重量有關，但是與吸收的物質種類沒有關系，與稱重法沒有什么明顯

12、的差別，可以將空氣中的粉塵濃度直接讀取出來，此方法適用廣泛，可用于多種采樣裝置，并對多種粉塵進行檢測，如呼吸性粉塵的濃度及可吸入粉塵濃度。與稱重法作比較，它相關系數超過97%，相對偏差未超過10%。此方法符合國家相關安全技術指標，可用于長期穩定的測量。比之更加先進的技術應屬集粉塵采樣，濃度測定和粒度分布測量者三者集于一身的多功能測定儀，其在進行粉塵收集時可收集工作環境中的空氣粉塵，將收集到的樣本進行簡單處理，便可在儀器上直接顯示當前粉塵濃度，然后通過天平稱重計算出力度分布，進而分析出濾膜粉塵的粒度分布，也可分析出其他粉塵的分散度。粒度分布以及濃度測定的結果可以通過顯示屏或者打印機來進行打印。這

13、種儀器還具有斷電保護的功能，在斷電之后還可以儲存40多組粉塵濃度以及200多組粉塵濃度的精確數據。第三種測量器時袖珍式激光粉塵器，它是以激光管作為主要光源、運用前向光散射的原理進行設計，這是一種具有國際先進設計水平的最新型的粉塵儀器，這種儀器能夠適用在公共場所顆粒物濃度以及粉塵的快速檢測，還可用于環境保護、工業生產、勞動衛生等多個方面的粉塵濃度檢測。在工礦企業中更加常見。但制作成本與其它集中方法相比較高。1.3.1粉塵測量的方法根據粉塵測量方式的不同，其方法可分成三種，主要分為靜電法測量、光學法測量、采樣稱重法測量。（1） 采樣稱重法與射線法無法實時在線測量，這是它最大的短板。（2） 靜電法非

14、常容易收到干擾，并且如今國內的技術也不成熟，無法批量生產。（3） 光學法又能分為散射法和濁度法，而當前國際上普遍用于檢測濃度的方法是濁度法，我國的大多數企業也采用了此種方法，然而光學發也有他的缺點，就是只有保持光學鏡頭的清潔才能持續有效的測量，目前國際通用的光學鏡頭清潔法是通過微正壓的新鮮保護風。1.3.2粉塵測量儀性能與優點根據如今國內外各個不同的粉塵測量儀可以總結出以下幾種性能以及優點。智能采樣法以及去燥數字濾波的算法相互就和，在測量和信號處理靈活方面非常強大，因此在一套裝置上可以進行不一樣的變量和濃度的測定，也可以排除極個別的非正常值，計算平均值。運用嵌入式單片機作為中控核心的技術，將單

15、片機嵌入至煙塵及粉塵測量的環境要求中，通過充分考慮多方面因素，包括成本因素，環境因素，物理因素等方面，通過智能化控制，檢測出各種形式的粉塵及可吸入顆粒物濃度，同時，還要考慮到軟件、硬件、相關接口的電路設計。通過內核主控技術，在較高層次上進行磁盤的讀寫；支持多個程序在同一時間同時運行，處理器可以同時處理所有程序。通過粉塵濃度測量儀這個軟件平臺，運用GPRS網絡技術，通過短信預警在內的各種通知方式，將測量信息及報警信息實時傳輸到網絡系統，并進而傳輸到用戶手中，形成全方位韓靜監測系統。運用中心控制軟件，更方便快捷的輸入用戶參數、校準設施，并且可以輸出儲存過的測量數據。1.4本文的主要工作該傳感器主要

16、是依據光學原理測量光在透過被測得的物質之后，因為散射吸收而使得光強減弱，通過計算光束通過被測量的物質的前后光強之比以此來定量當前空氣中等粉塵濃度。本設計之中，單片機的主要功能在于在接收傳感器傳送的模擬信號之后，在單片機的內部完成A/D轉化，同時根據LED的所需驅動要求，發出周期T等于10ms寬度等于0.32ms的脈沖信號，還需將數字信號發送的LCD1602顯示屏上。35西安工業大學畢業設計（論文）2本設計系統的總體方案2.1系統功能與技術指標（1） 系統功能（2） 本設計中的傳感器是SHARP-GP2Y1010AU0F灰塵傳感器，其每隔10秒就進行一次數據的采集和檢測，因此得到的數據更加準確。

