单片机的粉尘浓度检测系统设计
【摘 要】液晶屏生产车间由于对于空气中粉尘浓度异常敏感，恶劣的环境状况将严重影响液晶屏的生产质量，为了实现高质量产品输出，本课题将采用由LCD1602液晶模块、STC89C51单片机最小系统、ADC0832模数转换器模块、GP2Y1010AU粉尘传感器、电源模块、蜂鸣器报警模块和按键模块模块组成。单片机是通过ADC0832转换芯片采集GP2Y1010AU粉尘传感器的粉尘的浓度，通过单片机的数据转换处理后在液晶屏上显示空气中的质量，测量空间中的粉尘浓度如果大于当时设置粉尘浓度时，蜂鸣器就会产生报警的声音和发光二极管发出声光报警。当然，粉尘的浓度报警值我们可以通过按键来进行设置。
目 录
引 言 1
一、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控器件的选择 2
（二） STC89C51单片机 2
（三） GP2Y1010AU0F传感器探头介绍 3
（四） AD采样芯片简介 3
（五） 蜂鸣器简介 4
（六） LCD1602型显示器概述 5
二、 硬件系统设计 5
（一） 粉尘浓度检测系统的硬件结构框图设计 5
（二） 最小系统设计 6
（三） 粉尘浓度检测电路设计 7
（四） AD采样芯片电路设计 7
（五） 报警电路设计 8
（六） 显示器外围电路设计 8
三、 软件系统设计 9
（一） 粉尘浓度检测系统的软件工作流程设计 9
（二） AD转换工作流程设计 10
（三） 报警电路工作流程设计 12
（四） 显示器工作流程设计 12
四、 Proteus软件仿真 14
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
引 言
本课题所指的粉尘气体是指液晶屏厂生产加工车间环境中空气中弥漫的粉尘颗粒，这些弥漫着粉尘颗粒的气体通常表现为不易容易引起重视，恶劣的空气环境状况将严重影响液晶屏的生产质量，过去对于这些粉尘气体的检测方式采用复位阀门式报警器，其工作原理为当待测空气中的粉
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尘气体浓度积累到相当大的程度时才能实现报警，并不能够起到预先报警，在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它需要通过定时的复位才能够使得报警器正常工作。随着我国经济的快速发展，大中小型液晶屏厂在国内已经形成了星罗棋布之势，对于液晶屏厂空气中粉尘气体的检测仪器需求量和性能要求都在不断上升，因此对于粉尘浓度检测仪器的成本提出了更高的要求，不但要以最低的成本实现检测系统，还要使得其工作性能和功能都较为完善，目前国内外大多数气体检测器大多采用性价比最高的STM32系列处理器来作为主控，尤其是其F103系列的模块高集成度特性，更是许多粉尘气体检测器生产厂家的首选，搭配上高精度的检测探头，实现一款高性价比的粉尘气体检测仪器还是较为简单的。另外对于粉尘气体检测器已经不单单是工厂的独特需求了，高级轿车、智能家居系统对于高性能、小体积的粉尘气体检测器需求也在不断增长。
在对粉尘浓度检测控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现，在功能设计上主要完成了以下几项：
1）能实现STC89C51单片机最小系统的设计，实现对模数转换器、液晶屏以及报警器的驱动；
2）能实现STC89C51单片机对液晶屏的驱动，实现对液晶屏生产车间空气中粉尘浓度的显示；
3）能实现通过粉尘浓度传感器对空气中粉尘颗粒浓度的实时准确检测，并通过ADC0832模数转换器实现对粉尘浓度传感器输出电压的采集，并将采集结果传送给单片机进行处理；
4）实现报警功能，当粉尘浓度超过报警阀之后发出报警信号。
方案选择及元器件介绍
主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析，从中选择出一款具体型号的芯片来作为本控制系统的控制芯片。
