目錄

第一章、概述

1.1、設計的主要內容和意義

1.1.1、設計的主要內容

1.1.2、設計的主要意義

第二章、主控制器及主要器件

2.1、STC89C51單片機

2.2、A/D轉換芯片ADC0832

2.3、1602LCD液晶顯示屏

2.4、夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F

第三章、硬件電路設計

3.1、電路設計框圖

3.2、系統概述

3.3、單片機最小系統

3.4、粉塵傳感器電路設計

3.6、LCD顯示模塊設計

第四章、程序設計及軟件應用

4.1、主程序設計

4.2、主要子函數的設計

4.3、keil的應用

4.4、protel99se的應用

4.5、Proteus的應用

第五章、總結

致謝

參考文獻

摘  要

因為空氣質量的惡化，陰霾天氣現象出現增多，危害現象加重。中國不少地區把陰霾天氣現象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統稱為“霧霾天氣”。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。有關霧霾的重大事件層出不窮，如1952年倫敦煙霧事件，倫敦殺人霧在四天內奪走了4000多條人命；還有2013年初北京肆虐橫行的霧霾事件，轟動一時。因此，對PM2.5的測量顯得越來越重要。本設計采用STC89C51單片機為控制中心，由GP2Y1010AU0F灰塵傳感器測量空氣粉塵濃度，LCD1602顯示屏顯示當前空氣粉塵濃度。并會根據設置好的報警值報警提示，對應顏色指示燈點亮，該系統電路簡單、工作穩定、集成度高，調試方便，測試精度高，具有一定的實用價值。

1概述

1.1 設計的主要內容和意義

本設計提出的檢測空氣質量PM2.5的方案最基本的實現方法是由單片機、粉塵監測傳感器、顯示模塊、報警模塊等組成的電路， GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集空氣中PM2.5的濃度值，經過STC89C51單片機處理后，在LCD1602液晶上顯示，并通過LED和蜂鳴器提示濃度狀態。

21世紀的今天，科學技術的發展日新月異，科學技術的進步同時也帶動了測量技術的發展，現代控制設備不同于以前，它們在性能和結構發生了翻天覆地的變化。我們已經進入了高速發展的信息時代，測量技術是當今社會的主流，廣泛地深入到應用工程的各個領域。

因為空氣質量的惡化，陰霾天氣現象出現增多，危害現象加重。中國不少地區把陰霾天氣現象并入霧一起作為災害性天氣預警預報。統稱為“霧霾天氣”。霧霾主要由PM2.5、PM10、PM0.1以及重金屬鎳砷鉻鉛等顆粒組成。在空氣動力學和環境氣象學中，顆粒物是按直徑大小來分類的，粒徑小于100微米的稱為TSP(TotalSuspendedParticle)，即總懸浮物顆粒；粒徑小于10微米的稱為PM10(PM為ParticulateMatter縮寫)，即可吸入顆粒物；粒徑小于2.5微米的稱為PM2.5，即可入肺顆粒物，它的直徑僅相當于人的頭發絲粗細的1/20。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它與較粗的大氣顆粒物相比，粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量影響更大。

世界衛生組織發布的報告顯示，無論是發達國家還是發展中國家，目前大多數城市和農村人口均遭受到顆粒物對健康的影響。高污染城市中的死亡率超出相對清潔城市的15%至20%。據統計，在歐洲，PM2.5每年導致386000人死亡，并使歐盟國家人均期望壽命減少8.6個月。人體的生理結構決定了對PM2.5沒有任何過濾、阻攔能力，而PM2.5對人類健康的危害卻隨著醫學技術的進步，逐步暴露出其恐怖的一面。氣象專家和醫學專家認為，由細顆粒物造成的灰霾天氣對人體健康的危害甚至要比沙塵暴更大。粒徑10微米以上的顆粒物，會被擋在人的鼻子外面；粒徑在2.5微米至10微米之間的顆粒物，能夠進入上呼吸道，但部分可通過痰液等排出體外，另外也會被鼻腔內部的絨毛阻擋，對人體健康危害相對較小；而粒徑在2.5微米以下的細顆粒物，直徑相當于人類頭發的1/10大小，不易被阻擋。被吸入人體后會直接進入支氣管，刺激呼吸道，干擾肺部的氣體交換，從而引發咳嗽、呼吸困難、哮喘、慢性支氣管炎等呼吸系統的疾病并導致心律不齊、非致命性心臟病等心血管方面的疾病。其中，老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。因此，對PM2.5的監測與治理便顯得越來越重要。

