总第494期Vol.494
2020年12月
Dec.2020大学(教学与教育)
University(Teaching&Education)
陈博涵
（西北大学物理学院，陕西西安710000）
摘要：近些年，空气污染问题越来越严重，室内空气质量恶化会引起一系列疾病，在这种背景下，文章针对室内空气质量问题对单片机检测系统进行了分析研究。文章在研究的过程中，设计了STC89C52单片机，对空气质量检测和报警系统进行设计，这种单片机可以对
空气中的PM2.5、挥发性有机化合物以及二氧化碳等有害气体的浓度进行实时检测，然后在
通过模数转换之后将其显示在LCD液聶显示屏上，并且当其阀值超过设置的阀值时，蜂鸣
器就会发出报警提示。该系统在检测的时候，由于采用了模块化设计，其可扩展性比较强，而
且可以通过增加相应的模块，使系统具备一定的智能化功能。
关键词：单片机；空气质量检测报警系统；设计
中图分类号:TP368;TP212;X84文献标识码:A文章编号：1673-7164（2020）48-0068-04
人们越来越关注空气污染问题，因为空气污染不仅给自然环境带来了一定的影响，同时也给人们的健康生活造成了严重影响，目前追求健康的生活环境已经成为人们共同的观念。近年来，随着工业的不断生产，在节日燃放的大量烟花爆竹，还有城市汽车的增加，这些都给人们的生活环境带来一定的污染。空气中所含污染物的数量不仅体现了空气的污染程度，而且也反映出了空气质量的好坏。
室内空气质量差会导致人们出现心血管疾病或呼吸道等问题,PM2.5或甲醛等有害气体也会存在于室内空气中，影响人们的身体健康。而且一些较细小的颗粒，由于停留时间较长，自身所带的毒性也非常大，对人体有巨大伤害。如甲醛，属于一级致癌物。因此，在人类健康发展过程中，对空气质量进行有效的改善非常重要⑴。基于此，文章针对空气质量检测，设计了STC89C52单片机，并将其作为检测的核心，这种系统电路的稳定性比较高，抗干扰能力非常，操作简单，处理速度较快，同时这种系统的电路能够实时监测室内的环境，能有效保障室内的空气质量。
r系统组成及工作原理
研究对空气质量检测系统进行了有效的设计，在进行检测时把STC89C52单片机作为了检测过程中的核心部分。在检测空气室内质量时，利用温度和湿度传感器、PM2.5传感器、甲醛传感器等模块来对其控制质量进行检测。图］为系统功能框图：
在进行检测的过程中,PM2.5传感器和温湿度传感器等利用模数转换片将收集的模拟信号进行有效转换，然后利用单片机对数字信号进行处理，在控制声光报警系统和LCD显示器时，再利用单片机来对其进行有效的控制，使数据实现显示，同时，也把空气中的PM2.5值和温湿度以及甲醛浓度有效地显示了出来。此外，用户也可以通过输入模块，对温度和湿度的阀值进行设置，如果温度和湿度的阀值比设置的阀
作者简介：陈博涵（2000—），女，本科在读，西北大学物理学院，研究方向：应用物理。
图1系统功能框图
值高，声光报警系统就会自动进行报警，通过这种方式有效地提醒用户要及时的注意室内的空气质量，
并进行有效改善和优化因O
二、硬件系统设计
该系统在设计的过程中，对检测系统的设计利用了STC89C52单片机、ADC0832模数转换器、DHT11温湿度传感器、LCD1602液晶显示器.GP2Y1014UPM2.5传感器以及ZE08-CH2O甲醛传感器等硬件。
(—庠片机最小系统
STC89C52单片机的研发是由宏晶科技而研发，这种单片机目前最新的单片机，其特点是抗干扰能力非常强、高速、功耗低。并且,STC89C52单片机中的指令能够兼容传统的单片机，当用户选择单片机的过程中，可以为用户提供不同的时钟周期，第一种时钟周期是6时钟周期，第二种是12时钟周期。而且它的电压在工作过程中，其工作范围是3.3V到5.5V，或2.0V到3.8V，工作频率是0到40MHz，在实际工作时，其频率可达到4848MHz o
单片机最小系统由复位电路和电源电路及时钟电路这三个电路组成，是为单片机正常工作提供电源电压的部分最小系统的电源电路。时钟电路又分为两种工作方式，第一种工作方式是外部时钟，第二种工作方式是内部时钟，时钟电路通过产生时钟脉冲信号，来为单片机工作提供时钟节拍；而复位电路在单片机异常运行的时候，可以将其恢复到最初始的状态，而这也是单片机系统中最不可缺少的一部分凶。外
