單片機(jī)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u9764單片機(jī)空氣質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)分析案例概述 1256431.1構(gòu)架概述 1214041.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路 1244231.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案 2270361.2系統(tǒng)設(shè)備選擇 2200781.2.1主控模塊選擇 2125661.2.2電源電路選擇 3172631.2.3按鍵方案選擇 4216021.2.4顯示方案選擇 494111.2.5溫濕度方案選擇 5226281.2.6通信方式選擇 69951.3系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境 71.1構(gòu)架概述1.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）硬件的設(shè)計(jì):硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)項(xiàng)目的原理設(shè)計(jì)，首先是要根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)量選取單片機(jī)，單片機(jī)的存儲(chǔ)容量不同也分為多種型號(hào)，估算項(xiàng)目的數(shù)據(jù)量確定選取的單片機(jī)，其次是根據(jù)本次設(shè)計(jì)的功能選取對(duì)應(yīng)的傳感器型號(hào)，比如設(shè)計(jì)時(shí)鐘功能，就要選取時(shí)鐘功能的傳感器，如DS1302等，設(shè)計(jì)溫度就要選取DS18B20等。確定好傳感器模塊后就要查找模塊的對(duì)應(yīng)資料，在各個(gè)功能模塊確定好后，就要進(jìn)行原理圖的設(shè)計(jì)，繪制好整個(gè)原理圖，對(duì)應(yīng)原理圖焊接系統(tǒng)的實(shí)物。（2）軟件的設(shè)計(jì):軟件與硬件是相互依存的關(guān)系，軟件的編寫是根據(jù)傳感器連接的位置進(jìn)行代碼編寫。軟件的編寫首先需要編寫主程序，構(gòu)思整個(gè)設(shè)計(jì)的流程概況，把主程序的框架編寫完成，其次是對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)子模塊分別進(jìn)行編寫，達(dá)到模塊的程序設(shè)計(jì)，在最終調(diào)試的時(shí)候可以針對(duì)某一模塊單獨(dú)進(jìn)行調(diào)試。不會(huì)影響到其他的功能。最后設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體功能。（3）系統(tǒng)的測(cè)試:測(cè)試對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)特別重要的環(huán)節(jié)，在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些BUG，這樣就可以通過(guò)測(cè)試來(lái)查詢?cè)O(shè)計(jì)過(guò)程中不完善的地方，對(duì)測(cè)試的問(wèn)題進(jìn)行軟硬件的修改，使整個(gè)項(xiàng)目功能達(dá)到滿意為止。1.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案本系統(tǒng)主要有MCU模塊，按鍵模塊，顯示屏模塊，藍(lán)牙模塊，語(yǔ)音模塊，以及傳感器模塊組成。單片機(jī)通過(guò)采集當(dāng)前室內(nèi)的溫度，煙霧，PM2.5,甲醛的氣體濃度值，當(dāng)當(dāng)前的所得值超過(guò)預(yù)定的范圍時(shí)，就會(huì)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)發(fā)出預(yù)警。藍(lán)牙模塊也可以通過(guò)USB串口把單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上，本設(shè)計(jì)的硬件框圖如圖1.1所示。圖1.1硬件框圖1.2系統(tǒng)設(shè)備選擇1.2.1主控模塊選擇方案一：STC89C51單片機(jī)STC89C51單片機(jī)是一款低功耗、性價(jià)比高的8位CPU·4kbytes程序存儲(chǔ)器，該系列單片機(jī)的前身是Inter的8004單片機(jī)，隨著長(zhǎng)足的發(fā)展，51單片機(jī)成為很多公司爭(zhēng)相生產(chǎn)改進(jìn)的機(jī)型，在很長(zhǎng)一段時(shí)間占據(jù)著大量的市場(chǎng)。它一共有32條I/O口線，21個(gè)專用寄存器，2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源。這款單片機(jī)上手非常輕松，會(huì)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言，掌握51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)就能輕松操控。但51單片機(jī)對(duì)于稍復(fù)雜程序處理會(huì)較其他單片機(jī)慢一些。方案二：ArduinoArduino是一款簡(jiǎn)單易操作，可以快速上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，它的硬件和軟件都是開(kāi)源的，網(wǎng)上資料也很多。