-.z..--可修編-目錄一.實驗意義2二.硬件系統設計32.1系統整體構造32.2根底硬件模塊介紹3空氣質量傳感器模塊32.2.2創新平臺底板模塊32.2.351單片機核心模塊32.2.4LED數碼管模塊32.2.5位獨立按鍵模塊〔擴展模塊〕32.2.6蜂鳴器模塊〔擴展模塊〕32.2.7LCD1602液晶模塊〔擴展模塊〕3三.軟件系統設計33.1主程序3主程序模塊代碼33.1.2程序流程圖33.1.3主程序程序流程說明33.3.主要算法33.3.1幀數據的校驗算法原理33.4主要函數33.4.1求和校驗函數33.4.2串口初始化函數33.4.3串口中斷函數3四.調試分析34.1硬件組裝和程序的下載調試3硬件組裝和連接34.2調試過程中出現的問題34.2.1STC單片機程序下載失敗原因分析34.2.2LED數碼管顯示模塊問題分析3程序下載好之后，不能立即正常顯示原因分析34.3調試過程的考前須知3五.心得體會3一.實驗意義霧霾是我們經常討論的熱門話題，灰蒙蒙的天，能見度很低、空氣中嗆人的氣味，相信大多數同學都遭受過這樣的經歷。霧霾籠罩下的城市現在已經知道，造成霧霾天氣的主要“元兇〞是PM2.5，即空氣動力學當量直徑小于等于2.5微米的顆粒物。這種能夠直接進入肺泡的小顆粒，對人體安康危害最大。當前，人們已經像關注天氣一樣，關注著空氣質量。大多數情況，我們都像查天氣預報一樣，通過監測站發布的數值，了解當前的PM2.5濃度。但實際上，PM2.5并不像溫度一樣均勻分布，你呼吸到的PM2.5濃度，可能與報道的數值相差甚遠。通過該工程使我們可以采用電子積木搭接一個簡單的空氣質量檢測儀。既學習了知識，還能知道我們身邊PM2.5的濃度,獲得我們身邊的真實數據。查詢到的空氣質量報告-.z.空氣質量指數〔AirQualityInde*，簡稱AQI〕是定量描述空氣質量狀況的指數，其數值越大說明空氣污染狀況越嚴重，對人體安康的危害也就越大。參與空氣質量評價的主要污染物為細顆粒物〔pm2.5〕、可吸入顆粒物〔pm10〕、二氧化硫〔SO2〕、二氧化氮〔NO2〕、臭氧〔O3〕、一氧化碳〔CO〕等六項。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。被吸入人體后會直接進入支氣管，干擾肺部的氣體交換，引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病。二.硬件系統設計2.1系統整體構造本實驗采用“電子積木+底板〞的形式，通過電子積木拼接，實現工程功能。主要積木包括：51單片機核心板、4位LED數碼管模塊、空氣質量傳感器模塊、LCD1602液晶模塊。系統框圖2.2根底硬件模塊介紹空氣質量傳感器模塊該模塊選用ZPH01空氣粉塵傳感器，能夠同時實現對VOC與PM2.5的同時檢測。傳感器中的VOC檢測單元對甲醛、苯、二氧化碳、氨氣、氫氣、酒精、香煙煙霧、香精等有機揮發氣體具有極高的靈敏度。PM2.5檢測單元，采用粒子計數原理，可靈敏檢測直徑1μm以上灰塵顆粒物。空氣質量傳感器模塊VOC測量原理：采用專門的電化學傳感器模塊，實現VOC氣體的檢測。不同氣體靈敏度比照該傳感器將測得的氣體濃度直接轉化為A、B、C、D四個等級。具體標定方法如下，將干凈空氣質量默認為A級，以酒精濃度作為參考，大于50ppm時，設定為D級，中間均勻劃定3個等級。PM2.5測量原理：采用光散射法測量原理，實現空氣粉塵的測量。使用該方法，在傳感器置一個加熱器，加熱引起氣流上升使外部空氣進傳感器部。采用一個LED作為發光源，另一個光電傳感器，通過測量光強度，判斷空氣粉塵的數量。可檢測的粒子為1μm以上粒子，如香煙、房屋灰塵、霉菌、花粉、孢子等。微粒和分子在光的照射下會產生光的散射現象，和此同時，還吸收局部照射光的能量。