部时钟电路是使用现成的外部振荡器而产生的脉冲信号，通常应用在多单片机同时工作中，这样更加方便它们之间同步。所以，在这个设计中，所采用的是内部时钟的方式电路，在单片机的内部中反相放大器，它的输入断的引脚为XTAL1，输出端引脚为XTAL2。两个引脚再接一个石英晶体和两个电容，每个电容的另外一端都要在接到地上，从而构成一个相对稳定的属于自己的振荡器。而电容的C1和C2的大小会给振荡器频率的高低以及其稳定性和起振的快速性产生一定的影响，所以，晶体振荡器的频率范围一般情况下是在1.2到］2MHz，当其频率越高的时候，系统的失真频率就会随着越来越高，而单片机的运行速度也会随着越来越快叫
而复位电路也分为两种方式，一种是上电自动复位，另外一种是按键复位。其中按键复位方式是通过RST端，然后再经过电阻和电源接通而实现的。而在本文设计中使用的按键电平复位电路，在进行按键的时候，电容器会被进行短路放电，然后宜接加5V到RST上面，使其达到高电平，从而进行复位。当松开按键以后，电源就会开始对电容器充电，此时充电电流在电阻上面，并形成高电流送到RST，但其仍然是复位的状态，在充电结束以后，电流会降到0，电阻上的电压也会降到0，而RST则会降为低电平，然后再开始
进行工作。
（二）PM2.5传感器
GP2Y1010AU0F型号的PM2.5传感器属于粉尘传感器系统，这种系统在工作的时候，其工作原理是基于光学传感器的基础之上来进行工作的凶。一敏转换器和红外发射二极管在设备上呈对角的方式排列。它可以对空气中灰尘的反射光进行探测，尤其是针对空气中的一些比较细小的微颗粒，可以进行有效的探测，比如香烟浓雾等。而且其可以利用电压波形的不同，对室内的烟雾和灰尘进行表示与区分。因此，这种类型的传感器能够有效采集室内的细微颗粒。
（三）A DC0832模数转换器
ADC0832模数转换器是由美国的半导体公司而研发和生产的，其特点是有双通道模拟数字转换芯片，这种转换器的性价比非常高，而且它本身的特点也非常多：比如兼容性比较强，转换的速度也非常快，具有一定的稳定性，体积也比较小。所以，这种转换器在刚开始推出时就得到了广泛地应用。此外，由于该模数转换器的分辨率有丿I位，而且其最大的分辨率能够达到256级，可以有效地满足一般用户的模拟量的需求国。因此，其可以利用ADC0832有效的转换成单片机，从而来对数字量进行有效处理。
（四）LCD1602液晶显示
汽车报警系统在目前的电子通用器件中,LCD液晶显示器是非常流行的器件，这种液晶显示器可以用作家用电器、电子表等器件的屏幕显示器，液晶显示器在显示的时候，显示的大部分都是图形和数字以及专用符号切。在设计系统的过程中，使用的液晶显示器为LCD1602型号，此液晶显示器是长沙太阳人公司研发的，其显
示器的特点也非常多，不仅显示质量较好，而且液晶显示器的体积和重量也较小，在功耗方面消耗的也非常低，因此得到了广泛使用。另外，该显示器主要是用来显示字母和数字的点阵式液晶显示器，它可以利用其液晶显示屏，将空气中的温湿度以及PM2.5等有效的显示出来。
（五）S GP30气体传感器
SGP30气体传感器所使用的传感器是集成多个元件的气体传感器，它可以有效检测空气中的二氧化碳以及挥发性有机化合物的含量，挥发性化合物所检测的范围是在oppb到60000ppb，而二氧化碳所检测的范围是在400ppm到60000ppm之间，并且通过利用STC89C52单片机中的IIC协议来对其进行有效的读写和操作。
（六）蜂鸣器报警
文章在设计的时候选用的是有源蜂鸣器，而且有源蜂鸣器相比较无源蜂鸣器来说，其控制方式更为简单，有源蜂鸣器只需要通过交变信号的驱动使内部的磁场发生变化。有源蜂鸣器只要将直流加在蜂鸣器上，就可以驱动蜂鸣器进行正常的工作。有源蜂鸣器与无源蜂鸣在价格上相差无几，有源蜂鸣器对电压的使应范围比较广，而且寿命也较长，可以对蜂鸣器的电压值进行调整，控制蜂鸣器的声音响度，设计起来也较为方便，而且当比设置的阀值高的时候，就会有报警提示，当比设置的阀值低的时候，报警系统就会停止发声°8。因此，通常情况下都会选择有源蜂鸣器。
三、系统软件设计