如果采用单片机芯片来作为主控器件，那么首选当然是大学期间熟知的AT89C51/STC89C51等基础51单片机芯片，都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器届来说相对是属于最低的一个款式，无论是单片机还是FPGA，开发成本主要包含芯片自身成本、烧写仿真器购买成本、电路构建以及PCB绘制成本、开发环境成本以及开发者自身掌握的知识成本等，都能够在本次毕业设计中降到最低程度。在内置功能模块方面，它集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。如果采用FPGA来作为主控处理器，FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
51单片机虽然性能相对FPGA较低，但是更加适合完成毕业设计，而FPGA无论是在内部功能模块还是数据处理性能上都超过51单片机，但是我对于FPGA来说较为陌生，不利于增加毕业设计的成功性，因此最终决定选用51单片机来作为主控芯片。
STC89C51单片机
本文所设计的这款粉尘浓度检测控制系统选用了如图11所示的STC89C51单片机芯片来作为系统的主要控制芯片，通过这个芯片强大的控制作用，从而达到读取、驱动外部其它模块的目的，从而使得各模块都能够相互配合，实现本文的设计目标，下面对这款单片机芯片进行详细的介绍。
STC89C51单片机是宏晶公司的设计人员采用了传统经典的MCS51为内核并配置了FLASH、RAM以及定时器等模块而实现的一款新型单片机，作为宏晶公司最基础并且最热门的一款控制器芯片，它深受高校学生以及其他单片机初学者的青睐，这主要得益于其内部的寄存器数量较少，非常容易进行程序代码的编写，不像其他高端单片机（如STM32）那样，有着上百个寄存器需要配置。所谓STC89C51，其中的STC指的是宏晶公司的英文名称，C51指的是通过C语言开发的MCS51内核单片机，宏晶公司的设计人员为这款单片机配置了一个能够最多存储4k字节程序代码的FLASH以及一个能够最多存储128字节临时数据的RAM，通过这个储存模块的搭配，用户能够轻松的实现程序代码的下载，此特点决定了它是学生实验中的最佳选择对象。
这款单片机在内部资源的配置上，沿用了AT89C51的外围结构，将定时器0和定时器1高度集成在了MCS51的周围，两个数量的定时器已经能够在很大程度上供用户设计出较高级的程序结构，这两个定时器都可以被配置为8位或者16位的定时精度；在外部中断资源上，设计人员配置了EX0和EX1两个管脚中断资源，使得用户可以将STC89C51的P3.2和P3.3两个管脚具有中断能力，可以很轻松地实现对输入脉冲信号的上升/下降沿进行捕捉；STC89C51的UART模块也是贴近用户的的一个常用模块，它能够通过软件的配置而实现多种不同的收发模式。
目 录
引 言 1
一、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控器件的选择 2
（二） STC89C51单片机 2
（三） GP2Y1010AU0F传感器探头介绍 3
（四） AD采样芯片简介 3
（五） 蜂鸣器简介 4
（六） LCD1602型显示器概述 5
二、 硬件系统设计 5
（一） 粉尘浓度检测系统的硬件结构框图设计 5
（二） 最小系统设计 6
（三） 粉尘浓度检测电路设计 7
（四） AD采样芯片电路设计 7
（五） 报警电路设计 8
（六） 显示器外围电路设计 8
三、 软件系统设计 9
（一） 粉尘浓度检测系统的软件工作流程设计 9
（二） AD转换工作流程设计 10
（三） 报警电路工作流程设计 12
（四） 显示器工作流程设计 12
四、 Proteus软件仿真 14
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
引 言
本课题所指的粉尘气体是指液晶屏厂生产加工车间环境中空气中弥漫的粉尘颗粒，这些弥漫着粉尘颗粒的气体通常表现为不易容易引起重视，恶劣的空气环境状况将严重影响液晶屏的生产质量，过去对于这些粉尘气体的检测方式采用复位阀门式报警器，其工作原理为当待测空气中的粉
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