當一束平行單色光入射到被測顆粒場時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強將被衰減。如此一來便可求得入射光通過待測濃度場的相對衰減率。而相對衰減率的大小根本上能線性反響待測場灰塵的相對濃度。光強的大小和經光電轉換的電信號強弱成正比，通過測得電信號就可以求得相對衰減率。光散射檢測原理測量結果輸出為低脈沖率，根據下列圖對應關系，可轉化為μg/m3單位。PM2.5低脈沖率與灰塵顆粒物濃度對照圖測量結果輸出幀格式該傳感器測量結果以PWM和UART串口兩種方式輸出，可通過PIN1〔控制引腳〕設置。該引腳懸空時為PWM模式；接地時，為串口模式。在本工程中，采用了串口模式，根本設置如下：波特率：9600 數據位：8位停頓位：1位校驗位：無通訊命令：模塊每間隔1s發送一次濃度值，只發送不接收。命令幀格式如下：硬件連接：該傳感器共有5個接口：本工程中，采用串口模式。因此，連接如下列圖所示：空氣質量傳感器連接端備注PIN1〔控制腳〕接地設為串口模式PIN2〔輸出腳OUT2/R*D/PM25〕接單片機P3.1〔T*D〕也可不接PIN3〔電源正VCC〕接正5V電源PIN4〔輸出腳OUT1/T*D/VOC等級〕接單片機P3.0〔R*D〕PIN5〔電源地〕接地2.2.2創新平臺底板模塊該底板采用標準定位孔的設計，并集成有5V直流電源接口及自鎖電源開關、3.3V電源、8路LED顯示、外接接口拓展等。在課程設計中，為各模塊提供固定、供電和接口轉換功能。底板的硬件資源：5V直流電源接口及自鎖電源開關，帶自恢復保險。大功率3.3V穩壓芯片，可將外接5V電源轉為3.3V。雙路音頻接口轉換，既可做為音頻輸入也可作為輸出。8路LED指示燈，高電平驅動。雙排16PIN接口拓展轉換口。板子的四周分別提供了16組5V和3.3V的電源接口。板子中間提供了17×23個間隔為10mm的定位孔。模塊位置圖：電子創新平臺底板位置圖電源端：+5V電源接入端，+5V和+3.3V電源輸出端〔四角四組〕。LED控制端：8路LED控制端分別控制相對應的8個LED〔高電平有效,1亮；0滅〕。音頻輸入端：麥克風輸入插孔，耳機輸入插孔。拓展端：拓展輸入、輸出接口，方便和外圍設備的連接。模塊定位孔：固定模塊，方便試驗。原理及功能：〔1〕固定電子積木該底板采用標準定位孔的設計，電子積木可固定在底板上，為設計工程提供相對穩定的機械構造。電子積木之間的連線也可沿底板布線，通過線扎綁結在定位孔上。〔2〕提供供電底板四周分別提供了16組5V和3.3V的電源接口。電子積木可就近選擇相應的接口，通過杜邦線，提供供電。連接電源時，需注意區分正負。以下列圖為例，左側4個插針為正，右側為負。2.2.351單片機核心模塊51單片機核心板即CORE51-BOARD模塊。該模塊為51單片機最小系統板，采用標準定位孔的設計，支持JTAG和串口兩種下載方式，四組I/O口全部引出，可廣泛用于單片機根底學習和電子創新等電子電路的微控制系統。硬件資源：直流電源5V插孔，方便模塊接通電源單獨使用。使用跳線帽，選擇不同功能。串口和JTAG雙下載通道，使用更方便。復位電路，方便單片機的復位。模塊位置圖：51核心板模塊位置圖端口說明：下載端：與51下載器配合，可實現自動上電，無需復位一鍵下載。電源拓展接口：可做電源使用，為外圍電路模塊等供電。4組I/O端口2.2.4LED數碼管模塊LED動態顯示是將所有的數碼管的段選線并接在一起，用一個I/O接口控制，公共端不是直接接地(共陰極)或電源(共陽極)，而是通過相應的I/O接口線控制。核心思想是通過位碼選擇讓4個數碼管中的哪一個數碼管亮，然后通過段碼決定該數碼管顯示的具體數據。