2 主控制器及主要器件

2.1 STC89C51單片機

STC89C51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k BytesISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的STC89C51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。

STC89C51具有以下標準功能:8k字節Flash，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及晶振電路。另外，STC89C51可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。內部數據存儲器的高128個單元是為專用寄存器提供的，因此該區也稱作特殊功能寄存器（SFR），它們主要用于存放控制命令、狀態或數據。除去程序計數器PC外，還有21個特殊功能寄存器，其地址空間為80H～FFH。這21個寄存器中有11個特殊功能寄存器具有位尋址能力，它們的字節地址剛好能被8整除。STC89C51是一個高效的微型計算機。它的應用范圍廣，可用于解決復雜的控制問題，且成本較低。其結構框圖如圖2.1所示。

圖2.1 STC89C51結構框圖

圖2.2 STC89C51引腳圖

按照功能，STC89C51的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能I/O口、控制和復位等。

多功能I/O口：

STC89C51共有四個8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，對應的引腳分別是P0.0 ～ P0.7，P1.0 ～ P1.7，P2.0 ～ P2.7，P3.0 ～ P3.7，共32根I/O線。每根線可以單獨用作輸入或輸出。

①P0端口，該口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動8個TTL輸入負載。當把“1”寫入P0時，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當對外部程序或數據存儲器進行存取時，P0可用作多路復用的低字節地址/數據總線，在該模式，P0口擁有內部上拉電阻。在對Flash存儲器進行編程時，P0用于接收代碼字節；在校驗時，則輸出代碼字節；此時需要外加上拉電阻。

②P1端口，該口是帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P1口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對Flash編程和程序校驗時，P1口接收低8位地址。

另外，P1.0與P1.1可以配置成定時/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2.3所示。

表2.1  P1口管腳復用功能

③ P2端口，該口是帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P2口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P2口作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位的外部數據存儲器時，P2口送出高8位地址，在訪問8位地址的外部數據存儲器時，P2口引腳上的內容（就是專用寄存器（SFR）區中P2寄存器的內容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash編程和程序校驗期間，P2口也接收高位地址或一些控制信號。

④ P3端口，該口是帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P3口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P3口作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在STC89C51中，同樣P3口還用于一些復用功能，如表2.4所列。在對Flash編程和程序校驗期間，P3口還接收一些控制信號。

表2.2 P3端口引腳與復用功能表

RST：復位輸入端。在振蕩器運行時，在此腳上出現兩個機器周期的高電平將使其單片機復位�？撮T狗定時器（Watchdog）溢出后，該引腳會保持98個振蕩周期的高電平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO位的默認狀態，是復位高電平輸出功能使能。

ALE/PROG：地址鎖存允許信號。在存取外部存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低字節地址。在對Flash存儲器編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖PROG。一般情況下，ALE是振蕩器頻率的6分頻信號，可用于外部定時或晶振。但是，在對外部數據存儲器每次存取中，會跳過一個ALE脈沖。在需要時，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置為“1”，從而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令執行時ALE才被激活。在單片機處于外部執行方式時，對ALE屏蔽位置“1”并不起作用。

PSEN：程序存儲器允許信號。它用于讀外部程序存儲器。當STC89C51在執行來自外部存儲器的指令時，每一個機器周期PSEN被激活2次。在對外部數據存儲器的每次存取中，PSEN的2次激活會被跳過。

EA/Vpp：外部存取允許信號。為了確保單片機從地址為0000H～FFFFH的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果鎖定位1被編程，則EA在復位時被鎖存。當執行內部程序時，EA應接到Vcc。在對Flash存儲器編程時，這條引腳接收12V編程電壓Vpp。

XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入，內部晶振工作電路的輸入。

XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出。

2.2 A/D轉換芯片ADC0832

ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡迎，

其目前已經有很高的普及率。學習并使用 ADC0832 可是使我們了解 A/D 轉換器的原理，有助于我們單片機技術水平的提高。

ADC0832 具有以下特點：

①8 位分辨率；

②雙通道 A/D 轉換；

③輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容；

④5V 電源供電時輸入電壓在 0~5V 之間；

⑤工作頻率為 250KHZ，轉換時間為 32μS；

⑥一般功耗僅為 15mW；

⑦8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；

芯片頂視圖：

                                       圖2.3

芯片接口說明：

CS_：片選使能，低電平芯片使能。

CH0：模擬輸入通道 0，或作為 IN+/-使用。

CH1：模擬輸入通道 1，或作為 IN+/-使用。

GND：芯片參考 0 電位（地）。

DI：數據信號輸入，選擇通道控制。

DO：數據信號輸出，轉換數據輸出。

CLK：芯片晶振輸入。

Vcc/REF：電源輸入及參考電壓輸入（復用）。

ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉換芯片，其最高分辨可達 256 級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。芯片轉換時間僅為 32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。

2.3 1602LCD液晶顯示屏

LCD顯示器分為字段顯示和字符顯示兩種。其中字段顯示與LED顯示相似，只要送對應的信號到相應的管腳就能顯示。字符顯示是根據需要顯示基本字符。本設計采用的是字符型顯示。系統中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統的LED數碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等優點，而且不需要外加驅動電路，現在液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的顯示器件了。LCD1602可以顯示2行16個漢字。

LCD1602主要技術參數

顯示容量為16×2個字符；

芯片工作電壓為4.5～5.5V；

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為液晶顯示器對比度調整端。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。

第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。

第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。

第15～16腳：空腳

3.1.3控制指令說明

1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，如3.8表所示：

表2.3控制命令表

1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H，光標復位到地址00H位置

指令2：光標復位，光標返回到地址00H

指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效

指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍

指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標

指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符

指令7：字符發生器RAM地址設置

指令8：DDRAM地址設置

指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數據

指令11：讀數據

2.4 夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F

日本夏普公司灰塵傳感器GP2Y1010AU，體積小巧，靈敏度高，可以用來測量0.8微米以上的微小粒子，可用于室內環境中煙氣、粉塵、花粉等濃度的檢測。此款產品不但可以檢測出單位體積粒子的絕對個數，而且內置氣流發生器，可以自行吸入外部空氣�；覊m傳感器GP2Y1010AU安裝保養方便，使用壽命長，精度高，穩定性好。其內部對角安放著紅外線發光二極管和光電晶體管，使得其能夠探測到空氣中塵埃反射光，即使非常細小的如煙草煙霧顆粒也能夠被檢測到，通常在空氣凈化系統中應用。該傳感器具有非常低的電流消耗（最大20mA，典型值11mA），可使用高達7VDC。該傳感器輸出為模擬電壓，其值與粉塵濃成正比。      

圖2.4 夏普灰塵傳感器GP2Y1010AU0F

傳感器內部結構

                                     圖2.5

應用領域：

1、空氣凈化器和空氣清新機；

2、空調；

3、空氣質量監控儀；

4、空調等相關產品。

主要參數：

靈敏度：0.5V/(0.1mg/m3)

輸出電壓：0.9V(TYP)

消耗電流：11mA

工作溫度：-10~65℃

存儲溫度：-20~80℃

2.5 蜂鳴器

該設計有報警電路，當濃度超過設置的報警上限時，單片機控制蜂鳴器鳴響提醒超限，控制引腳接在P3.7引腳上，利用三極管當做開關電路可以保護單片機，還可以起到放大電流的作用，當三極管基極為高電平時，發射極截止，為低電平時，發射極導通。報警模塊如圖12所示。

圖2.6 聲音報警模塊

3 硬件電路設計

3.1 電路設計框圖

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系統的組成結構如下：

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圖3.1

3.2 系統概述

本電路是由STC89C51單片機為控制核心，另外主要通過5個模塊的電路設計實現功能，他們分別是LCD顯示模塊、粉塵傳感器、A/D轉換、蜂鳴器電路、LED指示電路。

