摘 要

近几年来，雾霾等环境问题进入了人们的视野，人们对环境问题的关注程度日益增加。社会节奏的加快，导致人们很少有时间在户外活动，相反在室内的时间和以往相比增加了许多，一个良好的室内环境对于我们的生活方式来说是不可或缺的。只有保障了周围的空气质量，我们才能安心的学习和工作，因此对室内空气质量进行实时的检测有很大的意义。

本文所设计的空气质量检测系统能够检测并显示出温湿度和PM2.5的实时数据，检测部分主要通过传感器DHT11和GP2Y1051AU0F采集数据。温湿度、PM2.5浓度的显示选择液晶显示屏LCD 1602，系统设有按键设置模块，可以设置报警值，报警电路采用基本的蜂鸣器和发光二极管。整个系统的功能不算复杂，有相应的基础功能，属于比较完整的系统。

最后，本文将设计的系统在Proteus中进行了仿真，验证系统子模块的功能能否正常运行，在仿真过程中优化系统。

关键词：单片机；温湿度；PM2.5；Proteus

Abstract

In recent years, environmental problems such as smog have entered people's horizons, and people's attention to environmental issues has increased. The acceleration of the social rhythm has resulted in little time for outdoor activities. On the contrary, our indoor time has increased considerably compared to the past. A good indoor environment is indispensable for our lifestyle. Only by ensuring the quality of the surrounding air can we learn and work with peace of mind, so it is of great significance to detect indoor air quality in real time.

The air quality detection system designed in this paper can detect and display the real-time data of temperature and humidity and PM2.5. The detection part mainly collects data through sensors DHT11 and GP2Y1051AU0F. The display of temperature and humidity and PM2.5 concentration selects LCD 1602. The system is equipped with a button setting module, which can set the alarm value. The alarm circuit uses basic buzzer and LED. The function of the whole system is not complicated, and it has corresponding basic functions and belongs to a relatively complete system.

Finally, the system designed in this paper is simulated in Proteus to verify whether the function of the system sub-module can be realized normally and optimize the system during the simulation process.

Key words: single chip microcomputer; temperature and humidity; PM2.5; Proteus

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 论文研究内容及目标 2

第2章 系统方案设计与元器件选型 3

2.1 设计要求 3

2.2 传感器选择 3

2.2.1 温湿度传感器选择 3

2.2.2 PM2.5传感器选择 4

2.3 系统整体结构设计 4

第3章 系统硬件设计 5

3.1 STC89C52单片机 5

3.1.1 简介 5

3.1.2 引脚功能 5

3.2 单片机最小系统 7

3.3 温湿度检测模块 8

3.3.1 DHT11传感器 8

3.3.2 串行通信说明 9

3.3.2 DHT11传感器电路 10

3.4 PM2.5检测模块 10

3.4.1 GP2Y1051AU0F传感器 10

3.4.2 数据传输协议 11

3.4.3 GP2Y1051AU0F模块连接图 11

3.5 液晶显示模块 12

3.5.1 LCD 1602 12

3.5.2 LCD 1602命令字 13

3.5.3 字符显示位置的确定 14

3.5.4 LCD 1602模块连接图 15

3.6 声光报警模块 15

3.7 按键设置模块 16

第4章 系统软件设计 17

4.1 程序语言及开发环境 17

4.2 程序设计 17

4.2.1 总流程图设计 17

4.2.2 液晶显示程序设计 17

4.2.3 温湿度检测程序设计 18

第5章 Proteus仿真 20

5.1 Proteus简介 20

5.2 Proteus电路图 20

第6章 结论 22

参考文献 23

致谢 24

附录A 电路原理图 25

附录B Proteus仿真图 26

第1章 绪论

1.1 论文研究背景及意义

随着社会经济的发展，人们的生活也随着时代逐渐变化，生活节奏的加快和工作时间的加长都导致了我们室内生活时间的增加。近几年来，人们对个人生活品质的要求越来越严格，相比增加收入来说，越来越多的人更加关注自身的健康，室内空气质量问题也成为了研究的重点。在室内环境中，温湿度、PM2.5含量对人们的健康影响较大，是人们关注的重点。据相关数据的研究，周围环境温湿度对人体的身体健康状况有着不小的影响，普通的室内环境下，我们应该尽量将温度控制在 17℃到26℃这个区间左右，湿度控制在43％到67％RH这个区间范围左右，这个环境对我们的身体来说最为舒适[^[1]]。如果长期生活在湿度较低或较高的环境中，人体的身体状况会受到很大程度的影响。PM2.5是衡量空气质量的一个重要指标，由于这些微小颗粒的体积太小，所以人们往往容易忽视它的危害，而事实上这些细小颗粒物的附着能力很强。在国家发布的PM2.5标准值中规定了24小时平均5方米为优，平均75为良，高于75就达到了污染级别。而在大部分的环境中我们的PM2.5浓度值都很无法达到平均水准。