在本實驗主程序中表達如下：/***********數碼管顯示局部***********/for(i=0;i<4;i++) { P2=wei[i]; P0=duan[*s[i]]; delay(2); }工作過程為：第一步使右邊第一個數碼管的公共端D0為1，其余的數碼管的公共端為0，同時在I/O(1)上發送右邊第一個數碼管的字段碼，這時，只有右邊第一個數碼管顯示，其余不顯示；第二步使右邊第二個數碼管的公共端D1為1，其余的數碼管的公共端為0，同時在I/O(1)上發送右邊第二個數碼管的字段碼，這時，只有右邊第二個數碼管顯示，其余不顯示，依此類推，直到最后一個，這樣4個數碼管輪流顯示相應的信息，一次循環完畢后，下一次循環又這樣輪流顯示，從計算機的角度看是一個一個地顯示，但由于人的視覺暫留效應，只要循環的周期足夠快，則看起來所有的數碼管就都是一起顯示的了，這就是動態顯示的原理。本實驗中采用四位一體的七段LED數碼管組成的動態掃描電路。用于LED動態掃描電路的學習及在單片機等應用中作為顯示模塊使用。硬件資源:采用一個4位一體共陽極LED數碼管作為顯示器件8個段選數據端，分別對應4個數碼管的A～dp，低電平有效。4個位選數據端，分別對應4個數碼管的公共端〔即位控端〕，低電平有效。模塊位置圖:4位LED顯示模塊位置圖端口說明:段選端：A~DP分別對應數碼管的8個段，低電平有效。位選端：A1~A4分別對應數碼管的4個公共端，低電平有效。電源端：接電源，供電電壓5V。硬件連接:在本工程中，該模塊的電路連接如下所示4LED數碼管模塊連接端備注段選端，A-DP接單片機位選端，A1-A4接單片機電源端接正5V電源正負2.2.5位獨立按鍵模塊〔擴展模塊〕本模塊共8個獨立按鍵，分別分為“上〞、“下〞、“左〞、“右〞鍵和A、B、C、D四個功能鍵，每個按鍵對應一個輸出端口。輸出端默認高電平，當對應按鍵按下時，輸出低電平。硬件資源：8KEY按鍵模塊工作電壓可根據需要選用5V或3.3V。輸出端口正常狀態下輸出高電平，有鍵按下后，對應端口輸出低電平。8個按鍵是分別獨立的按鍵，可根據需要任意組合使用。模塊位置圖：8獨立按鍵模塊位置圖端口說明：電源端：+5V電源接入端。輸出端：8位并行數據接口。2.2.6蜂鳴器模塊〔擴展模塊〕模塊介紹：蜂鳴器是一種一體化構造的電子訊響器，采用直流電壓供電。廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、機、定時器等電子產品中作發聲器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。工作原理：本實驗使用的蜂鳴器的響與不響取決于單片機I/O口的電平，當單片機輸出位低電平時蜂鳴器響，高電平時不響。2.2.7LCD1602液晶模塊〔擴展模塊〕LCD1602液晶模塊，即LCD1602-BOARD板。該模塊以工業液晶LCD1602為核心，采用標準定位孔的設計，在原有液晶的根底上增加了背光控制功能。該模塊能夠同時顯示2行16列共計32個字符，可廣泛用于電子創新應用、智能電子產品設計等的顯示器件。硬件資源：顯示：ASCII字符集，16列×2行，32個字符。背光：包含背光驅動，I/O口可直接控制背光。接口：并行模塊位置圖：LCD1602液晶模塊位置圖端口說明：電源端：+5V電源接入端。數據端：D0-D7共8位并行數據接口。控制端：RS，RW，EN與液晶控制端對應。背光端：K，高電平有效，〞1″開背光，〞0″關背光。三.