系統原理圖如下

                                    圖3.2

3.3 單片機最小系統

單片機的最小系統就是讓單片機能正常工作并發揮其功能時所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統。對51系列單片機來說， 最小系統一般應該包括： 單片機、晶振電路、復位電路、輸入/ 輸出設備等。

單片機最小系統框圖

                                  圖3.3

晶振電路:

在設計晶振電路之前，讓我們先了解下51單片機上的晶振管腳：

XTAL1（19 腳） ：芯片內部振蕩電路輸入端。

XTAL2（18 腳） ：芯片內部振蕩電路輸出端。

XTAL1 和XTAL2 是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內振蕩器，或者是器件直接由外部晶振驅動。圖3中采用的是內晶振模式，即采用利用芯片內部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2 的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內部振蕩器便能產生自激振蕩。一般來說晶振可以在1.2 ～ 12MHz 之間任選，甚至可以達到24MHz 或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。在本實驗套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并聯的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調作用。當采用石英晶振時，電容可以在20 ～ 40pF 之間選擇（本實驗套件使用30pF）；當采用陶瓷諧振器件時，電容要適當地增大一些，在30 ～ 50pF 之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。

圖3.4晶振電路圖

復位電路:

在單片機系統中,復位電路是非常關鍵的，當程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就需要進行復位。

MCS-5l 系列單片機的復位引腳RST（ 第9管腳） 出現2個機器周期以上的高電平時，單片機就執行復位操作。如果RST持續為高電平，單片機就處于循環復位狀態。

復位操作通常有兩種基本形式：上電自動復位和開關復位 。上電瞬間 ，電容兩端電壓不能突變 ,此時電容的負極和 RESET 相連，電壓全部加在了電阻上，RESET 的輸入為高，芯片被復位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0 ,芯片正常工作。并聯在電容的兩端為復位按鍵，當復位按鍵沒有被按下的時候電路實現上電復位，在芯片正常工作后 ，通過按下按鍵使RST管腳出現高電平達到手動復位的效果。

復位電路圖如圖所示：

                              圖3.5 復位電路圖

EA/VPP（31 腳）的功能和接法:

51 單片機的EA/VPP（31 腳） 是內部和外部程序存儲器的選擇管腳。當EA 保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器；當EA保持低電平時，則不管是否有內部程序存儲器，只訪問外部存儲器。

對于現今的絕大部分單片機來說，其內部的程序存儲器（一般為flash容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內部的存儲器。

在本實驗套件中，EA 管腳接到了VCC 上，只使用內部的程序存儲器。這一點一定要注意，很多初學者常常將EA 管腳懸空,從而導致程序執行不正常。

P0口外接上拉電阻:

51 單片機的P0 端口為開漏輸出，內部無上拉電阻。所以在當做普通I/O 輸出數據時，由于V2 截止，輸出級是漏極開路電路，

另外，避免輸入時讀取數據出錯，也需外接上拉電阻。在這里簡要的說下其原因：在輸入狀態下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當從內部總線輸出低電平后，鎖存器Q ＝ 0， Q ＝ 1，場效應管V1 開通，端口線呈低電平狀態。此時無論端口線上外接的信號是低電平還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又如，當從內部總線輸出高電平后，鎖存器Q ＝ 1, Q ＝ 0,場效應管V1 截止.如外接引腳信號為低電平， 從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。所以當P0 口作為通用I/O 接口輸入使用時，在輸入數據前，應先向P0 口寫“1”，此時鎖存器的Q 端為“0”，使輸出級的兩個場效應管V1、V2 均截止,引腳處于懸浮狀態，才可作高阻輸入。

總結來說：為了能使P0 口在輸出時能驅動NMOS 電路和避免輸入時讀取數據出錯，需外接上拉電阻。在本實驗套件中采用的是外加一個10K 排阻。此外，51 單片機在對端口P0—P3 的輸入操作上，為避免讀錯，應先向電路中的鎖存器寫入“1”，使場效應管截止，以避免鎖存器為“0”狀態時對引腳讀入的干擾。

