基于单片机的空气质量监测仪设计
基于单片机的空气质量监测仪设计[20200419160345]
摘 要
空气质量一向是广大民众所关心的问题，人们也很迫切地想知道自己所生活环境的空气质量。基于此背景，本课题提出了一种基于单片机的空气质量监测仪设计思路。该监测仪的硬件部分主要包括气体传感器、温湿度传感器、声光报警电路、输入键盘、液晶显示、电源以及核心系统模块等，软件部分主要包括键盘输入程序、数模转换程序、声光报警程序以及显示程序等。通过将软硬件有效的结合，实现了对一氧化碳气体浓度和当时温湿度的测量，同时还具有浓度以及温湿度超标报警等功能。本监测仪具有成本低、功能丰富的特点，具有一定的应用前景。
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关键字:空气质量监测仪单片机一氧化碳
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景 1
1.2课题研究的现状及主要内容 1
2.空气质量监测仪的总体结构设计 3
2.1总体设计分析 3
2.2空气质量监测仪的总体结构设计 3
2.3空气质量监测仪的系统简介 4
3.空气质量监测仪的硬件设计 5
3.1主控制电路设计 5
3.2信息采集电路设计 5
3.3按键电路设计 7
3.4显示电路设计 7
3.5声光报警电路的设计 9
3.6供电电路的设计 9
4.空气质量监测仪的软件设计 10
4.1软件总体设计 10
4.2信息采集模块软件设计 11
4.3时间显示模块软件设计 13
4.4时间和报警值存储模块软件设计 14
4.5 1602液晶显示模块软件设计 14
4.6报警模块软件设计 15
5.系统的调试 16
5.1系统的软件调试 16
5.2 系统的硬件调试 17
5.3系统调试中问题及解决方法 18
6. 总结 21
6.1 课题设计总结 21
6.2 存在的不足及发展方向 21
参考文献 22
附录 23
附录一 Protues工作界面 23
附录二 系统硬件电路图 24
附录三 空气质量监测仪实物图 25
致谢 26
1.绪论
1.1课题研究的背景
空气质量的好坏是由空气中污染物浓度的高低来决定的，空气质量主要受到来自固定污染源以及人为排放污染物大小的影响。空气质量检测种类主要由室内和室外两部分组成，室内包括房屋装修污染、室内办公场所空气检测等，室外则包括锅炉大气检测、工厂排放的工业废气检测等。
由于环境污染的日益严重，国家颁布以及实施了各种环境保护政策法规，各级地方政府也因此对辖区内的环境治理日益重视，同时，加大了对环境监测及应急监测的投资力度，各地区陆续规划安装了大气环境质量监测站。但是监测站局限于对本地区平均空气质量的检测，而对于城市流动环境监测以及产生污染物的重点企业则应该选择便携式的空气质量监测仪，它和监测站相比更加的方便而且更快捷。
因此空气质量监测仪对于监测我们所生活的小范围环境质量是一项比较成功的发明，它让人们了解到自己的生活环境是否是符合自己理想的标准。此监测仪被应用到很多的场合，例如室内污染物的监测、大气污染物的监测等，它能让我们直观的知道自己所在环境是否对自己的身体有害。
1.2课题研究的现状及主要内容
随着工业化发展进程的不断加快，环境空气监测已经能够实现实时的监测，据不完全统计，在我国现阶段空气质量检测已经覆盖了1800多个市、县，2000年，47个环保重点建设城市中仅仅只有25个城市建立了空气自动监测站,创建全天不间断采样系统的监测站却只有22个，很大程度上的降低了空气环境监测的准确性。2004年, 有42 座城市等待建设空气自动监测站，其他城市由于专业设备和人才的缺失,只能采用传统的“五日法”来进行监测，使得监测的项目具有很大的局限性，监测常规指标为二氧化硫 、二氧化氮 、PM10和气象5参数，监测特异指标为一氧化碳、氨气、总烃、苯、二甲苯等。观察我国环境空气监测工作现状，相较于世界先进水平依然具有一定的差距，为了更好地保证监测数据的代表性、精确性和完整性，首先应该抓紧空气自动监测站的建设，其次在监测技术上也做出相应的改进和完善。