軟件系統設計3.1主程序主程序模塊代碼voidmain(void){uart_int(); while(1){key_scan(); //檢測按鍵函數if(buffnew==1) //接收到新的1幀數據 { buffnew=0; i=FucCheckSum(buff,9);if(i==buff[8]) //校驗成功 {if(ct1<5) { ct1++; vsum=vsum+buff[7]; //psum=psum+buff[3]*100+buff[4]; psum=psum+buff[3]*100+buff[4]; }else //每測得5組數據，取平均值 { ct1=0; voc=vsum/5; pm25=psum/5; vsum=0; psum=0;pm25=pm25*2/10//根據低脈沖率與灰塵濃度的關系，轉化為ug/m3單位 } } }else { jiemianhanshu(); //界面顯示函數 }baojinghanshu(); //蜂鳴器報警函數 }}3.1.2程序流程圖3.1.3主程序程序流程說明1、初始化開機后，首先完成串口初始化，開啟串口中斷。2、主循環進入主循環，根據變量buffnew，判斷是否接收到新的一幀數據。當接收到新的一幀數據： 1、對該幀數據進展校驗，如果校驗成功繼續，如果失敗則放棄本次操作。 2、連續取5組數據，分別是“低脈沖率〞和“VOC濃度等級〞，并求平均值。 3、根據低脈沖率與灰塵濃度的關系，轉化為μg/m3單位。如果未接收到新的一幀數據： 1、將數據轉化為顯示格式。 2、通過數碼管動態掃描的方式，顯示數據。3.2擴展模塊程序按鍵模塊的擴展通過按鍵可以控制數碼管多界面切換和完成對pm2.5的報警提醒閥值的設置，本擴展模塊分為以下兩個界面。界面一：實時顯示VOC等級與PM2.5的值。界面二：顯示pm2.5的報警提醒閥值，通過按鍵可以對其進展加減操作，操作完成后，按“確認〞按鍵保存閥值并返回界面一。代碼如下：/*******************按鍵掃描函數*******************/voidkey_scan(){if(key_LEFT==0) //進入調整閥值界面{ delay1(5); if(key_LEFT==0) { qiehuan_flag=1; } }if(key_TOP==0) //加{ delay1(5); if(key_TOP==0) { while(!key_TOP); T=T+5; } }if(key_DOWN==0) //減{ delay1(5); if(key_DOWN==0) { while(!key_DOWN); T=T-5; } }if(key_RIGH==0) //返回顯示界面{ delay1(5); if(key_RIGH==0) { qiehuan_flag=0; flag=0; } }if(key_C==0) //按鍵C關閉蜂鳴器報警功能{ delay1(5); if(key_C==0) { flag=1; } }if(key_D==0) //按鍵D翻開正常報警功能{ delay1(5); if(key_D==0) { flag=0; } }}蜂鳴器模塊蜂鳴器主要有提醒和報警兩個功能提醒功能：針對pm2.5,對于pm2.5超過設定閥值時，蜂鳴器開場響500ms，不響2500ms，從而起到提醒功能。報警功能:針對VOC等級，VOC等級測可測可燃性氣體，當可燃性氣體到達一定濃度時，非常危險，因此蜂鳴器響的急促一點〔響300ms,不響300ms〕，從而起到報警的效果。關鍵代碼如下：/*******************蜂鳴器報警函數*************************/voidbaojinghanshu(){ staticunsignedintnum=0,num1=0; if(flag==0) {if(*s[3]==0*0d) //voc是D等級時報警碼 {num1++; if(num1<300) {buzz=0; //蜂鳴器響delay1(1); } if(num1>300) {buzz=1; //蜂鳴器不響delay1(1); if(num1==600) num1=0; } }elseif(pm25>T) //PM2.5的提醒功代 {num++; if(num<500) { buzz=0; //蜂鳴器響delay1(1); } if(num>500) {buzz=1; //蜂鳴器不響delay1(1); if(num==3000) num=0; } }else {buzz=1; //蜂鳴器不響 } }else {buzz=1; //蜂鳴器不響 }if(flag==0) { led=0; //led燈亮，表示報警功能正常翻開}else{ led=1; //led燈滅，表示報警功能關閉}} 3.3.