3.4 粉塵傳感器電路設計

根據粉塵傳感器GP2Y1010AU的規劃書中對管腳的描述：

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圖3.6

對應的管腳為：

圖3.7

故粉塵傳感器的電路設計如圖：

粉塵傳感器GP2Y1010AU通過對空氣粉塵顆粒濃度的檢測輸出模擬電壓，其值與粉塵濃度成正比。故在仿真原理圖中，我們用可變電阻設計的局部限壓電路代替傳感器：

3.5 A/D轉換

                                  圖3.9

CS_：片選使能，低電平芯片使能。

CH0：模擬輸入通道 0，或作為 IN+/-使用。

CH1：模擬輸入通道 1，或作為 IN+/-使用。

GND：芯片參考 0 電位（地）。

DI：數據信號輸入，選擇通道控制。

DO：數據信號輸出，轉換數據輸出。

CLK：芯片晶振輸入。

3.6 LCD顯示模塊設計

     系統中采用LCD1602作為顯示器件輸出信息。與傳統的LED數碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等優點，而且不需要外加驅動電路，根據各管腳的功能電路設計如下：

                             圖3.10

圖3.11

3.7  LED指示電路

4 程序設計及軟件應用

4.1 主程序設計

/********************************************************************

* 名稱 : Main()

* 功能 : 主函數

***********************************************************************/

void main()

{

              uchar h;

              uint sum;

    EA = 0;

              Timer0_Init();  //定時器0初始化

              EA = 1;

              RW=0;

              L1602_init();

              while(1)

              {

                            if (FlagStartRH == 1&&set==0)              //溫濕度轉換標志檢查

                            {

                                TR0 = 0;

                                          for(h=0;h<50;h++)

                                          {

                                                        DA=adc0832(0);

                                                        sum=sum+DA;

                                                        delay_ms(100);

                                                        Key();

                                          }

                                          DA=sum/50;

                                          sum=0;

                                          DA=DA*(float)(DA/5);

                                          ALARM();

                                          if(set==0)

                                          display();

                                          TR0 = 1;

                            }

                            Key();

                            ALARM();

              }

}

4.2 主要子函數的設計

除主程序外，程序設計中還定義了一些函數，方便主程序調用，主要有液晶初始化程序，顯示函數，報警顯示，報警子函數，A/D轉換函數等。以下主要介紹A/D轉換函數。

單片機對ADC0832 的控制原理：

正常情況下ADC0832 與單片機的接口應為 4條數據線，分別是 CS、CLK、DO、DI。但由于 DO端與 DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO 和 DI并聯在一根數據線上使用。（見圖 3）當 ADC0832未工作時其CS 輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK 和

DO/DI 的電平可任意。當要進行 A/D轉換時，須先將 CS使能端置于低電平并

且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯

片晶振輸入端 CLK 輸入晶振脈沖，DO/DI 端則使用 DI端輸入通道功能選擇的

數據信號。在第 1 個晶振脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平，表示啟始信號。

在第 2、3 個脈沖下沉之前 DI端應輸入 2位數據用于選擇通道功能，其功能項

見下表 。

表4.1                                    表4.2

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2017-5-10 19:38 上傳

如表 4.11 所示，當此 2 位數據為“1”、“0”時，只對 CH0 進行單通道轉換。

當 2 位數據為“1”、“1”時，只對 CH1進行單通道轉換。當 2 位數據為“0”、“0”時，將 CH0作為正輸入端 IN+，CH1作為負輸入端 IN-進行輸入。當 2位數據為“0”、“1”時，將 CH0作為負輸入端 IN-，CH1作為正輸入端 IN+進行輸入。到第 3 個脈沖的下沉之后 DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DO/DI端則開始利用數據輸出DO 進行轉換數據的讀取。從第4個脈沖下沉開始由 DO端輸出轉換數據最高位DATA7，隨后每一個脈沖下沉 DO端輸出下一位數據。直到第11個脈沖時發出最低位數據 DATA0，一個字節的數據輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節的數據，即從第 11個字節的下沉輸出 DATD0。隨后輸出 8位數據，到第 19 個脈沖時數據輸出完成，也標志著一次 A/D 轉換的結束。最后將 CS 置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數據進行處理就可以了。