而在人们的日常生活中，大家也希望能够实时地了解自己生活环境质量的好坏，这样就使得空气质量监测仪在进行不断的改进，从以前的精度不是特别的准确、使用起来也很不便，到现在的监测精确、快捷的使用方法，空气质量监测仪在不断朝大众化的方向发展。人们也越来越希望这样的一个监测仪能够很快地走进大家的日常生活中，方便广大民众的使用。
本课题就根据将空气质量监测仪带入到大家日常生活中的想法，提出了一种基于单片机的空气质量监测仪设计的思路，其主要研究内容如下：
（1）首先根据空气质量监测仪的设计要求，提出总体的设计思路，进行相应的分析，然后规划出整体的设计结构框图，再根据现实要求修改出最终的设计方案。
（2）根据最终选定的方案，考虑到设计的目的和意义，并根据实际的条件来选择相应的芯片、传感器以及其它所要用到的元器件。
（3）硬件方面要尽量降低成本，但不能一味地降低，要考虑到元器件的实用性，还要考虑到整体电路的功耗，并且要有人机交互界面，方便操作以及显示数据的有效读取。
（4）软件方面要求程序简单、实用并且容易让人读懂，这样编译起来比较容易，后期的调试和修改也十分的方便。
（5）调试部分包括软件调试和硬件调试两个部分。软件调试通过相应的Proteus仿真软件来进行，但软件调试存在一定的不足，因为软件中所使用的元器件与实物有一定的差异，这样就使我们还必须要进行相应的硬件调试。硬件调试根据实物产生的问题直接在程序上进行相应的修改，然后将程序加载到单片机芯片中，完成最终的调试。
2.空气质量监测仪的总体结构设计
空气质量监测仪被应用的领域很广泛，因此设计的方法也很多。在本次设计的过程中要考虑到此监测仪的功能以及各种系统设计因素，例如功能部分要考虑所测气体的类型，以及超标后发生的现象。在软硬件设计方面则要考虑到硬件的成本，软件的简单易懂等等。
2.1总体设计分析
在完成空气质量监测仪的设计之前要分析各方面的设计因素，例如单片机芯片的选择、传感器的选择以及完成设计项目的成本等，需要通过各方面的分析，才能使整个系统的设计更加的流畅。
对于单片机芯片的选择，在设计过程中通过对数据处理的工作量、所承受的功耗以及使用方便等各个方面的分析，来最终选择合适的单片机芯片。对于传感器的选择需要考虑到一定的成本、功耗和使用方便等，例如温湿度传感器在选择时考虑到使用的方便，选择了数字式温湿度传感器这种成本不高使用便捷的传感器。在功耗方面考虑到需要给系统一个稳定的供电，使用了USB供电的方式，这样的供电方式更加的稳定。
2.2空气质量监测仪的总体结构设计
本课题将有害气体的浓度和所在环境的空气温湿度监测，报警与显示结合在一起，利用单片机进行数据采集，保证了数据的及时性和准确性，有利于全方位的评价。系统的电路采用USB供电，十分稳定。同时使用LCD1602进行数据显示，具有良好的人机交互界面。系统框图如下图2-1所示
图2-1 系统框图
从图2-1中可以看出：整个空气质量监测仪的系统由电源电路负责供电；显示模块使用LCD1602液晶显示屏，用来接收单片机I/O口所输出的控制信号，实时显示监测仪的操作信息，比如气体浓度、温湿度、报警时间等；气体传感器检测到所测气体电压信号的变化通过数模转换产生成单片机所能接收的数字信号，经过单片机内部程序的处理在液晶屏上显示出气体浓度；数字式温湿度传感器直接发送数字信号到单片机内部，然后经过处理在液晶屏上显示温度和湿度；声光报警电路直观地让人知道报警的发生，并且存储到单片机内部的存储部分；按键输入部分通过按键的切换使用来切换液晶显示界面数值的显示。
摘 要