17、本設計有兩個按鍵可以快速調整預設報警值，可操作性非常高。指示燈顏色鮮明，便于顯示當前空氣濃度。LCD1602實時顯示屏顯示當前空氣中PM2.5濃度，清晰直觀。（3） 主要的技術指標：（4） 電源電壓為：5-7V；（5） 工作溫度為：-10-65；（6） 通過最大電流為：20mA；（7） 測量靈敏度為：0.001mg/m3；2.2工作原理2.2.1粉塵檢測的工作原理在實際運用狀態下，粉塵檢測器會基于激光、光散射、紅外、交流電感等基礎光電法則來實現粉塵成分的區分檢測功能。通過檢測對象環境的空氣過濾，對過濾膜上所獲得的粒子進行成分組成分析，完成粉塵檢測。其中用到的兩個光學原理分別為：Lambert-

18、Beer定律和Mie理論。本設計是根據光學中的濁度法而得到粒子濃度和直徑。根據Lambert-Beer定律測量的到光通過被測量的物質之后，因為散射吸收使得光強被減弱，根據前后光強之比來確定當前空氣粉塵濃度。它的原理如下所示：將光強為I0的一束單色平行光，照射在具有PM2.5粉塵的區域后，由于可吸入顆粒物對光具有吸收和散射的作用，致使光強出現減弱的現象，根據Lambert-Beer定律，當一束平行光照射在分布均勻的粉塵例子區域時，其出射光的光強與入射光的光強呈一定的函數關系。I=I0exp(-Q·N·A·L)=I0exp-3QWL/(2d）式中：Q為消光系數，可根據

19、Mie理論進行計算，消光系數Q與入射光的波長、粉塵的粒子直徑d以及粉塵的物質折射率m有關。N為粉塵的當前濃度A為粉塵顆粒物截面積，W為粉塵質量濃度；是粉塵質量密度。若某種環境下分布的粉塵的直徑是1粉塵濃度為w1的話，則有：式子：C=3L/(2),C相對于檢測系統為常數；m為被測量粒子的直徑分數檔。由以上兩個公式可得：上式中，的單色光的入射情況是這樣得到的，采用不同波長的入射光，每段波長都有對應的計算公式。E=TW式子中：E是消光列向量，此時可通過測量各個波長所對應的I0以及I測得：=式子中：T成為消光系數的矩陣（計算機輔助粉塵濃度檢測系統）。T中各個元素tij=Q（i,m,d1）/d1,T可以

20、由計算機預先算出來。W=（W1,W2,WM）T是粉塵總共的質量吩咐的列向量。求解上面的式子便可得出W以及粉塵的總的質量濃度。由此可以看出，利用多波長光學測量法，對不同直徑粉塵粒子質量濃度進行測量，進而得到測量區域粉塵粒子總濃。此方法還可同時測得監測區域粉塵分散度。2.2.2系統工作原理本系統工作原理為：接通電源后，當給一個粉塵傳感器傳輸的05V模擬信號是，單片機中的AD轉化電路可將其轉化為八進制的數字信號進而輸入單片機中，經過單片機處理之后，將其轉化為三位十進制的數字在LCD1602液晶顯示屏上出現精確的數值。同時與按鍵輸入的參考值進行對比，當數值小于黃燈參考值的時候，黃燈亮起，代表當時的空氣

21、質量良好，PM2.5濃度符合國家相關安全規定；當數據大于參考值的時候，紅燈亮起，并且單片機會驅動蜂鳴報警器，預警當時空氣質量。2.3程序的框圖設計電源電路LCD1602液晶顯示屏STC89C51單片機傳感器電路LED燈電路蜂鳴器報警電路 按鍵電路 圖2- 1 程序邏輯設計如圖2-1所示，本系統的設計主要分為以下幾個部分。（1）信號收集程序：該程序主要是將傳感器收集來的數據信號轉化為數字信號輸入單片機粒。（2）LED顯示的程序：這個程序設計是完成當前粉塵濃度的顯示以及目前環境的狀況提醒功能。（3）看門狗程序：此程序是在死機或程序飛跑時完成系統的復位功能。鍵盤輸入程序：此程序是完成參考值的設定與修

22、改功能。聲光報警程序：這個部分主要完成濃度大于參考值時進行報警警示的功能。2.4程序的主流程圖的設計圖2.2 程序主流程圖 3 PM2.5粉塵測量儀的硬件設計3 PM2.5粉塵測量儀硬件的設計3.1單片機3.1.1核心控制單片機的選擇單片機是系統運作的核心器件，其功能豐富，具有，完成數據收集、整理、處理、輸出、顯示、控制等多個功能。PM2.5粉塵檢測系統中，對硬件設施單片機的選擇至關重要，是粉塵檢測器的核心部件。其中STC89C51單片機性能優越，功耗低,該單片機指令代碼兼容性強，同時兼容 MCS-51指令系統、80C51引腳結構，機器周期選擇性靈活。還有一點是選擇51單片機的核心原因，該單片