                              圖4.1

作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是 0~5V且8位分辨率時的電壓精度為 19.53mV。如果作為由 IN+與 IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內，從而提高轉換的寬度。但值得注意的是，在進行 IN+與 IN-的輸入時，如果 IN-的電壓大于 IN+的電壓則轉換后的數據結果始終為00H。

圖4.2

實際程序設計代碼為：

/***********AD0832轉換程序******************/

uchar ADC0832(bit mode,bit channel)     //AD轉換，返回結果

{

              uchar i,dat,ndat;

              ADCS = 0;//拉低CS端

              _nop_();

              _nop_();

              ADDI = 1;              //第1個下降沿為高電平

              ADCLK = 1;//拉高CLK端

              _nop_();

              _nop_();

              ADCLK = 0;//拉低CLK端,形成下降沿1

              _nop_();

              _nop_();

              ADDI = mode;              //低電平為差分模式，高電平為單通道模式。            

              ADCLK = 1;//拉高CLK端

              _nop_();

              _nop_();

              ADCLK = 0;//拉低CLK端,形成下降沿2

              _nop_();

              _nop_();

              ADDI = channel;              //低電平為CH0，高電平為CH1            

              ADCLK = 1;//拉高CLK端

              _nop_();

              _nop_();

              ADCLK = 0;//拉低CLK端,形成下降沿3

              ADDI = 1;//控制命令結束(經試驗必需)

              dat = 0;

              //下面開始讀取轉換后的數據，從最高位開始依次輸出（D7~D0）

              for(i = 0;i < 8;i++)

              {

                            dat <<= 1;

                            ADCLK=1;//拉高晶振端

                            _nop_();

                            _nop_();

                            ADCLK=0;//拉低晶振端形成一次晶振脈沖

                            _nop_();

                            _nop_();

                            dat |= ADDO;

              }

              ndat = 0;                  //記錄D0

              if(ADDO == 1)

              ndat |= 0x80;

              //下面開始繼續讀取反序的數據（從D1到D7）

              for(i = 0;i < 7;i++)

              {

                            ndat >>= 1;

                            ADCLK = 1;//拉高晶振端

                            _nop_();

                            _nop_();

                            ADCLK=0;//拉低晶振端形成一次晶振脈沖

                            _nop_();

                            _nop_();

                            if(ADDO==1)

                            ndat |= 0x80;

              }               

              ADCS=1;//拉高CS端,結束轉換

              ADCLK=0;//拉低CLK端

              ADDI=1;//拉高數據端,回到初始狀態

              if(dat==ndat)

              return(dat);

              else

              return 0;  

}

4.3 keil的應用

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。       用過匯編語言后再使用C來開發，體會更加深刻。   Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。下面詳細介紹Keil C51開發系統各部分功能和使用。 Keil_c軟件界面如圖：

                                 圖4.3

該軟件是一款集編程和仿真于一體的軟件，它支持匯編、C語言及二者的混合編程。

4.4 protel99se的應用

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以網設計，具有很強的數據交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層。

Protel99SE軟件的特點：

• 可生成30多種格式的電氣連接網絡表；
• 強大的全局編輯功能；
• 在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；
• 同時運行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網絡
• 既可以進行正向注釋元器件標號（由原理圖到PCB），也可以進行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設計上的一致性；
• 滿足國際化設計要求（包括國標標題欄輸出，GB4728國標庫）；
• 方便易用的數�；旌戏抡妫�兼容SPICE 3f5）；
• 支持用CUPL語言和原理圖設計PLD，生成標準的JED下載文件；
• PCB可設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層；
• 強大的“規則驅動”設計環境，符合在線的和批處理的設計規則檢查；
• 智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；
• 提供大量的工業化標準電路板做為設計模版；
• 放置漢字功能；
• 可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件，實現和AutoCAD等軟件的數據交換；
• 智能封裝導航（對于建立復雜的PGA、BGA封裝很有用）；
• 方便的打印預覽功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印結果；
  

