分布式无线空气质量监测系统硬件设计
由于工业化和交通运输的迅猛发展，城市空气质量变差，而空气对人们的身体健康有很大影响，为此，本文研究了一种空气质量监测系统监测日常生活的空气质量。本设计的基本方案制作一个终端节点和一个监测节点，终端节点作为监测站，在终端节点上焊接电源电路，单片机，无线收发器，液晶显示屏等，而监测节点作为采集点，在上面焊接电源电路，单片机，PM2.5传感器，CO传感器，A/D转换器，无线收发器等等。最后，软件硬件一起调试，最终实现了基本功能。本系统主要做了以下工作该系统自动检测空气中污染物的浓度，并将信息通过无线通讯技术传给终端节点，显示在液晶显示屏上，PM2.5会给予“差”“良”“优”三个等级，当CO超标，液晶显示屏上就会显示“Dang”。本设计实现了监测空气质量的基本功能，但还不是很完善，比如未安装蜂鸣器，“Dangerous”不能完全显示等问题，有待未来进一步的研究。关键词 空气质量监测，PM2.5传感器，CO传感器，无线通讯技术
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 工作安排 2
2 分布式无线空气质量监测系统的总体设计 2
2.1 分布式无线空气质量监测系统的设计思想 3
2.2 总体功能 3
3 硬件设计 4
3.1 总体框图 4
3.2 核心控制器STC89C52RC 4
3.3 RS232电路 6
3.4 PM2.5传感器电路 6
3.5 CO检测电路 7
3.6 nRF24L01无线收发系统 9
3.7 电源电路 11
3.8 电子显示屏电路 12
3.9 系统总体设计 12
4 分布式无线空气质量监测系统软件设计 13
4.1 编写语言的选择 13
4.2 主程序 13
4.3 PM2.5数据采集子程序模块 15
4.4 CO数据采集子程序模块 17
4.5 串口通信子程序模块 18
4.6无线收发子程序模块 19
4.7定时器程序设计模块 21 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.8 液晶显示子程序模块 21
5 软硬件联调 22
5.1 初始化状态 23
5.2 正常显示状态 23
5.3 异常显示状态 24
总 结 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录A 总硬件电路图 31
附录B 印刷电路图 32
附录C 程序代码 33 1 绪论
1．1 课题研究背景和意义
当今社会，环境保护的形势日益严峻。随着工业的崛起，城市人口的持续增长以及交通尾气的持续上升，使得空气污染问题日益严重[1]。加之，随着经济的发展，人们生活水平得到提高，人们对健康，品质的生活更加向往，对自己所处的环境以及空气质量要求愈来愈高。空气质量监测系统的开发变得意义非凡。空气污染的概念是极其广泛的。
空气污染物类型极其广泛，包含颗粒物、烟尘、粉尘还有各种有害气体，如一氧化碳、二氧化硫、臭氧等等[2]。有研究表明，环境污染已经成为了现代人身体健康的隐形杀手之一，甲醛、苯、氨等都会危害人们的身体健康。2013年来，大众开始关注对PM2.5对人们健康的影响，所以，近年来，PM2.5已经成为大众关注的重点[3]。
近些年来，在我国的部分地区，较为严重的天气现象便是霾天气[4]。由于工业化、城市化和交通运输的迅猛发展，空气污染物的排放迅猛增加，由于城市化，城区的风速减小，加剧了空气污染的浓度和持续时间，霾已经成为了制约城市可持续发展的重要因素并严重影响了人们的生活。世界卫生组织（WHO）的调查显示，到了冬天，北京每天都是爆表500。