尘气体浓度积累到相当大的程度时才能实现报警，并不能够起到预先报警，在使用方式上也存在很大缺陷，从其名称就可以看出它需要通过定时的复位才能够使得报警器正常工作。随着我国经济的快速发展，大中小型液晶屏厂在国内已经形成了星罗棋布之势，对于液晶屏厂空气中粉尘气体的检测仪器需求量和性能要求都在不断上升，因此对于粉尘浓度检测仪器的成本提出了更高的要求，不但要以最低的成本实现检测系统，还要使得其工作性能和功能都较为完善，目前国内外大多数气体检测器大多采用性价比最高的STM32系列处理器来作为主控，尤其是其F103系列的模块高集成度特性，更是许多粉尘气体检测器生产厂家的首选，搭配上高精度的检测探头，实现一款高性价比的粉尘气体检测仪器还是较为简单的。另外对于粉尘气体检测器已经不单单是工厂的独特需求了，高级轿车、智能家居系统对于高性能、小体积的粉尘气体检测器需求也在不断增长。
在对粉尘浓度检测控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现，在功能设计上主要完成了以下几项：
1）能实现STC89C51单片机最小系统的设计，实现对模数转换器、液晶屏以及报警器的驱动；
2）能实现STC89C51单片机对液晶屏的驱动，实现对液晶屏生产车间空气中粉尘浓度的显示；
3）能实现通过粉尘浓度传感器对空气中粉尘颗粒浓度的实时准确检测，并通过ADC0832模数转换器实现对粉尘浓度传感器输出电压的采集，并将采集结果传送给单片机进行处理；
4）实现报警功能，当粉尘浓度超过报警阀之后发出报警信号。
方案选择及元器件介绍
主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析，从中选择出一款具体型号的芯片来作为本控制系统的控制芯片。
如果采用单片机芯片来作为主控器件，那么首选当然是大学期间熟知的AT89C51/STC89C51等基础51单片机芯片，都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器届来说相对是属于最低的一个款式，无论是单片机还是FPGA，开发成本主要包含芯片自身成本、烧写仿真器购买成本、电路构建以及PCB绘制成本、开发环境成本以及开发者自身掌握的知识成本等，都能够在本次毕业设计中降到最低程度。在内置功能模块方面，它集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。如果采用FPGA来作为主控处理器，FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
51单片机虽然性能相对FPGA较低，但是更加适合完成毕业设计，而FPGA无论是在内部功能模块还是数据处理性能上都超过51单片机，但是我对于FPGA来说较为陌生，不利于增加毕业设计的成功性，因此最终决定选用51单片机来作为主控芯片。
STC89C51单片机
本文所设计的这款粉尘浓度检测控制系统选用了如图11所示的STC89C51单片机芯片来作为系统的主要控制芯片，通过这个芯片强大的控制作用，从而达到读取、驱动外部其它模块的目的，从而使得各模块都能够相互配合，实现本文的设计目标，下面对这款单片机芯片进行详细的介绍。
STC89C51单片机是宏晶公司的设计人员采用了传统经典的MCS51为内核并配置了FLASH、RAM以及定时器等模块而实现的一款新型单片机，作为宏晶公司最基础并且最热门的一款控制器芯片，它深受高校学生以及其他单片机初学者的青睐，这主要得益于其内部的寄存器数量较少，非常容易进行程序代码的编写，不像其他高端单片机（如STM32）那样，有着上百个寄存器需要配置。所谓STC89C51，其中的STC指的是宏晶公司的英文名称，C51指的是通过C语言开发的MCS51内核单片机，宏晶公司的设计人员为这款单片机配置了一个能够最多存储4k字节程序代码的FLASH以及一个能够最多存储128字节临时数据的RAM，通过这个储存模块的搭配，用户能够轻松的实现程序代码的下载，此特点决定了它是学生实验中的最佳选择对象。
这款单片机在内部资源的配置上，沿用了AT89C51的外围结构，将定时器0和定时器1高度集成在了MCS51的周围，两个数量的定时器已经能够在很大程度上供用户设计出较高级的程序结构，这两个定时器都可以被配置为8位或者16位的定时精度；在外部中断资源上，设计人员配置了EX0和EX1两个管脚中断资源，使得用户可以将STC89C51的P3.2和P3.3两个管脚具有中断能力，可以很轻松地实现对输入脉冲信号的上升/下降沿进行捕捉；STC89C51的UART模块也是贴近用户的的一个常用模块，它能够通过软件的配置而实现多种不同的收发模式。
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