空气检测系统在进行设计的过程中，一般是由两个部分来进行完成的，首先是硬件设备，第二部分就是软件设计，上面介绍了硬件系统设计，下面介绍_下软件设备，软件设计主要是对系统和硬件系统进行有效的控制和驱动，然后在与不同的系统功能进行有效的结合，而软件在设计的过程中，一般包括下面几个模块设计：甲醛检测子程序设计、PM2.5检测子程序设计、主程序设计以及温湿度检测子程序设计等。
（_）主程序设计
单片机在通电以后就会进入主程序进行工作，在主程序工作的时候，会先进行初始化，而初始化单片
机子程序中的主要的参数有：中断程序初始化、传感器参数初始化、LCD液晶显示初始化以及时钟初始化，当初始化工作完成以后，主程序就会进入到采集数据的阶段，对各类的传感器的相关数据进行有效的采集，采集完数据之后，再通过ADC0832的有效利用，将采集的数据转化成单片机可以处理的数字量，最后在液晶显示屏中显示出来閔o当采集的数据比设置的阀值高时，系统就会进行声光报警，这个时候按键动作会中断撚后再执行对应按键加减程序。
在检测温湿度的过程中，是利用DHT11型号传感器来进行检测的，但是在采集温湿度前，需要先将数据
的引脚拉低，在拉低18ms之后，再拉低主机和总机，将其拉低20us，然后再进行设置，把主机设置出入模式，等待数据输入，并判断是否有信号发生响应，如果信号没有发生响应的话，那么就要再重新拉高，再观察信号有没有响应；如果有响应，程序会继续执行，进入到接受数据的模式，在刚开始接受温湿度传感器所才采集到的温湿度数据的时候，接收的是一个16位数据，在所接收到的16位数据中，高的8位是整数，低于8位的是小数，最后再利用单片机进行处理。
(二)PM2.5检测子程序设计
在检测PM2.5的过程中，采用的是GP2Y1014U型号的传感器，当其在单片机的出口经过的过程中，要与其通信，当单片机接收数据后，则再来判断数据是否接收到了PM2.5数据信息，最后再来识别，识别的过程中，如果发现“Oxaa”关键字，则含有PM2.5信息。然后再把PM2.5数值提出来显示在液晶显示器上，如果没有关键字，则要再重新返回去充分接受M2.5传感器等所采集的数据，再对其进行检测。
四、结语
近几年，社会的不断发展以及工业化的生产，给人们的生活环境和空气造成了一定的污染。目前人们越来越重视健康的生活，在这种背景下，家居内的空气质量成为了人们比较关注的问题。而且空气质量也给人们的生活和工作带来一定的负面影响，而且如果室内的空气质量比较差的话，也会给人们的身心健康带来危害。室内的甲醛危害性也比较大，这也是导致疾病的主要原因，而一些比较细小的微颗粒，其
本身就带有非常强的毒性，会给人们的身体健康带来严重的危害阿。
文章在研究的过程中，设计了STC89C52单片机，对空气质量检测和报警系统进行设计，这种单片机可以对空气中的PM2.5、挥发性有机化合物以及二样化碳等有害气体的浓度进行实时检测，通过模数转换之后将其显示在LCD液晶显示屏上。当其阀值超过设置的阀值时，蜂鸣器就会发出报警提示，这种设计不仅简单、成本较低，也突破了市场上检测器功能单一的缺陷，普通家庭也容易接受。该系统在检测的时，由于采用了模块化设计，其可扩展性比较强，而且可以通过增加相应的模块，促使系统具备一定的智能化功能。文章首先分析了系统组成及工作原理，然后对单片机中的硬件系统设计做了分析，最后对单片机系统软件设计进行了分析研究，希望通过上述分析可以为人们调节室内空气质量提供帮助。
第文献：
[1]马振兴，李宁，霍大勇，等.基于单片机的室内空气质量检测器的设计[J].电子世界,2020(10):119-121+124.
⑵关静丽，曹荣敏，柏森.基于MSP430的空气质量检测仪设计[J].自动化与仪器仪表,2020(07):94-97+101.
[3]兰羽，方维奇.一种多功能空气质量检测系统设计[J].机械与电子,2019,37(11):54-57.
[4]杨菲.室内空气质量检测与报警系统的设计与实现[J].电子制作,2020(03):29-30+2&
[5]谢莹，刘丹丹，赵显豪.基于单片机的空气质量检测系统设计[J].数码世界,2018(12):138.
(麺人：赵加坤，西安交通大学电信学部软件学院副教授)
阖臨辑漠畝)
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