随着工业的迅猛发展，人们对资源的需求持续上升，工业生产、煤炭燃烧和汽车尾气的排放等产生了大量的颗粒物，严重的雾霾天气就是这样形成的。目前，人们很多呼吸道疾病都是由大量的悬浮颗粒物导致的，严重的会引发哮喘和支气管炎，最严重的还会导致肺癌[5]。2013年起，PM2.5这个词汇一下子跃入人们眼帘，街头巷尾都在议论这个话题，我们也逐渐开始了解阴沉天气产生的原因[6]。由于PM2.5能够长时间均匀的悬浮在空气中，使得能见度很低，空气浑浊，对人体健康和环境的质量影响很大。早在1997年，美国便将PM2.5列为空气质量的重要标准之一；而我国在2011年才将PM2.5纳入常规空气质量评价，当前，我国对PM2.5的监测还较为落后，不能在全国范围内实现，因此，空气质量监测系统的开发意义非凡[7]。
纵观历史，在第一次工业革命和第二次工业革命的时期，欧洲的英国和德国在历史上就曾有过在雾霾统治的时期，国家一度陷入恐慌，每天都有人因呼吸感染而死亡，然而，当时科学发展并不先进，而不能即使采取有效的手段控制雾霾天气，只能慢慢改变环境，改变发展方式，调节发展速度，才逐步解决这个问题。由此看来，在科技发达的今天，我们急切的需要采取手段来预测和防范这个问题[8]。
1．2 研究现状和发展趋势
空气污染问题是我国目前面临的最现实，最严重的问题之一。传统的测量方式是实验室方法，这种方法从取样到分析有一段时间，实时性差，而这种测量方法费用较高，在科技发展的今天，这种方法并不提倡。
实时监测系统的研究在近年来得到了广泛关注[9]。空气污染指数可以间接表示空气污染程度，是在城市的各个地区24小时监测的一个指数，人们可以通过空气污染指数大概了解污染物浓度[10]。
传统的空气质量监测仪器主要有两种: 第一种为人工监测，即用手持监测仪到指定位置采集，这种方法工作量大，耗时耗钱，且效率低下；还有一种为分布式有线监测，这种方法布线复杂，扩展能力差，要监测远距离的空气质量，代价过高，因此，这种方法现在也不提倡[11]。
现有的空气质量检测仪主要是以小空间，单点为前提，对空气中的湿度、温度、空气中污染物的浓度进行监测，无法满足像大型商场，学校，图书馆等大空间，大范围的场合进行多点实时监测的要求。而且，传统的检测方法为有线传输，有成本高，环境局限性大，布线复杂等缺点。随着无线通讯技术的迅猛发展，传输效率提高，方式简单，占用空间小等优点，无线通讯技术正步入自动控制领域。近年来，部分企业正在研究无线空气质量检测系统，然而系统价格昂贵，不能适应大空间的监测，所以普遍性低，实用性差[12]。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 工作安排 2
2 分布式无线空气质量监测系统的总体设计 2
2.1 分布式无线空气质量监测系统的设计思想 3
2.2 总体功能 3
3 硬件设计 4
3.1 总体框图 4
3.2 核心控制器STC89C52RC 4
3.3 RS232电路 6
3.4 PM2.5传感器电路 6
3.5 CO检测电路 7
3.6 nRF24L01无线收发系统 9
3.7 电源电路 11
3.8 电子显示屏电路 12
3.9 系统总体设计 12
4 分布式无线空气质量监测系统软件设计 13
4.1 编写语言的选择 13
4.2 主程序 13
4.3 PM2.5数据采集子程序模块 15
4.4 CO数据采集子程序模块 17
4.5 串口通信子程序模块 18
4.6无线收发子程序模块 19
4.7定时器程序设计模块 21 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
4.8 液晶显示子程序模块 21
5 软硬件联调 22
5.1 初始化状态 23
5.2 正常显示状态 23
5.3 异常显示状态 24
总 结 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附录A 总硬件电路图 31
附录B 印刷电路图 32
附录C 程序代码 33 1 绪论