4.5 Proteus的應用

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。

它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。

圖4.4仿真圖

5 設計的應用

5.1 PM2.5簡介

PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5微米的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。它的直徑還不到人的頭發絲粗細的1/20。雖然PM2.5只是大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。與較大的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，富含大量的有毒、有害物質且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。2012年2月，國務院同意發布新修訂的《環境空氣質量標準》增加了PM2.5監測指標。

PM，英文全稱為particulate matter(顆粒物)�？茖W家用PM2.5表示每立方米空氣中這種顆粒的含量，這個值越高，就代表空氣污染越嚴重�？晌�入顆粒物又稱為PM10，指直徑大于2.5微米、等于或小于10微米，可以進入人的呼吸系統的顆粒物;總懸浮顆粒物也稱為PM100，即直徑小于或等于100微米的顆粒物

PM2.5 即細顆粒物，細顆粒物又稱細粒、細顆粒、PM2.5。細顆粒物指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于 2.5 微米的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量濃度越高，就代表空氣污染越嚴重。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響。與較粗的大氣顆粒物相比，PM2.5粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質（例如，重金屬、微生物等），且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大。

2013年2月，全國科學技術名詞審定委員會將PM2.5的中文名稱命名為細顆粒物。細顆粒物的化學成分主要包括有機碳（OC）、元素碳（EC）、硝酸鹽、硫酸鹽、銨鹽、鈉鹽（Na+）等。

5.1 PM2.5的主要來源

顆粒物的成分很復雜，主要取決于其來源。主要有自然源和人為源兩種，但危害較大的是后者。在學術界的分為一次氣溶膠（Primary aerosol）和二次氣溶膠（Secondary aerosol）兩種。

自然源：

自然源包括土壤揚塵（含有氧化物礦物和其他成分）海鹽（顆粒物的第二大來源，其組成與海水的成分類似）、植物花粉、孢子、細菌等。自然界中的災害事件，如火山爆發向大氣中排放了大量的火山灰，森林大火或裸露的煤原大火及塵暴事件都會將大量細顆粒物輸送到大氣層中。

人為源：

人為源包括固定源和流動源。固定源包括各種燃料燃燒

源，如發電、冶金、石油、化學、紡織印染等各種工業過程、供熱、烹調過程中燃煤與燃氣或燃油排放的煙塵。流動源主要是各類交通工具在運行過程中使用燃料時向大氣中排放的尾氣。

PM2.5可以由硫和氮的氧化物轉化而成。而這些氣體污染物往往是人類對化石燃料（煤、石油等）和垃圾的燃燒造成的。在發展中國家，煤炭燃燒是家庭取暖和能源供應的主要方式。沒有先進廢氣處理裝置的柴油汽車也是顆粒物的來源。燃燒柴油的卡車，排放物中的雜質導致顆粒物較多。在室內，二手煙是顆粒物最主要的來源。顆粒物的來源是不完全燃燒、因此只要是靠燃燒的煙草產品，都會產生具有嚴重危害的顆粒物，使用品質較佳的香煙也只是吸煙者的自我安慰，甚至可能因為臭味較低，而造成更大的危害；同理也適用于金紙燃燒、焚香及燃燒蚊香。但是炒菜5分鐘，PM2.5增加20倍系誤讀。

大氣化學反應：

除自然源和人為源之外，大氣中的氣態前體污染物會通過大氣化學反應生成二次顆粒物，實現由氣體到粒子的相態轉換。如：

其中氣態硫酸來自OH自由基氧化二氧化硫SO2的氣態反應。[2]鹽的水合物：如xCl·yH2O、xNO3·yH2O、xSO4·yH2O，隨著濕度的變化，水合物對PM2.5的影響較大，水不僅與鹽化合物生成水合物，由于濕度的改變還形成了鹽的微小溶液液滴。