23、機具有非常良好的芯片結構，對編寫與擦除數據的周期使用要求非常低，而實現效果卻非常良好。從性價比的角度來看是非常適合制作粉塵檢測系統的核心控制主體。3.1.2單片機技術指標STC89C51單片工作電壓：3.3V-5.5V，工作頻率：0-40 MHZ，世紀工作頻率可以達到48 ZHZ，具有6向量2級中斷結構。其中用戶應用空間為4-64K字節，能夠集成12080字節，或者集成512字節RAM，具有多個I/O口。單片機在用戶層接口方面，用戶下載代碼邏輯清晰代碼結構簡單，在真實場景下實現功能僅需毫秒單位，RxD/P3.0、TxD3.1串口則是實現單片機下載邏輯的通用端口。在定時器模塊中，16位定時器是基

24、礎數位格式，當然依據需要也可以轉換為8位等端口數字。51單片機作為基礎單片機的元老，中斷電路具有實時性與穩定性，可以完成對現有狀態的保存與實時開始狀態，用過下降沿觸發中斷的模式來觸發中斷，以結束中斷信號結束中斷并保持高電平。51單片機在不斷升級的過程中也逐步順應時代添加了多類的人性化模式。單片機本身質地精細且耐用性不高，其受損源頭是由于長時間使用的元器件老化與電流沖擊造成的設備損害。而在新一代單片機中，可以實現當單片機空置的情況下自動調整為節電模式與睡眠模式，在該狀態下除單片機外其他串口與存儲等模塊繼續運行，防止運行數據丟失，然后將RAM存儲中的所有數據進行轉存，最后將其他結構如定時器、計時器

25、等組件凍結，實現節能模式。STC89C51單片機的電路引腳圖如圖所示3-1所示：西安工業大學畢業設計（論文）圖3.1 STC89C51單片機的引腳電路圖的設計按照功能，STC89C51的引腳的功能可分為主電源、多功能的I/O接口、外接的晶體振蕩以及振蕩器、控制以及復位等。（1）多功能I/O口：STC89C51一共具有四個8位的并行I/O接口，分別為：P0、P1、P2、P3端口，與之一一對應引腳分別是P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共有32根I/O接線。每根線作為輸入或輸出都可以單獨使用。P0端口，該端口為雙向I/O接口，具有8位漏極開路。作為輸出

26、口時，每根引腳能自行帶動TTL輸入負載8個。若例如將“1”寫入到P0端口，其引腳就可當作高阻抗輸入。在特殊模式下，數據總線及多路復用低字節地址的功能可用P0端口實現，用于程序和存儲器存取，P0口也具有了內部上拉電阻。如果想要對Flash存儲器進行編程時，P0就可以用于接收代碼的字節；在校驗時候，則輸出代碼的字節；但此時必須要外加一個上拉電阻才能辦到。P1端口，P1口的輸出緩沖器可驅動也就是吸收或輸出電流方式有4個TTL輸入。這個口是自身8位雙向I/O的端口，帶有內部上拉電阻。對端口輸入“1”的時候，可作為輸入口時，其端口被內部的上拉電阻抬升至高電位。P1口作輸入口進行使用時候，因為它有內部的上

27、拉電阻，那些被外部的信號拉低的引腳以此同時會輸出一個電流。在對其內部的Flash編程和程序校驗時候，P1口接收低8位的地址。另外，P1.0與P1.1可以配置成為定時或者計數器2的外部計數輸入端（P1.0/T2）與定時/計數器2的觸發輸入端（P1.0/T2EX），如表2-1所示。表3.1 P1口管腳復用功能端口引腳復用功能P1.0T2（定時器/計算器2的外部輸入端）P1.1T2EX（定時器/計算器2的外部觸發端和雙向控制）P1.5MOSI（用于在線編程）P1.6MISO（用于在線編程）P1.7SCK（用于在線編程）P2端口，P2口的輸出緩沖器可驅動也就是吸收或輸出電流方式有4個TTL輸入。這個口

