基于Arduino空氣質(zhì)量檢測器開發(fā)

1、提供完整版的畢業(yè)設(shè)計(jì)2015網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)年設(shè)計(jì)題 目: 基于arduino空氣質(zhì)量檢測器開發(fā)系 別: 電子信息工程學(xué)院 班 級: 2011級網(wǎng)絡(luò)工程(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方向) 學(xué) 號: 姓 名: 指導(dǎo)教師: 起訖日期: 基于android空氣質(zhì)量檢測器開發(fā)摘要：空氣環(huán)境(溫度、濕度、污染物等)是人類生存的自然環(huán)境的重要組成部分,也是人類生存、發(fā)展的基本物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)條件、生活水平的改善和提高，建筑結(jié)構(gòu)的封閉化室內(nèi)辦公人員的增加，indoor air quality（iaq）室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究吸引了越來越多人的關(guān)注。人的一生有三分之二的時(shí)間在室內(nèi)度過的。本文為了便于設(shè)計(jì)和測量，選取了dht1

2、1數(shù)字溫濕度傳感器和dsm501灰塵傳感器（可按需要自由添加其他傳感器），研究設(shè)計(jì)了一種旨在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度、有害氣體的監(jiān)測的空氣檢測器系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)方案基于arduino單片機(jī)，相關(guān)傳感器來實(shí)現(xiàn)。將傳感器回路輸出的信號經(jīng)由arduino單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由lcd1602點(diǎn)陣式液晶屏顯示數(shù)值。文中詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理過程、數(shù)據(jù)顯示子系統(tǒng)以及單片機(jī)與pc機(jī)通信的設(shè)計(jì)方法和過程。關(guān)鍵詞：室內(nèi)空氣品質(zhì)、dht11數(shù)字溫濕度傳感器、dsm501灰塵傳感器、arduino單片機(jī)目 錄第一章 緒論11.1 選題背景與意義11.2 與本課題相關(guān)的國內(nèi)外研究狀況21.3 主要研究內(nèi)容3第二

3、章 運(yùn)行環(huán)境、硬件選取及技術(shù)簡介42.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境42.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境42.3 硬件選取42.3.1 arduino開發(fā)平臺42.3.2 傳感器模塊5溫濕度傳感器模塊5粉塵傳感器模塊11藍(lán)牙模塊15液晶顯示模塊152.4 技術(shù)簡介212.4.1 arduino開發(fā)技術(shù)212.4.2 android開發(fā)技術(shù)222.4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)22第三章 軟件設(shè)計(jì)分析243.1 編譯語言的選擇243.1.1 arduino語言243.1.2 android語言243.2 軟件功能需求243.3 軟件模塊設(shè)計(jì)253.3.1 主程序模塊253.3.1 液晶顯示模塊29第四章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)304.1 系統(tǒng)網(wǎng)

4、絡(luò)拓?fù)鋱D304.2 系統(tǒng)功能模塊圖設(shè)計(jì)32第五章 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)335.1 iaq數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)33第六章 仿真調(diào)試346.1系統(tǒng)硬件調(diào)試346.6.1 常見的硬件故障346.6.1 硬件調(diào)試方法346.2系統(tǒng)軟件調(diào)試35第七章 總結(jié)377.1主要結(jié)論377.2 展望37參考文獻(xiàn)38第一章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)條件、生活水平的改善和提高，建筑結(jié)構(gòu)的封閉化室內(nèi)辦公人員的增加，indoor air quality（iaq）室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究吸引了越來越多人的關(guān)注。美國科學(xué)家在80年代末的一項(xiàng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)有害污染物濃度比室外高，有的甚至高達(dá)100倍。我國有關(guān)部門在1994年的一次調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，城市室

5、內(nèi)空氣的污染程度比室外嚴(yán)重，有的超過室外56倍。據(jù)估計(jì)，人的一生平均90%的時(shí)間在室內(nèi)度過，室內(nèi)作為現(xiàn)代人類最主要的活動場所之一，其環(huán)境品質(zhì)與人類健康息息相關(guān)。由此造成的病態(tài)建筑綜合癥（sbssick building syndrome）：現(xiàn)代都市病，包括頭痛、惡心 疲乏、失眠、記憶力衰退 皮膚、粘膜有刺激感（眼紅、流淚、咽干） 呼吸紊亂等也越來越突出。iaq在健康方面的影響：美國環(huán)保署(epa)調(diào)查表明:在美國，iaq問題是有關(guān)全民健康的首要問題之一，受其影響的美國人口多達(dá)3000萬，造成的經(jīng)濟(jì)損失超過了400億美元/年，這些數(shù)字令人觸目驚心；加拿大衛(wèi)生組織調(diào)查表明：68%的疾病與室內(nèi)環(huán)境污

6、染有關(guān)，其中80%90%的癌癥與居住環(huán)境和生活習(xí)慣有關(guān);英國科學(xué)家漢密爾頓測驗(yàn)了220名英國人血液中60種化學(xué)元素的平均含量，發(fā)現(xiàn)其與地殼中這些元素的含量分布相當(dāng);湖南省相關(guān)部門對空氣污染區(qū)及清潔區(qū)9-10歲兒童為調(diào)查對象，研究空氣污染對兒童免疫力的影響，結(jié)果顯示:污染區(qū)兒童的免疫能力僅為清潔區(qū)兒童免疫能力的1/3;據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年有11萬人因iaq不好而導(dǎo)致死亡; 從我國“室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測中心”對iaq監(jiān)測力度越來越大的趨勢也可以看出，此問題在我國也是越來越嚴(yán)重。iaq在工作效率及社會經(jīng)濟(jì)方面的影響：美國“職業(yè)安全及健康管理局”估計(jì)因室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量惡劣而導(dǎo)致每個(gè)員工每天損失14-15分鐘的工作時(shí)間