空气质量一向是广大民众所关心的问题，人们也很迫切地想知道自己所生活环境的空气质量。基于此背景，本课题提出了一种基于单片机的空气质量监测仪设计思路。该监测仪的硬件部分主要包括气体传感器、温湿度传感器、声光报警电路、输入键盘、液晶显示、电源以及核心系统模块等，软件部分主要包括键盘输入程序、数模转换程序、声光报警程序以及显示程序等。通过将软硬件有效的结合，实现了对一氧化碳气体浓度和当时温湿度的测量，同时还具有浓度以及温湿度超标报警等功能。本监测仪具有成本低、功能丰富的特点，具有一定的应用前景。
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关键字:空气质量监测仪单片机一氧化碳
目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景 1
1.2课题研究的现状及主要内容 1
2.空气质量监测仪的总体结构设计 3
2.1总体设计分析 3
2.2空气质量监测仪的总体结构设计 3
2.3空气质量监测仪的系统简介 4
3.空气质量监测仪的硬件设计 5
3.1主控制电路设计 5
3.2信息采集电路设计 5
3.3按键电路设计 7
3.4显示电路设计 7
3.5声光报警电路的设计 9
3.6供电电路的设计 9
4.空气质量监测仪的软件设计 10
4.1软件总体设计 10
4.2信息采集模块软件设计 11
4.3时间显示模块软件设计 13
4.4时间和报警值存储模块软件设计 14
4.5 1602液晶显示模块软件设计 14
4.6报警模块软件设计 15
5.系统的调试 16
5.1系统的软件调试 16
5.2 系统的硬件调试 17
5.3系统调试中问题及解决方法 18
6. 总结 21
6.1 课题设计总结 21
6.2 存在的不足及发展方向 21
参考文献 22
附录 23
附录一 Protues工作界面 23
附录二 系统硬件电路图 24
附录三 空气质量监测仪实物图 25
致谢 26
1.绪论
1.1课题研究的背景
空气质量的好坏是由空气中污染物浓度的高低来决定的，空气质量主要受到来自固定污染源以及人为排放污染物大小的影响。空气质量检测种类主要由室内和室外两部分组成，室内包括房屋装修污染、室内办公场所空气检测等，室外则包括锅炉大气检测、工厂排放的工业废气检测等。
由于环境污染的日益严重，国家颁布以及实施了各种环境保护政策法规，各级地方政府也因此对辖区内的环境治理日益重视，同时，加大了对环境监测及应急监测的投资力度，各地区陆续规划安装了大气环境质量监测站。但是监测站局限于对本地区平均空气质量的检测，而对于城市流动环境监测以及产生污染物的重点企业则应该选择便携式的空气质量监测仪，它和监测站相比更加的方便而且更快捷。
因此空气质量监测仪对于监测我们所生活的小范围环境质量是一项比较成功的发明，它让人们了解到自己的生活环境是否是符合自己理想的标准。此监测仪被应用到很多的场合，例如室内污染物的监测、大气污染物的监测等，它能让我们直观的知道自己所在环境是否对自己的身体有害。
1.2课题研究的现状及主要内容
随着工业化发展进程的不断加快，环境空气监测已经能够实现实时的监测，据不完全统计，在我国现阶段空气质量检测已经覆盖了1800多个市、县，2000年，47个环保重点建设城市中仅仅只有25个城市建立了空气自动监测站,创建全天不间断采样系统的监测站却只有22个，很大程度上的降低了空气环境监测的准确性。2004年, 有42 座城市等待建设空气自动监测站，其他城市由于专业设备和人才的缺失,只能采用传统的“五日法”来进行监测，使得监测的项目具有很大的局限性，监测常规指标为二氧化硫 、二氧化氮 、PM10和气象5参数，监测特异指标为一氧化碳、氨气、总烃、苯、二甲苯等。观察我国环境空气监测工作现状，相较于世界先进水平依然具有一定的差距，为了更好地保证监测数据的代表性、精确性和完整性，首先应该抓紧空气自动监测站的建设，其次在监测技术上也做出相应的改进和完善。