28、是自身8位雙向I/O的端口，帶有內部上拉電阻。對端口輸入“1”的時候，可作為輸入口時，其端口被內部的上拉電阻抬升至高電位。在其訪問外部的程序存儲器或著16位的外部數據的存儲器的時候，P2的端口將會送出高8位地址，在訪問8位地址的外部數據的存儲器的時候，P2口引腳上的內容也就是專用寄存器區中P2寄存器的內容的時候，在整個訪問的期間都不會改變。在對Flash的編程以及程序的校驗期間，P2端口也會接收高位地址以及一些控制的信號。 P3端口，該端口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向的I/O端口，P3端口輸出緩沖器可同時驅動也就是吸收或著輸出電流方式有4個TTL輸入。對端口進行輸入“1”的時候，通過它內部

29、的上拉電阻將端口拉到高電位，此時這個端口就可以當作輸入口。若果將P3端口當作輸入口進行使用時，因為它的內部有上拉電阻，而那些被外部信號所拉低的所有引腳就會輸出一個電流。在STC89C51中，同樣的P3口還可以用在一些復用的功能上，如表2-2所列。在對Flash的編程以及程序的校驗期間，P3口還可以用于接收一些控制信號。表2- 2 P3口管腳復用功能端口引腳復用功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD（

30、外部數據存儲器讀選通）3.1.3單片機的最小系統簡介STC89C51單片機的最小系統組成單元為：單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/輸出設備等。由此在制作本設計時，需逐步完成以下幾點：1.復位電路設計單片機最常用的兩種復位電路是上電復位電路和按鍵復位電路。上電復位電路是微控制器上電時的復位狀態，它能保證微控制器在通電后立即進入復位狀態。它是通過電容充電來實現的。另一種按鍵復位電路：它不僅具有上電復位功能，而且具有操作簡單的優點。若要進行復位操作的話，只需要按下RESET鍵即可完成復位操作。它主要是利用電阻來進行分壓進而實現復位功能的，它的電路如圖3-2所示。圖3.2按鍵復位電路設計復位電路的工作

31、原理分為：當上電復位需要連接電源時，單片機會自動執行復位操作。上電時，RESET引腳變為高電平，RESET引腳的高電隨著電容C充電緩慢降低。高電平的RESET引腳在兩個機器周期內是智能的，微控制器可以執行復位操作。復位電路對上電和按鈕有效，可以在上電時自動復位，也可以在微控制器工作期間按RESET按鈕完成復位操作。（1）EA/VPP（31 腳）的功能和接法:51 單片機EA/VPP（31 腳）可以同時作為選擇腳管，可以同時用于外部程序和內部程序。當單片機只訪問外部存儲器時，EA在低電平階段為此不變。但當單片機訪問內部程序存儲器時，EA則在在高電平階段保持不變，目前，大多數單片機的內部程序存儲器

32、，需要較大的Flash容量。因此內部存儲器的直接使用顯得尤為重要。在PM2.5粉塵測量設計中，為只是用內部存儲器，將EA 管腳接到VCC 上。同時為避免執行程序出現錯誤，切忌EA腳管懸空。（2）P0口外接上拉電阻:該單片機的P0 端口內部無上拉電阻，為開漏輸出型。當V2作為場效應管，處于截止狀態時，只有外接上拉電阻時才能處于正常的輸出狀態。另外，若果想要避免輸入時讀取的數據出錯，也需來外接一個上拉電阻。以下是其原因：通常情況下，引腳及存儲器處于輸入狀態下讀取的信號具有一致性。但特殊情況下，比如說，如果從內部總線輸出低電平之后，鎖存器Q0 0， Q1 1，端口線呈現低電平的狀態，此時的場效應管V

33、1 處于的狀態為開通。從引腳反饋到單片機的信號保持低電平，不隨端口線信號而變化。因而端口引腳信號未能正確讀出。此外，如果總線總線將高電平輸出后，場效應管V1 截止，鎖存器Q0 1, Q1 0。如果外接引腳將高電平信號輸出時， 從引腳上讀入的信號就會與從鎖存器讀入的信號不同。所以當P0 口作為通用I/O 接口來進行輸入使用時，在輸入數據前，我們應先向P0 口寫“1”，此時鎖存器的Q 端值應為“0”，要使輸出級的兩個場效應管V1、V2 同時截止,引腳處于懸浮狀態，此時才可作高阻輸入。總結來說：為了能使P0 口在輸出時能夠有效的驅動NMOS 電路以及避免輸入時讀取數據會出錯，需要外接一個上拉電阻。在