主要算法3.3.1幀數據的校驗算法原理幀數據的校驗原理：該函數將數組的第一個元素至倒數第二個元素分別相加后求和，再將其和取反+1，然后將結果送至主函數。在主函數里面，將結果與數組的最后一位〔即校驗值〕相比擬，如果相等，則幀數據校驗成功，否則丟棄該幀數據。本實驗中根據求和校驗函數實現傳感器輸出串口數據幀的校驗功能。如下：求和校驗函數：********************************************************************/unsignedcharFucCheckSum(unsignedchar*i,unsignedcharln){ unsignedcharj,tempq=0; i+=1;for(j=0;j<(ln-2);j++) { tempq+=*i;i++; } tempq=(~tempq)+1; return(tempq);}低脈沖率與灰塵濃度的關系轉換算法：根據傳感器資料，數據幀的第3數是：“低脈沖率整數局部〞，第4位是“低脈沖率小數局部〞。因此，低脈沖率可由：buff[3]*100+buff[4]，得到。根據低脈沖率與灰塵濃度對照表，以線性關系和20.00%與400μg/m3為參考，將低脈沖率乘以0.2，得到灰塵濃度。即通過：pm25*2/10，得到。3.4主要函數3.4.1求和校驗函數該函數實現傳感器輸出串口數據幀的校驗功能。*函數名:ucharFucCheckSum(uchar*i,ucharln)*功能描述:求和校驗〔取發送、接收協議的1\2\3\4\5\6\7的和取反+1〕*函數說明:將數組的元素1-倒數第二個元素相加后取反+1〔元素個數須大于2〕********************************************************************/unsignedcharFucCheckSum(unsignedchar*i,unsignedcharln){ unsignedcharj,tempq=0; i+=1;for(j=0;j<(ln-2);j++) { tempq+=*i;i++; } tempq=(~tempq)+1; return(tempq);}主程序中有i=FucCheckSum(buff,9);//取由接收到的數據計算出的校驗值if(i==buff[8])//判斷校驗值是否相等{………}校驗原理：數據在發送前通過對數據幀中的數據求和取反加一，得到一個校驗值〔隨數據傳送到接收端〕，在接收端接收到數據后對數據進展同樣的處理之后，也得到一個值，通過與接收的檢驗值的比擬，如果兩者相等，則說明數據傳送無過失，反之，數據傳送錯誤，就丟棄此次數據。3.4.2串口初始化函數該函數實現單片機的串口初始化，將串口設定為波特率9600，數據位8，停頓位1，效驗位無。*功能描述:串口初始化*函數說明:********************************************************************/voiduart_int(void){ SCON=0*50; //REN=1允許串行承受狀態，串口工作模式1PCON=0*00; TMOD|=0*20; //定時器工作方式2TH1=0*FD; //baud*2/*波特率9600、數據位8、停頓位1。效驗位無TL1=0*FD;TR1=1;EA=1;ES=1;}3.4.3串口中斷函數該函數實現串口中斷接收，并將接收的數據整理出完整的一幀，同時將接收標置置位。