5.2 PM2.5的現狀及常用數據

     我國城市環境空氣顆粒物污染呈現多類型污染的態勢，可以分為：傳統的煤煙型,如烏魯木齊、蘭州、太原等（尤其是冬季）;煤煙、揚塵和機動車混合型,如鄭州、石家莊等；復合型,如北京、天津、廣州等。隨著經濟的迅猛發展，國外數十年發生的大氣污染問題在我國多個城市集中出現,呈現復合、壓縮形態。目前我國超過2/3的城市空氣質量不達標，已進入大范圍生態退化和復合性環境污染的階段。如果不采取有效的控制措施，國內的大部分城市最終都將發展成為復合型的顆粒物污染狀態。PM2.5是表征大氣復合型污染的首要污染物。

如今，中國已成為PM2.5污染最嚴重的地區之一。

常用指標及數據：

細顆粒物的標準，是由美國在1997年提出的，主要是為了更有效地監測隨著工業化日益發達而出現的、在舊標準中被忽略的對人體有害的細小顆粒物。細顆粒物指數已經成為一個重要的測控空氣污染程度的指數。

到2010年底為止，除美國和歐盟一些國家將細顆粒物納入國標并進行強制性限制外，世界上大部分國家都還未開展對細顆粒物的監測，大多通行對PM10進行監測。

PM2.5檢測網空氣質量新標準：

根據PM2.5檢測網的空氣質量新標準，24小時平均值標準值分布如下：

表5.1

表5.2

5.2 設計主要用途及應用的場景

本設計主要可用于室內和戶外的空氣質量（主要是PM2.5）的檢測，可用于長期檢測PM2.5濃度。

辦公室空氣檢測和提醒，公共場合控煙，空調和通風口處監測，氣象臺，觀測站，馬路口監測為期排量

6 總結

隨著霧霾天氣的肆虐，我們有理由且必要的做一些措施來注意我們身邊空氣的PM2.5，而本設計這是基于這點，應用所學的知識，制作一個經濟，簡單，實用的多功能PM2.5濃度檢測儀。

在設計中GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集空氣中PM2.5的濃度值，經過STC89C51單片機處理后，在LCD1602液晶上顯示，并且設置一個報警值，檢測的PM2.5濃度值超過報警值后，蜂鳴器報警，報警值可以用按鍵手動調節。另外，該設計在實時檢測濃度的同時，根據當前檢測濃度亮起相應的燈，直觀的能告知觀測者當前的濃度。

在本設計中，主要的難點在于傳感器的實用和A/D轉換，需要閱讀相應的資料才能做出設計，對于資料的應用和學習能力是很重要，這也算是這次設計給我帶來的鍛煉。

當然在設計完成后，本著一開始設計的實用性的出發點，進行了三個檢測試驗，一方面檢測設計的可操作性和實用性，另一方面也是讓自己對PM2.5的產生有了直觀的了解。

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。

致  謝

本論文是在于老師的悉心指導下完成的。李老師專業知識淵博，耐心細致的教導，在老師的點撥下，完善了設計的相關功能，在老師的幫助下，解決了在制作設計遇到的各種難題，除了專業知識，李老師也教會了在今后的職業生涯中也要做到謙虛，謹慎，認真的態度，在此衷心的感謝李老師的教導和幫助。

非常感謝三年來把我領進門，手把手耐心教授我們知識的各位老師，正是你們的教導，學生今天才能運用自己的所學去設計并完成相關的作品。

感謝學校對我的培養，學生深知作為一名深職學子的榮譽，使命和責任，感謝學校讓我能有這份能力去面對未來職業生涯的挑戰！

參考文獻

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[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:中國鐵道出版社.2011.

[4] STC.8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash STC89C51.1999

[5] 李全利.單片機原理及應用技術.北京：高等教育出版社.2009.

[6] 羅亞萍.基于STC89C51單片機的室內有害氣體監控系統.山西電子技術.2011.

[7] 范紅剛,魏學海.51單片機自學筆記.北京：北京航空航天大學出版社.2010.

[8] 楊將新,李華軍.單片機程序設計及應用從基礎到實踐.北京.機械工業出版社.2006.

[9] 李維提,郭強.液晶顯示應用技術.北京：電子工業出版社.2006.

[10]8051單片機輕松入門與上手.北京：清華大學出版社.2009

[11]夏普粉塵傳感器GP2Y1010AU0F使用說明

附錄

原理圖：