34、本設計中采用的是在外部多加一個10K 排阻。除此之外，51 單片機在對端口P0到P3 的輸入操作上，為了避免讀錯，也應先向電路中的鎖存器寫入“1”，以使得場效應管截止，以此來避免鎖存器為“0”的時候對引腳讀入的干擾。（3）晶振電路的設計在設計晶振電路之前，我們先要了解51單片機的晶振管腳表2.3 1819管腳功能XTAL1（19腳）芯片內部的振蕩電路的輸入端。XTAL2（18腳）是芯片內部振蕩電路的輸出端。XTAL1 和XTAL2 作為相互獨立的輸入與輸出的反相放大器，我們也可以將其配置為使用石英晶振方式的片內振蕩器，或者是配置成器件直接由外部的其它晶振驅動。本設計采用的是內晶振模式，也就是運

35、用利用其自身的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的兩個引腳上外接兩個電容和一個石英晶體的時候，內部振蕩器靠自身產生自激振蕩。通常來說，根據設計的自身需求，晶振的選擇范圍在1.2 12MHz 之間。如有較高要求，也可達到或超過24MHZ。但功耗也會隨之增加。本設計采用的適應晶振為11.0952MHZ,為達到頻率微調目的，可以采用并聯電容對震蕩頻率的微小影響來實現。當采用石英晶振時候，根據設計的需要，可以在20 40pF 范圍內選擇電容，而本實驗套件所使用的頻率為30pF；若果采用陶瓷諧振的器件時，電容也需要隨之而增大一些，一般處于30 50pF 之間。這里我們選取的是電容為33pF的陶瓷電容。

36、需要注意的是，為減弱引線寄生電容，保證振蕩器持續可靠的工作，在設計工程中，盡量使電容與警惕的單片級芯片靠近。此外，可以利用觀察示波器上的XTAL2，來晶振的起震狀態。起震的標志是顯示正規的正弦波。另外萬用表的直流檔位也可用于檢測起震狀態，當測量XTAL2 和地之間的有效電壓，其有效值為2V左右則表明正常起震。晶振電路如圖所示。圖3. 3晶振電路3.2信號采集電路的設計圖3.4 粉塵傳感器的電路圖圖3.5 GP2Y1010AU0F粉塵傳感器結構圖GP2Y1010AU0F粉塵傳感器的結構圖如圖3-4所示，它是利用光學方法測量懸浮在環境介質中的微小微粒的特性的專業傳感器裝置，其不僅具有光測技術非接觸

37、式的測量還具有不干擾被測對象的多個優點。它可以在周圍環境中捕獲煙草產生的煙粒粉塵，還可感知花粉、房屋粉塵等多種直徑小于1微米的微小粒子。它具有體積小，重量輕，便于安裝等多個優點。5V的輸入電路，有利于信號的處理。內部具有氣流發生器，可以自行吸收外部環境氣體，保養簡單，可以長期保持穩定、高效的工作狀態。表2- 4 應用參數表應用領域： 1、空氣凈化器以及空氣清新機；2、空調； 3、空氣質量的監控儀； 4、空調的相關產品。主要參數：靈敏度：0.5V/(0.1mg/m3)  輸出電壓：0.9V(TYP)  消耗電流：11mA

38、60;工作溫度：-1065 存儲溫度：-20803.3LED1602液晶顯示電路的設計圖3.6液晶顯示器電路設計LCD1602液晶顯示器能夠同時顯示32個字符，作為工業上一種常用的字符型液晶。在我們的日常生活中，我們對于液晶顯示器非常了解。液晶顯示這一模塊已經作為很多種電子產品通用的器件，比如在計算機、電子表、萬用表、廣告牌等多個電子產品中我們都能夠見到它的身影，專用符號、數字、圖形等多種簡單圖樣為其主要顯示形式。在單片機輸出方式中，我們通?？梢砸姷降姆绞接幸韵聨追N：發光管、液晶顯示器、LED數碼管。其中，軟件及硬件現對簡單的LED數碼管與發光管最為常用。在單片機的操作系統當中，運用

39、液晶的顯示器當作輸出器件有以下多個優點：液晶顯示器的畫質非常的高，不會像其他的器件那樣的閃爍，原因在于它沒一個點收到新的信號之后會一直持續一種亮度及色彩，能夠持續恒定的發光，為單片機系統顯示，不同于陰極射線管的顯示器。這就是它作為一個單片機系統顯示器比較好的原因之一，第二點還有：液晶顯示器與單片機接口牢靠性高，操作也同樣非常的簡便。液晶顯示器對液晶分子狀態的控制則通過顯示器上的電極來實現。它的另一優點是它的耗電量也非常的少很節約電能，這都是由于它的主要消耗都在其內部電極以及驅動的IC上。它的原理是運用液晶的物理性質，通過控制電壓控制顯示區域，以便清晰顯示所需的圖形。它還具有厚度薄、體積小、直接