********************************************************************/*功能描述:串口中斷*函數說明:用于接收傳感器的數據幀，每幀9個數據********************************************************************/voidSerial()interrupt4{ unsignedchari; RI=0;i=SBUF; //SUBF承受/發送緩沖器if(i==0*ff) //判斷數據頭 { ct=0; buff[ct]=i; } elseif(i==0*18) {ct=1; buff[1]=i; } else { ct++; buff[ct]=i;if(ct==8)buffnew=1; //接收滿9個數據后，buffnew置位 }}四.調試分析4.1硬件組裝和程序的下載調試硬件組裝和連接將單片機最小系統板、LED數碼顯示模塊、PM2.5傳感器模塊合理的分配在底板上，并用螺絲釘固定。將最小系統板和LED數碼管的VCC和GND線分別在底板上的VCC和GND引腳上。將最小系統板上的R*D和T*D分別連接在傳感器模塊的第4和第2引腳接口。將LED數碼管的A、B、C、D、E、F、G段分別對應連接在單片機P0.0和P0.7引腳上，將LED數碼管的A1、A1、A3、A4位選分別在單片機的P2.0和P2.3引腳上。將PM2.5檢測模塊的VCC和GND連接到底板上插上下載線，硬件連接完畢。4.2調試過程中出現的問題4.2.1STC單片機程序下載失敗原因分析在做實驗的過程中，有許多同學的實驗板出現了向單片機里面下載程序失敗的現象，我在此將原因及解決方法總結如下：由于STC單片機下載程序主要分三局部：單片機最小系統、下載電路、計算機端，所以我們下載失敗一般從這三個方面來解決問題。單片機損壞：比方有的單片機由于ISP系統引導碼出錯，能運行之前下載進的程序，但不能下載程序；或者單片機已損壞。PL2303的晶振不是12M。接線錯誤：如：T*D、R*D接反。下載軟件的問題：最好使用STC_ISP最新版本，在Win7系統中有時可能要以管理員身份運行。口設置錯：一般下載時會提示翻開串口失敗。單片機的型號設置錯：一般下載時會提示不是此型號的單片機。波特率太高：適當調低一點或許有用，高、低波特率都選1200。操作步驟的問題：注意先點電腦上的下載按鈕后給單片機上電。特別的，本次實驗中在串口連接中，空氣質量傳感器的PIN4〔輸出腳OUT1/T*D/VOC等級〕和單片機P3.0〔R*D〕的連接，需下載程序后再連接。因為51單片機只有一個P3.0〔R*D〕串口通信的接收端，而下載程序就是通過51單片機的P3.0〔R*D〕接收端口，所以不能同時連接共用，否則會導致程序不能下載到51單片機中。在此也給出調試程序時，正確的下載程序順序如下：1.裝載好要燒的單片機程序。2.設置單片機型號，口，波特率等參數。3.點擊“下載〞。4.給單片機上電。5.下載軟件顯示：正在下載6.下載完成。4.2.2LED數碼管顯示模塊問題分析由于本實驗中能夠同時檢測VOC揮發性有機氣體和PM2.5濃度。四位LED數碼管第一位顯示VOC氣體濃度，后三位顯示PM2.5濃度。VOC氣體根據濃度，輸出A、B、C、D共4個等級。PM2.5輸出量程為0—1000μg/m3。這兩個檢測指標都屬于空氣質量檢測指標，但是并沒有關聯性，兩者采用的是不同的函數關系轉換算法。所以實驗過程中出現了顯示的A、B、C、D4個等級和PM2.5濃度之間并沒有對應關系。〔A等級也可能對應PM2.5顯示值很大，C等級反而更小〕，這是正常現象。程序下載好之后，不能立即正常顯示原因分析因為在空氣質量傳感器模塊，對于PM2.5檢測單元