而在人们的日常生活中，大家也希望能够实时地了解自己生活环境质量的好坏，这样就使得空气质量监测仪在进行不断的改进，从以前的精度不是特别的准确、使用起来也很不便，到现在的监测精确、快捷的使用方法，空气质量监测仪在不断朝大众化的方向发展。人们也越来越希望这样的一个监测仪能够很快地走进大家的日常生活中，方便广大民众的使用。
本课题就根据将空气质量监测仪带入到大家日常生活中的想法，提出了一种基于单片机的空气质量监测仪设计的思路，其主要研究内容如下：
（1）首先根据空气质量监测仪的设计要求，提出总体的设计思路，进行相应的分析，然后规划出整体的设计结构框图，再根据现实要求修改出最终的设计方案。
（2）根据最终选定的方案，考虑到设计的目的和意义，并根据实际的条件来选择相应的芯片、传感器以及其它所要用到的元器件。
（3）硬件方面要尽量降低成本，但不能一味地降低，要考虑到元器件的实用性，还要考虑到整体电路的功耗，并且要有人机交互界面，方便操作以及显示数据的有效读取。
（4）软件方面要求程序简单、实用并且容易让人读懂，这样编译起来比较容易，后期的调试和修改也十分的方便。
（5）调试部分包括软件调试和硬件调试两个部分。软件调试通过相应的Proteus仿真软件来进行，但软件调试存在一定的不足，因为软件中所使用的元器件与实物有一定的差异，这样就使我们还必须要进行相应的硬件调试。硬件调试根据实物产生的问题直接在程序上进行相应的修改，然后将程序加载到单片机芯片中，完成最终的调试。
2.空气质量监测仪的总体结构设计
空气质量监测仪被应用的领域很广泛，因此设计的方法也很多。在本次设计的过程中要考虑到此监测仪的功能以及各种系统设计因素，例如功能部分要考虑所测气体的类型，以及超标后发生的现象。在软硬件设计方面则要考虑到硬件的成本，软件的简单易懂等等。
2.1总体设计分析
在完成空气质量监测仪的设计之前要分析各方面的设计因素，例如单片机芯片的选择、传感器的选择以及完成设计项目的成本等，需要通过各方面的分析，才能使整个系统的设计更加的流畅。
对于单片机芯片的选择，在设计过程中通过对数据处理的工作量、所承受的功耗以及使用方便等各个方面的分析，来最终选择合适的单片机芯片。对于传感器的选择需要考虑到一定的成本、功耗和使用方便等，例如温湿度传感器在选择时考虑到使用的方便，选择了数字式温湿度传感器这种成本不高使用便捷的传感器。在功耗方面考虑到需要给系统一个稳定的供电，使用了USB供电的方式，这样的供电方式更加的稳定。
2.2空气质量监测仪的总体结构设计
本课题将有害气体的浓度和所在环境的空气温湿度监测，报警与显示结合在一起，利用单片机进行数据采集，保证了数据的及时性和准确性，有利于全方位的评价。系统的电路采用USB供电，十分稳定。同时使用LCD1602进行数据显示，具有良好的人机交互界面。系统框图如下图2-1所示
图2-1 系统框图
从图2-1中可以看出：整个空气质量监测仪的系统由电源电路负责供电；显示模块使用LCD1602液晶显示屏，用来接收单片机I/O口所输出的控制信号，实时显示监测仪的操作信息，比如气体浓度、温湿度、报警时间等；气体传感器检测到所测气体电压信号的变化通过数模转换产生成单片机所能接收的数字信号，经过单片机内部程序的处理在液晶屏上显示出气体浓度；数字式温湿度传感器直接发送数字信号到单片机内部，然后经过处理在液晶屏上显示温度和湿度；声光报警电路直观地让人知道报警的发生，并且存储到单片机内部的存储部分；按键输入部分通过按键的切换使用来切换液晶显示界面数值的显示。
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