40、驅動等特點，適用于各種大型集成電路，易于實現全彩色顯示。目前，這種顯示屏已廣泛應用于筆記本電腦、數碼攝像機等相關領域。表2- 5 LCD1602參數表LCD1602的主要參數顯示容量為16×2個字符；芯片工作電壓為4.55.5V；工作電流為2.0mA（5.0V）；模塊最佳工作電壓為5.0V；字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm。3.1.2 LCD1602的引腳說明LCD1602采用標準的14腳接口，其中:第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：V0時液晶顯示器的對比度調整端。第4腳：RS作為寄存器選擇，當處于高電平的時候選擇數據寄存器、若

41、處于低電平時則選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫的信號線，當處于高電平時就進行讀操作，當低電平時就進行寫操作。若當RS和RW共同為低電平時則可以寫入指令或者者顯示地址，而當RS為低電平以及RW為高電平時則可以讀忙信號，而當RS為高電平以及RW為低電平時就可以寫入數據。第6腳：E端為使能端，當E端從高電平變為成低電平時，液晶模塊將執行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數據線。 第1516腳：空腳3.4聲光報警提示電路以及LED燈電路設計3.4.1聲光報警器的電路圖設計圖3- 7聲光報警電路圖3.4.2LED燈的電路圖設計圖3- 8 LED燈的電路圖設計當電路接通通電時，DI燈就會亮起，發出綠色

42、的光，代表粉塵傳感器正處于工作窗臺，而當測量值少于報警值時D2燈就會亮起，發出黃色的光，代表當前的空氣質量良好。LED燈的優點有很多，壽命長、光效高、輻射低、能源消耗低。作為當代社會最受矚目的一種光源之一，它由于自身光效好、無毒害、循環利用率高、低熱量、使用時間長等很多優點，因此目前LED燈被廣泛應用于生產生活當中。本設計中運用不同顏色的LED代表了不同的測量信號，非常易于使用的使用。3.4.3蜂鳴器的驅動電路設計此電路包含限流電阻、蜂鳴器及三極三個部分。蜂鳴器作為發出聲音的原件，對于一個有源蜂鳴器來說，在其兩邊佘家直流壓的話就可以發出蜂鳴聲，而對于一個無源蜂鳴器來說，在其兩端施加方波就可以發

43、出蜂鳴聲，它的主要參數為：發生方向、外部尺寸、工作時的電壓、工作時的電流、工作時的頻率、驅動的方式等等幾個方面。這都是根據不同的需求來進行選擇的，而本設計采用的是有源蜂鳴器。三極管起到了開關的作用，其基極的低電平使得三極管飽和導通，使得蜂鳴器發出聲響；而基極若是高電平則使得三極管關閉，發聲就此停止。蜂鳴器是發出聲音的原件。蜂鳴器分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，這里的“源”是指震蕩源。對于有源蜂鳴器，如果在蜂鳴器兩側施加直流電壓，蜂鳴器會發出嗡嗡聲。無源蜂鳴器則不會發出聲音。影響蜂鳴器聲音的其主要參數有：頻率、方向、電壓、外形尺寸、驅動和電流等。這些都是根據不同的需要來選擇的。未達到更好的檢測效果，

44、增強檢測的直觀性，本設計采用有源蜂鳴器。其中有源蜂鳴器發聲原理依靠晶體管起開關的作用。當基極的低電平使晶體管飽和導電，使蜂鳴器發出聲音?；鶚O的高電平使晶體管閉合，聲音停止。3.4.4換風系統的電路圖設計主要原理為：使用風機將空氣抽離機器，通過內置的過濾網來對空氣進行過濾，主要是起到過濾粉塵、異味以及有毒氣體和殺菌的目的。3.5按鍵電路的電路圖設計 本設計以按鍵接低方式進行讀取，當單片機開始工作時，處于高電平狀態，當按下按鈕時，單片機會接受到一個低電平的信號，并進行反應和處理操作。另外矩陣鍵盤和獨立鍵盤是單片機鍵盤的兩種形式。矩陣鍵盤具有負載的鏈接形式，精度較高。獨立鍵盤的I/O端口按鍵單一，雖