Arduino是單片機(jī)二次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)物。單純以做項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，普通單片機(jī)只是散件，需要自己動(dòng)手設(shè)計(jì)硬件和軟件。而且Arduino是半成品，只要把相應(yīng)的模塊組裝整合，再直接復(fù)制程序就能完成。Arduino核心板大部分使用的是AVR單片機(jī)作為核心。AVR單片機(jī)一般使用匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，需要配置寄存器。Arduino在C的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)方式，自己實(shí)現(xiàn)了一套較為簡(jiǎn)單的語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)的時(shí)候不需要糾結(jié)于AVR的寄存器等底層的東西，直接寫代碼就能控制兼容Arduino的外設(shè)。方案選擇三：STM32F103C8T6STM32F103C8T6是由ST公司制造基于ARMCortex-M3為核心的32位處理器，速度能達(dá)到72MHZ,內(nèi)置FLASH存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)容量是256KB，RAM容量為48K，另外還有2個(gè)定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器、3個(gè)12位ADC、51個(gè)IO口等資源。綜上所述，以上方案中，方案一功能最為簡(jiǎn)單，價(jià)格也比較便宜些，但是配置較低，無(wú)法滿足課題需求；方案二相對(duì)來(lái)說(shuō)性能高于方案一，而且開(kāi)源的開(kāi)發(fā)環(huán)境軟硬件不需要自己設(shè)計(jì)，但是也產(chǎn)生了許多局限性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比方案三是更符合本次課題的需求，而且開(kāi)發(fā)難度低，功能強(qiáng)大，因此采用方案三。1.2.2電源電路選擇方案一：采用線圈繞線的隔離變壓器進(jìn)行供電這種方式的供電是通過(guò)市電220V的交流電輸入到變壓器中，通過(guò)變壓器以及外圍的電源芯片將交流電轉(zhuǎn)化為DC12V的直流電源，再通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓，這種電源再設(shè)計(jì)的時(shí)候需要匹配的器件比較復(fù)雜，需要多種電源器件與電壓器的參數(shù)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)復(fù)雜是它的缺點(diǎn)之一，但是同樣優(yōu)點(diǎn)就是輸出能力比較強(qiáng)，對(duì)于大功耗器件的供電能力尤為明顯，輸出的電量持續(xù)穩(wěn)定，可以提供比較優(yōu)質(zhì)的供電能力。明顯的缺點(diǎn)就是需要與變壓器匹配的器件太多，安全系數(shù)比較低，應(yīng)用時(shí)對(duì)于專業(yè)程度要求較高。方案二：采用USB接口電源線進(jìn)行供電USB電源線從出現(xiàn)到廣泛普及不過(guò)短短幾年的時(shí)間，現(xiàn)在的USB接口供電技術(shù)比較成熟，而且應(yīng)用的范圍也越來(lái)越廣，在生活中隨處可見(jiàn)USB的電源接口，即插即用。這種電源供電環(huán)境非常穩(wěn)定，除了供電能力弱一些之外，幾乎不存在任何缺點(diǎn)，它的供電系統(tǒng)相對(duì)比較安全，不會(huì)出現(xiàn)任何危險(xiǎn)，同時(shí)也不會(huì)由于電壓過(guò)大導(dǎo)致設(shè)備的損壞，對(duì)于弱電控制系統(tǒng)是最為理想的電源，因?yàn)槿蹼娍刂葡到y(tǒng)本身不存在大容量的電器，同時(shí)也會(huì)對(duì)弱電器件進(jìn)行電源保護(hù)，USB非常適合弱電控制系統(tǒng)的供電要求。方案三：采用鋰電池供電鋰電池的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)都非常明顯，優(yōu)勢(shì)就是使用起來(lái)方便，不限制任何的使用場(chǎng)合，任何地點(diǎn)都可以使用，尤其在便攜式的設(shè)備上，必須使用鋰電池功能，劣勢(shì)就是需要間隔時(shí)間充電，否則設(shè)備就不能持續(xù)使用。如果不是便攜式的設(shè)備，一般的情況都不會(huì)采用鋰電池供電。經(jīng)過(guò)綜合的考慮從安全性與應(yīng)用性方面的考慮采用方案二的USB供電,應(yīng)用十分方便即插即用，供電也穩(wěn)定，所以本次課題采用方案二的設(shè)計(jì)方式，采用USB的供電方式來(lái)作為電源。1.2.3按鍵方案選擇按鍵和顯示器是人機(jī)對(duì)話的主要部分，所以按鍵部分在整個(gè)系統(tǒng)中所占的比重非常大，按鍵的作用就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢，控制顯示屏的翻頁(yè)功能，對(duì)所需要的限值數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，或者其他的邏輯位置確定等等功能，通過(guò)按鍵的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)程序的邏輯執(zhí)行，控制相應(yīng)的功能，達(dá)到相應(yīng)的功能需求。一般說(shuō)來(lái)，鍵盤有兩種形式，一種是矩陣鍵盤，一種是直接IO口觸發(fā)。