1．1 课题研究背景和意义
当今社会，环境保护的形势日益严峻。随着工业的崛起，城市人口的持续增长以及交通尾气的持续上升，使得空气污染问题日益严重[1]。加之，随着经济的发展，人们生活水平得到提高，人们对健康，品质的生活更加向往，对自己所处的环境以及空气质量要求愈来愈高。空气质量监测系统的开发变得意义非凡。空气污染的概念是极其广泛的。
空气污染物类型极其广泛，包含颗粒物、烟尘、粉尘还有各种有害气体，如一氧化碳、二氧化硫、臭氧等等[2]。有研究表明，环境污染已经成为了现代人身体健康的隐形杀手之一，甲醛、苯、氨等都会危害人们的身体健康。2013年来，大众开始关注对PM2.5对人们健康的影响，所以，近年来，PM2.5已经成为大众关注的重点[3]。
近些年来，在我国的部分地区，较为严重的天气现象便是霾天气[4]。由于工业化、城市化和交通运输的迅猛发展，空气污染物的排放迅猛增加，由于城市化，城区的风速减小，加剧了空气污染的浓度和持续时间，霾已经成为了制约城市可持续发展的重要因素并严重影响了人们的生活。世界卫生组织（WHO）的调查显示，到了冬天，北京每天都是爆表500。
随着工业的迅猛发展，人们对资源的需求持续上升，工业生产、煤炭燃烧和汽车尾气的排放等产生了大量的颗粒物，严重的雾霾天气就是这样形成的。目前，人们很多呼吸道疾病都是由大量的悬浮颗粒物导致的，严重的会引发哮喘和支气管炎，最严重的还会导致肺癌[5]。2013年起，PM2.5这个词汇一下子跃入人们眼帘，街头巷尾都在议论这个话题，我们也逐渐开始了解阴沉天气产生的原因[6]。由于PM2.5能够长时间均匀的悬浮在空气中，使得能见度很低，空气浑浊，对人体健康和环境的质量影响很大。早在1997年，美国便将PM2.5列为空气质量的重要标准之一；而我国在2011年才将PM2.5纳入常规空气质量评价，当前，我国对PM2.5的监测还较为落后，不能在全国范围内实现，因此，空气质量监测系统的开发意义非凡[7]。
纵观历史，在第一次工业革命和第二次工业革命的时期，欧洲的英国和德国在历史上就曾有过在雾霾统治的时期，国家一度陷入恐慌，每天都有人因呼吸感染而死亡，然而，当时科学发展并不先进，而不能即使采取有效的手段控制雾霾天气，只能慢慢改变环境，改变发展方式，调节发展速度，才逐步解决这个问题。由此看来，在科技发达的今天，我们急切的需要采取手段来预测和防范这个问题[8]。
1．2 研究现状和发展趋势
空气污染问题是我国目前面临的最现实，最严重的问题之一。传统的测量方式是实验室方法，这种方法从取样到分析有一段时间，实时性差，而这种测量方法费用较高，在科技发展的今天，这种方法并不提倡。
实时监测系统的研究在近年来得到了广泛关注[9]。空气污染指数可以间接表示空气污染程度，是在城市的各个地区24小时监测的一个指数，人们可以通过空气污染指数大概了解污染物浓度[10]。
传统的空气质量监测仪器主要有两种: 第一种为人工监测，即用手持监测仪到指定位置采集，这种方法工作量大，耗时耗钱，且效率低下；还有一种为分布式有线监测，这种方法布线复杂，扩展能力差，要监测远距离的空气质量，代价过高，因此，这种方法现在也不提倡[11]。
现有的空气质量检测仪主要是以小空间，单点为前提，对空气中的湿度、温度、空气中污染物的浓度进行监测，无法满足像大型商场，学校，图书馆等大空间，大范围的场合进行多点实时监测的要求。而且，传统的检测方法为有线传输，有成本高，环境局限性大，布线复杂等缺点。随着无线通讯技术的迅猛发展，传输效率提高，方式简单，占用空间小等优点，无线通讯技术正步入自动控制领域。近年来，部分企业正在研究无线空气质量检测系统，然而系统价格昂贵，不能适应大空间的监测，所以普遍性低，实用性差[12]。
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