45、然I/O口占用較多，但鏈接形式較為簡單。本設計根據實際測量情況選擇獨立鍵盤性價比較高。西安工業大學畢業設計（論文）4 PM2.5粉塵測量儀的系統軟件設計4.1系統的流程圖如圖4-1所示4.2濃度參考值的鍵盤設定的程序設計由于不同環境中的粉塵的濃度是不一樣的，粉塵流動量也不盡相同，不同的個體在不同的環境中所能承受的最大粉塵極限也是不同的，所以在更換環境或者不同的個體使用時需要設置不同的粉塵濃度的參考值，也就是該環境中所能承受的粉塵的濃度最大值，如果測得的濃度值高于預設報警值則會觸發報警的裝置，我們根據報警就可以采取有關的措施或者讓場地里的工作人員從危險環境撤離出去。這個模塊利用了獨立的按鍵方式通

46、過三個相對獨立的按鍵相互累加的方式來輸入參考值，根據預設報警值與測得的數據進行對比來控制報警裝置。在單片機的應用系統當中，掃描鍵盤僅僅是CPU的眾多工作項目中的一項。在實際的應用當中，如果在既不占用過多CPU的工作時間條件下，又保證鍵盤操作的及時響應的情況下，鍵盤方式的正確選擇就要依據應用系統中CPU的情況而定，本設計的小型系統的CPU在工作時比較空閑，因此用編程掃描的方式。鍵盤掃描程序的功能在于一方面判別鍵盤上的按鍵有沒有按下去，方法是通過掃描鍵盤的接入口，若全都是“1”，這樣鍵盤就沒有一個鍵按下，如果不全為“1”的話則一定有鍵按下。另一方面還可以去除抖動音粗的影響，它的判斷方法是當有鍵按下

47、之后，軟件經過10ms左右的延遲后，仍判斷鍵盤為按下狀態，此時自動確定為一個建按下。否則按照按鍵抖動來進行處理。當鍵盤放開的時候，也會對這以行為進行判斷，當判斷到有按鍵釋放的時候，軟件也會停止10ms左右的時間，若仍為釋放狀態，則才能認為按鍵確實是釋放了。最后會對各個按鍵進行逐一掃描，最后確定按下的鍵號。鍵盤掃描程序的流程圖如圖4-2所示。4.3信號采集本分的程序設計因為粉塵的濃度是連續變化模擬信號，單片機無法使用識別模擬信號，因此需要通過粉塵傳感器將空氣中的粉塵濃度轉化為電信號，接著通過信號放大器裝置，將轉化后的信號進行放大，放大為05V的電壓信號。4.3.1數據采集的流程圖設計方案粉塵的數

48、據采集流程圖如圖4-3所示修改模擬通道地址結束讀完數據讀取轉化結果等待輸出啟動信號 4.4 LCD1602液晶顯示流程圖的設計對于一個成熟的人機交互式的單片機來說，不能要能做到對用戶的輸入進行響應，同時也應該能夠把測控到的信息顯示出來。這些顯示給以給用戶提供實時的數據或者結果，來幫助用戶對數據進行分析或者進行決策。目前，在單片機的系統單中最常用的顯示裝置就是LED1602液晶顯示屏。它具有價格低廉、使用簡單等諸多優點。以下是顯示流程框圖，其流程圖如圖4-5所示。4.5編程軟件的應用keil的引用Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列的兼容單片機C語言軟件的開發系統，

49、與匯編語言相比，C語言不論是在功能上，還是從可讀性、結構性、可維護性上都具有明顯的優勢（配電網單相接地故障定位脈沖法的研究與實現），因而它是一種易學易用的計算機編程語言。用過匯編語言之后如果再來使用C來開發，體會就會變得更加深刻。 Keil C51軟件可以為用戶提供豐富的庫功能和調試工具，具有極強的集成開發能力，全Windows界面。其次，還有一點。只需看看編譯后生成的匯編代碼，就可以看到KeilC51生成的對象代碼有多高效。而且大多數陳述都非常簡潔，易于理解。在開發大型軟件時，更能體現高級語言的優勢。Keil的主界面如圖4-5所示圖4- 1keil主界面4.6 Proteus軟件的應用Pro

50、teus是一款先進的EDA工具軟件，由英國的Labcenter Electronics公司研發，包含ARES.EXE高級PCB布線軟件編輯和ISIS.EXE智能原理輸入系統兩個主要程序。因功能強大，操作簡便，便于切換二廣泛應用。從原理圖的布圖、代碼的調試再到單片機與外圍電路的協同仿真，一鍵便可以切換到PCB設計，（船舶液艙晃蕩模擬系統研發）真正的實現了從生產概念到實際產品的完整設計。Proteus作為EDA工具軟件，目前應用最為廣泛。不僅用于仿真8051、PIC/VAR等MCU，同時，他還可以對外圍電路進行仿真。在2010年其又增加了Cortex和DSP這兩個系列處理器，并將會持續的增加其他不