方案一：矩陣鍵盤是通過(guò)對(duì)單片機(jī)接口進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，以普通IO口組合的形式實(shí)現(xiàn)矩陣鍵盤的控制，這樣的控制方式可以節(jié)省IO的資源，使用的是M*N的按鍵，需要IO口是M+N個(gè)，優(yōu)勢(shì)在于需要按鍵多的情況下可以節(jié)省IO口資源。一般情況是通過(guò)中斷的形式來(lái)進(jìn)行控制，單片機(jī)通過(guò)中斷快速讀取按鍵值。編程時(shí)相對(duì)于獨(dú)立按鍵稍顯復(fù)雜，需暫用定時(shí)器資源處理按鍵功能。方案二：IO口控制即獨(dú)立按鍵，在硬件設(shè)計(jì)上就是將IO口通過(guò)按鍵接地，單片機(jī)掃描按鍵是否接地判斷按鍵是否按下，這種按鍵的方式簡(jiǎn)單可靠，缺點(diǎn)就是浪費(fèi)IO口資源，一般的情況是用于按鍵不多的場(chǎng)合，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性比較高，相對(duì)于矩陣鍵盤，沒(méi)有程序的復(fù)雜算法，只需要對(duì)IO實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)即可。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇了方案二作為比課題的設(shè)計(jì)方案。1.2.4顯示方案選擇方案一:LED組成的數(shù)碼管來(lái)顯示設(shè)備的基本信息，數(shù)碼管的組成是由8段LED來(lái)組成的，通過(guò)編寫代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)不同的LED點(diǎn)亮，組成不同的LED圖片。在使用數(shù)碼管的時(shí)候需要進(jìn)行段碼的程序設(shè)計(jì)，需要找到不同顯示的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管需要有外圍電路的配合，否則數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)比較暗。數(shù)碼管的主要優(yōu)點(diǎn)在于成本的控制非常的便宜，并且顯示的數(shù)據(jù)可以調(diào)節(jié)的非常的亮眼、明顯。但是數(shù)碼管也是具有一定的缺陷的，主要就是體現(xiàn)在顯示數(shù)據(jù)量比較少，在一些顯示簡(jiǎn)單的場(chǎng)合可以采用數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。方案二：使用液晶顯示LCD1602來(lái)作為設(shè)備的信息交互界面。液晶的顯示是通過(guò)背景中的點(diǎn)來(lái)構(gòu)成顯示，通過(guò)構(gòu)建字庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的靈活顯示。LCD1602與單片機(jī)的接口相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，可以通過(guò)并行的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示，顯示刷新的速度比較快。但是由于本身的原因，里面的顯示靠液體，所以使用的溫度范圍就是有一定的限制。在一些不是非常復(fù)雜的設(shè)備選擇LCD1602來(lái)作為顯示是比較合算的，性價(jià)比、美觀性方面都是比較高的。方案三：采用LCD12864來(lái)作為設(shè)備的人機(jī)交互界面，12864可以說(shuō)是在LCD1602上的一個(gè)升級(jí)版本，除了具有LCD1602的優(yōu)缺點(diǎn)之外，就是顯示的字體更加的大，顯示的內(nèi)容也更加的多樣化。可以在一些比較大型或者相對(duì)復(fù)雜的一點(diǎn)的系統(tǒng)中應(yīng)用。LCD12864的顯示更加清晰，也更加的易懂。但是LCD的價(jià)格比較貴，開(kāi)發(fā)時(shí)候可以根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行相應(yīng)的選擇。綜上來(lái)說(shuō)，采用LCD1602是一種很好的顯示，可以方便的與人交互，還可以節(jié)約設(shè)備的開(kāi)發(fā)成本，并且外觀上也是相對(duì)美觀。1.2.5溫濕度方案選擇方案一：選擇DS18B20作為溫度檢測(cè)傳感器，DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，可以檢測(cè)環(huán)境的溫度。與單片機(jī)連接只需要一個(gè)IO引腳就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。DS18B20的溫度檢測(cè)準(zhǔn)確，外圍器件使用簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)上拉電阻就可以保證采集的溫度的準(zhǔn)確性。方案二：選擇PT100溫度傳感器，PT100是鉑電阻類型傳感器，隨著溫度的變化，電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)檢測(cè)的變化阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)。PT100的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量溫度的范圍廣泛，測(cè)量精度高但是外圍電路相對(duì)來(lái)說(shuō)復(fù)雜一些，需要采用AD檢測(cè)模塊檢測(cè)PT100的電壓數(shù)值，由于電壓變化范圍太小還需要加入運(yùn)放電路，一般應(yīng)用在精度要求較高場(chǎng)合。