由此可知，室内空气质量检测产品对人们的生活有着很大的好处，空气质量检测控制仪器的普及对人们的身体健康有很多益处，提高人们的环境保护意识。综上所述，室内空气质量检测系统的研究具有重要的意义。PM2.5标准值如表1.1所示。

表1.1 PM2.5标准值

1.2 国内外研究现状

室内空气质量检测系统的研究时间已经很长，早在18世纪相关学者就发表了室内换气的相关文章。随着资源消耗、环境破坏，这方面的研究也受到了很多科学家的研究和关注，发表了许多相关文章和期刊。1978年在丹麦的哥本哈根首次组织进行了“室内空气及气候的国际会议”。21世纪以来，国家对这方面的也制定了一些标准，推行《室内空气质量标准》并实行，为环境保护起了一定的推动作用。

关于空气质量检测这方面的研究，国外进行的时间和取得的成果比国内更早和丰富。在20世纪60年代末期国外就已经出现了相关研究文章和期刊，到了今天，相关的资料和产品也出现了很多，很多产品都能达到不错的检测效果。在国内也出现了越来越多的研究人员，许多科技公司也研发了一些功能丰富的产品。在这个提倡环保健康的社会，人们对环境的关注和健康的向往越来越强烈，所以这方面的研究也会更加深入，不断丰富检测功能，设计更好的产品。

1.3 论文研究内容及目标

本文要求设计一个可以进行温湿度和PM2.5检测的系统，可以显示温湿度、PM2.5浓度，超出报警值进行报警，要求精度合适，适用于普通家庭、办公楼等室内环境检测[^[2]]。 本系统选择合适的粉尘传感器以及温湿度传感器，了解相应传感器的工作原理。整个系统主要分为控制电路、传感器数据采集、液晶显示、按键设置、声光报警等模块。研究每个模块的电路原理，然后相结合搭建整个系统的电路。软件部分先设计出主流程图，再完善子模块的程序设计。

设计出的系统要求能够完成相关要求，可以检测并显示空气中的温湿度、粉尘浓度，可以对温湿度、粉尘浓度进行设置，当空气中温湿度、粉尘浓度不在标准范围内进行声光报警。

第2章 系统方案设计与元器件选型

2.1 设计要求

本文要求设计一个以STC89C52为控制核心,可以对室内的温湿度和粉尘浓度进行检测的空气质量检测系统。在检测的同时，将温度、湿度和PM2.5数据显示在液晶显示屏上，让人们了解室内空气的质量。当室内空气质量发生改变超出设定值，进行报警。系统设计需要满足以下要求：

（1）完成系统方案和总体框架设计。

（2）了解STC89C52单片机引脚功能和最小系统电路。

（3）温湿度传感器与PM2.5传感器的选型，了解工作原理。

（4）完成整体电路及子模块设计，画出原理图。

（5）设计系统整体和子模块工作的程序流程图。

（6）在Proteus上完成对系统各模块的仿真，并进行优化处理。

2.2 传感器选择

2.2.1 温湿度传感器选择

方案1：DS18B20和HS1101。DS18B20温度传感器的体积很小，价格比较便宜，但测量精度和抗干扰能力都很高[^[3]]。它的温度量程是-55℃～ 125℃，能够满足大部分环境。-10℃～ 80℃的量程内，精度±0.5℃，所以在室内测温精度很高。HS1101是电容型湿度传感器，湿度量程为RH 0～100%RH，精度±2%RH。此外，还具有较强的抗干扰能力和使用寿命。

方案2：选择DHT11温湿度传感器。DHT11传感器与方案1的两种传感器相比，能够同时完成方案1中两种传感器的功能，但精度和量程范围都比方案1要差。测量精度，湿度±5%RH，温度±2℃。测量量程，湿度20～90%RH，温度0～50℃。DHT11传感器输出数字信号，与单片机直接进行连接，方便使用。

综上所述，虽然方案一中的两种传感器的测量精度都很高，测量范围也比DHT11广，但由于本设计是用来测量正常环境下的室内温湿度，所以方案二中的DHT11传感器测量范围足够满足系统要求。此外DHT11是复合传感器，可以简化电路设计，最终选择DHT11作为系统的温湿度传感器。

2.2.2 PM2.5传感器选择

方案1：选择GP2Y1010AU0F传感器。GP2Y1010AU0工作时会将空气中粉尘浓度以电压的方式输出，通过输出电压的变换判断粉尘浓度的高低。如果选择GP2Y1010AU0F传感器，电路需要结合AD转换芯片，与单片机进行数据传输和处理。。

方案2：选择GP2Y1051AU0F传感器。GP2Y1051AU0F传感器是GP2Y1010AU0F传感器的升级版感器。GP2Y1051AU0F传感器在采集到测量结果后，输出数字信号而不是模拟信号，所以单片机可以与传感器直接相连。。