51、同系列的處理器模型。在編譯軟件方面，它同樣支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器的編譯。Proteus的主界面以及本設計的仿真圖如圖4-6所示。 圖4- 2Proteus的主界面以及本設計的仿PM2.5粉塵測量儀的測試結果及理論5 PM2.5粉塵測量儀的測試結果及理論調試在產品設計過程中是比不可少的一個環節，是對產品的性能、功能、應用效果等多方面進行綜合調整。本研究旨在設計PM2.5粉塵測量儀，需要調試的方面包括硬件電路的設計原理是否正確，達到預期效果的程度，是否操作簡便，測量有效度等方面，為此還有對電路焊接情況進行逐一檢查，以確保測量儀設計的完整性性和可靠性。在調試方法上，本設計采用

52、分塊調試從局部到整體，由簡單到復雜，最后將調試好的哥哥模塊進行有機的加和，以便于更好的檢測PM2.5粉塵測量儀的性能。在調試過程中遇到的問題有：在焊電路之前缺乏電阻的大小會對PM2.5粉塵檢測電路影響的系統研究，導致一直認為是傳感器只要不工作，顯示屏就是是沒有數據顯示，后來更換了阻值更加合適的電阻，數據的檢測結果也出來了。解決方案有：對電路進行測試,逐一檢查是否焊接牢固，有無開焊、漏焊現象。對輸出的管教信號進行測試。然后對編寫程序進行核查，如果發現問題及時整改。當顯示亮度不好時阻器的阻值，直到看到合適的亮度為止。調試與整改不僅是PM2.5粉塵測量儀的性能進行檢驗。在調試過程中，進一步增加了我們

53、隊電器元件的認識，增強了我們在設計產品過程中的思維縝密性。是對我們所學理論知識的進一步檢驗，有助于我們對知識系統化認識。隨著工業化水平的不斷發展，當前環境問題日益凸顯，空氣質量問題也越發成為人們關注的焦點?？諝馕廴緡乐赝{著人類的健康，PM2.5粉塵濃度是空氣污染的重要指標，本研究旨在利用所學知識，設計出一個操作便捷，經濟有效的PM2.5粉塵檢測儀。下面為本設計的實物圖6總結6 總結與建議6.1總結通過一段時間以來的研究設計，初步研究出了PM2.5粉塵測量儀。該粉塵測量儀操作簡單，方便快捷，經濟有效。經驗證，對空氣中PM2.5粉塵顆粒物的測量真實有效。在本次畢設實現過程中，以51單片機為核心，

54、以粉塵傳感器為信息接收端，以LCD數顯為信息輸出端口，實現了當粉塵根據不同濃度，產生不同且與之對應的告警模式。而在實現過程中，通過顯示屏結構的輸出設計以及對指示燈的簡單邏輯，讓粉塵測試儀實現了非常完整的實用功能，對社會生產與空氣凈化有良好的促進作用。通過本次設計我了解了PM2.5的常規知識，也熟練掌握了單片機的設計架構與核心邏輯，也知道了如何調用各類信號接收器、如何做出一款有實際意義的產品。最后很高心能夠通過自己的努力，運用所學順利完成了該設計。6.2展望1.當前空氣中PM.5的濃度值仍需要通過網絡查詢和收看天氣預報，PM2.5名都的測量缺乏針對性和時效性，希望粉塵測量儀更加大眾化，便于民眾自

55、己測量。2.在未來的研究中，希望粉塵測量儀對PM2.5的檢測更加方便快捷，檢測功能多樣化。致謝7 致謝本論文以及本設計是在胡鍇老師的悉心指導下完成的，胡老師知識淵博，對于這方面的知識非常了解，在老師不斷地指導下，我才完成了相應的功能，老師幫我解決了很多難題，除了專業知識以外，胡老師還教會了我在今后的人生中要學會謙虛、認真的學習態度，在此，衷心的感謝老師這半年來不辭辛苦的教導。還要感謝這幾年來在大學傳授我知識的各位老師們，正是你們的辛勤教導才使我有能力去完成這樣一份充滿意義的設計。感謝這幾年來學校的培養，讓我深知作為一名學子所肩負的使命與義務，讓我在今后的生活中可以不斷進步。參考文獻參考文獻1 劉宏斌.我國PM2.5的現狀與防治對策.武漢:湖北經濟學院學報.2012. 2 王幸之,鐘愛琴.AT89系列單片機原理與接口技術.北京：北京航空航天大學出版社.2004. 3 鄭鋒,王巧芝.51單片機應用系統典型模塊開發大全.北京:中國鐵道出版