方案三：采用DHT11溫濕度傳感器，DHT11溫濕度傳感器是數(shù)字傳感器，采用一個(gè)引腳與單片機(jī)連接，可以讀取環(huán)境的溫度、濕度數(shù)值。外圍的器件只需要一個(gè)上拉電阻就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定讀取。DHT11使用方便，可以根據(jù)需要選擇讀取環(huán)境的溫度或者濕度。綜上所述，經(jīng)過(guò)對(duì)比篩選，本次課題選擇了DHT11傳感器作為本次課題的研究。1.2.6通信方式選擇方案一：并行通信技術(shù)一組數(shù)據(jù)的各數(shù)據(jù)位在多條線上同時(shí)被傳輸。以計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)為傳輸單位，每次傳送一個(gè)字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。并行是指8位數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)并行線進(jìn)行傳送，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高，但并行傳送的線路長(zhǎng)度受到限制，因?yàn)殚L(zhǎng)度增加，干擾就會(huì)增加，數(shù)據(jù)也就容易出錯(cuò)。各數(shù)據(jù)位同時(shí)傳輸，傳輸速度快、效率高，多用在實(shí)時(shí)、快速的場(chǎng)合。并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度可以是1~128位，甚至更寬，但是有多少數(shù)據(jù)位就需要多少根數(shù)據(jù)線，因此傳輸?shù)某杀据^高。在集成電路芯片的內(nèi)部、同一插件板上各部件之間、同一機(jī)箱內(nèi)個(gè)插件板之間的數(shù)據(jù)傳輸都是并行的。適合于外部設(shè)備與微機(jī)之間進(jìn)行近距離、大量和快速的信息交換。并行數(shù)據(jù)傳輸只適用于近距離的通信，通常傳輸距離小于30米。方案二：藍(lán)牙通信藍(lán)牙設(shè)備使用無(wú)線電波來(lái)連接手機(jī)和電腦，不需要電線和電纜做介質(zhì)。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備之間想要互相交流時(shí)，它們需要進(jìn)行配對(duì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境創(chuàng)建成功，一臺(tái)設(shè)備作為主設(shè)備，而其它設(shè)備作為從設(shè)備。藍(lán)牙技術(shù)的主要特點(diǎn)的描述是藍(lán)牙技術(shù)無(wú)處不在、功耗低、易于采用及應(yīng)用成本低。藍(lán)牙技術(shù)無(wú)處不在——幾乎每一臺(tái)手機(jī)、筆記本電腦、臺(tái)式電腦和平板電腦都采用了藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)功耗低，開(kāi)發(fā)人員能夠開(kāi)發(fā)出只需一小顆的紐扣電池就可運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年的小型傳感器。這為藍(lán)牙技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)的主流技術(shù)之一奠定了基礎(chǔ)。藍(lán)牙技術(shù)易于采用——對(duì)于消費(fèi)者而言，再也沒(méi)有比使用藍(lán)牙技術(shù)更簡(jiǎn)單的事了。只需要進(jìn)入設(shè)置，打開(kāi)藍(lán)牙，點(diǎn)擊配對(duì)按鈕，然后等待啟動(dòng)通信就可以了。就是這么簡(jiǎn)單。從開(kāi)發(fā)角度而言，開(kāi)發(fā)藍(lán)牙產(chǎn)品只需基于核心規(guī)格，再將配置文件和定制服務(wù)逐層添加上去。方案三：Wi-Fi通信Wi-Fi是一個(gè)行動(dòng)的熱點(diǎn)，是一個(gè)創(chuàng)建于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)?！癢i-Fi”常被寫成“WiFi”或“Wifi”，但是它們并沒(méi)有被Wi-Fi聯(lián)盟認(rèn)可。Wi-Fi模塊又名串口Wi-Fi模塊，屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，功能是將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11b.g.n協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧。傳統(tǒng)的硬件設(shè)備嵌入Wi-Fi模塊可以直接利用Wi-Fi聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能家居、M2M等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要組成部分。WiFi模塊通過(guò)指定信道號(hào)的方式來(lái)進(jìn)行快速聯(lián)網(wǎng)。在通常的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中，會(huì)首先對(duì)當(dāng)前的所有信道自動(dòng)進(jìn)行一次掃描，來(lái)搜索準(zhǔn)備連接的目的AP創(chuàng)建的(或Adhoc)網(wǎng)絡(luò)。串口