综上所述，二代PM2.5传感器相对于一代会更加方便，二代传感器只需要三根线就能与单片机传输数据，连线相对更简单，省去了AD转换这个环节，电路更加简单稳定，得到的测量结果更加精确。所以选用方案二中的二代传感器GP2Y1051AU0F作为系统的PM2.5的传感器。

2.3 系统整体结构设计

系统结构图如图2.1所示。

图2.1 系统结构图

可以从框图中的到系统的主要组成部分，该系统以STC89C52单片机最小系统为基础，输入部分有PM2.5传感器、温湿度传感器、按键模块、电源模块，输出部分有显示模块、声光报警模块。粉尘传感器GP2Y1051AU0F和温湿度传感器DHT11将采集到的相关数据发送给单片机后，单片机对数据进行相应处理，然后在液晶显示屏LCD 1602上显示出室内当前的PM2.5浓度和温湿度。当室内浓度和温湿度超出报警值时，声光报警。

第3章 系统硬件设计

3.1 STC89C52单片机

3.1.1 简介

STC89C52内部的各部件经过片内单一总线衔接而成，其构造与传统微型计算机结构方式一样。与AT系列单片机的功能与结构基本一样，由8位CPU、256B RAM、8KB Flash ROM、4个8位并行I/O口、定时器/计数器、串行口、中断系统等组成[^[4]]。实物如图3.1所示。

图3.1 STC89C52单片机

3.1.2 引脚功能

在学习和应用单片机的过程中，我们应该先去了解单片每一个引脚的作用，有利于我们系统地学习。STC89C52单片机一共有40个引脚，其中I/O端口总共有32个，名称分别为P1～P4口，在这些端口中还包含2个外中断口，可以用来发送中断的请求。STC89C52单片机能够采用多种封装形式，这样可以适应不同产品的需求。STC89C52引脚图如图3.1所示。

图3.2 STC89C52引脚图

（1）电源引脚

VCC 40脚，用来连接电源；

GND 20脚，用来接数字地；反馈散开了今年是室内防水即可浪费

（2）时钟引脚

XTAL1 19脚，时钟振荡器的反向放大器输入端。内部时钟，该引脚需要接石英晶体和电容电路。而如果使用的是单片机外独立时钟振荡器，此时引脚需要接独立时钟振荡器的输出信号。

XTAL2 18脚，时钟振荡器的反向放大器输入端。内部时钟，该引脚需要接石英晶体和电容电路，而如果使用的是单片机外独立时钟振荡器，此时引脚应该悬空。

（3）控制引脚

控制引脚说明如表3.1所示。

表3.1 控制引脚说明

（4）I/O口引脚

前面了解到了STC89C52单片机40个引脚中32个都是I/O端口，这32个端口的功能都差不多，差别不是很大。其中P0口是双向口，与其他三种相比多了一种高阻“悬浮”态，本次设计中单片机的P0口就是处于这种状态下，P0口连接一排电阻，使P0口只和液晶显示器LCD 1602进行数据传输。而其它3个口为准双向口，它们的内部结构中已经有电阻相连接，所以没有高阻“悬浮”态。除此之外，P3口还有额外的功能，具体描述如表3.2所示。

通过简单的介绍之后，了解STC89C52单片机的引脚功能，对STC89C52单片机有了充足，接下来就可以开始进行系统的设计。

表3.2 P3口第二功能

3.2 单片机最小系统

单片机最小系统如图3.3所示，外接一个复位电路和时钟电路就构成了最小系统[^[5]]。复位顾名思义就是对单片机结构内部中的寄存器进行初始化，操作方式为在复位引脚上给高于2个机器周期的高电平。复位电路的作用很关键，因为我们写的程序不可能百分之百正确，有时会运行错误且无法继续运行，这时候复位操作可以帮助整个系统重新开始工作。复位分为上电位/人工按键，本次设计中采用按键复位的方式。上电复位的原理是当电压对电容进行充电时，会给单片机的RST引脚一个时间很短的信号（高电平）直到充电过程逐渐结束，所以引脚上面的高电平存在时长等于电容的充电时长，增加复位时间只需要增大电容或者电阻值。另外一种方式手动按键复位如电路图中所示，键位被按下后，RST引脚产生高电平，这样可以完成复位，而复位的时长就决定于人们按键的持续时间。在本文的设计中，复位电路选择电容和电阻的大小如图3.3所示。

对于单片机来说，时钟电路是很重要的一部分，因为单片机需要按照时钟信号来进行工作，所以时钟信号不稳定的话，单片机执行指令时也会出现各种问题从而影响系统的正常运行。如图3.3中所示的时钟电路是一个单片机应用中基本的内部时钟方式电路，单片机的引脚18和引脚19并联两个电容再串上一个晶振，其中电容值得选择没有严格的要求，而晶振的选择比较固定，本次设计没有用到定时或者计数方面的功能，所以选择 11.0592MHZ。因为进行串行通信时，波特率会比较准确。

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