7、，不僅損失了生產(chǎn)力，使成本上升，而且也導(dǎo)致醫(yī)療費(fèi)用的增多影響整個(gè)社會的經(jīng)濟(jì)利益;美國的另一項(xiàng)調(diào)查得知由于iaq惡劣而導(dǎo)致總經(jīng)濟(jì)成本的損失每年高達(dá)47-54億美元(沒有包括對建筑材料及各種器材的損失);香港環(huán)保署的首份iaq調(diào)查表明香港辦公室和公共場所的iaq不佳，造成醫(yī)療費(fèi)、生產(chǎn)力和機(jī)電費(fèi)的損失每年高達(dá)176億元。鑒于此，人們認(rèn)識到解決iaq問題的重要性與迫切性，同時(shí)iaq問題已經(jīng)成為建筑環(huán)境、醫(yī)藥衛(wèi)生、智能監(jiān)測、自動控制等研究領(lǐng)域所關(guān)心的問題。1.1 選題背景與意義目前由于建筑材料品質(zhì)不一、劣質(zhì)燃料、抽煙、通風(fēng)不良等原因，室內(nèi)的空氣狀況往往不如室外，盡管大量的空調(diào)系統(tǒng)被應(yīng)用到室內(nèi)空間，但往往

8、為了節(jié)能，減少自然通風(fēng)了而利用回風(fēng)，使iaq進(jìn)一步惡化，同時(shí)出現(xiàn)的舒適性空調(diào)僅著眼于熱舒適，忽視了空氣凈化，從而導(dǎo)致了一些負(fù)面作用: sbs(sick building syndrom)建筑物綜合癥、bri(building rolated illiness)建筑物關(guān)聯(lián)癥和mcs(multiple chemical sensitivity)化學(xué)物資過敏癥等。隨著人們對iaq認(rèn)識程度的加深，以及健康保健知識的發(fā)展，人們不僅希望知道是什么污染物在作怪，更希望知道污染的濃度水平如何?這種濃度會對健康造成什么短期和長期危害?對存在的污染應(yīng)該如何控制治理? 在這種情況下，設(shè)計(jì)開發(fā)一套空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)是有

9、現(xiàn)實(shí)意義的。目前，對于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測具儀表已經(jīng)有很多種，雖然此類儀表成本不是很高，監(jiān)測速度較快，但是絕大數(shù)產(chǎn)品只是用來監(jiān)測，不具備自動控制調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣質(zhì)量的能力。實(shí)際上，單純的監(jiān)測不能提供經(jīng)濟(jì)可行的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)措施，因此只有以控制作為監(jiān)測的后備支持，監(jiān)測工作才可以更深入持久地開展下去，才能達(dá)到監(jiān)測和控制的有機(jī)結(jié)合，盡快為人們創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境。因此，本文基于量化監(jiān)測，提出“空氣質(zhì)量檢測器”系統(tǒng)，此系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度、有害氣體的預(yù)警監(jiān)測，為人類營造一個(gè)健康的室內(nèi)生存空間。1.2 與本課題相關(guān)的國內(nèi)外研究狀況氣體傳感器測定粉塵成為近年來粉塵檢測研究的新熱點(diǎn)。早在1983年，壓電類粉塵傳感

10、器就已問世。這種傳感器可以不需要對樣品進(jìn)行任何處理就可以測定，但易受水分子的影響而使晶體震動頻率發(fā)生漂移，故基本無實(shí)用性。為適應(yīng)室內(nèi)空氣粉塵現(xiàn)場快速檢測的要求，目前已開發(fā)出不少粉塵快速測定儀，這些儀器可直接在現(xiàn)場測定粉塵濃度，操作方便，適用于室內(nèi)和公共場所空氣中粉塵濃度的現(xiàn)場測定，也適用于環(huán)境測試艙法測定木質(zhì)板材中的粉塵釋放量。但這些儀器的工作原理、響應(yīng)性能、適應(yīng)范圍等都不同。在測試粉塵等有害氣體方面，國外比較出名的有:美國esc公司生產(chǎn)的z一300粉塵檢測儀、英國ppm公司生產(chǎn)的ppm-400粉塵檢測儀;國內(nèi)的有:江蘇安普電子工程有限公司生產(chǎn)的400型粉塵分析儀、北京賓達(dá)綠創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)

11、的粉塵測定儀抑一308等。這些儀器可實(shí)現(xiàn)對有害氣體的檢測功能，適用于專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)研究機(jī)構(gòu)。準(zhǔn)確測定粉塵、苯、氨等有害氣體的設(shè)備昂貴(如英國ppm公司生產(chǎn)的ppm400粉塵儀約兩萬多元)，測定時(shí)間較長，每隔一段時(shí)間就需進(jìn)行重新標(biāo)定，需要專業(yè)人員進(jìn)行操作，很難連續(xù)測定；目前國內(nèi)外產(chǎn)品的設(shè)計(jì)差異主要集中在監(jiān)測傳感器和控制單片機(jī)芯片的選用，操作方面國外的產(chǎn)品操作界面方便，功能更加完備。1.3 主要研究內(nèi)容本課題主要集中在空氣質(zhì)量的監(jiān)測、顯示兩個(gè)方面：（1）確定監(jiān)測對象（2）室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的各個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)（3）室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測儀的各個(gè)軟件模塊的設(shè)計(jì)（4）整個(gè)系統(tǒng)的仿真調(diào)試（5）總結(jié)本文研究

12、工作以及在研究方面存在的不足，提出了進(jìn)一步研究的展望第二章 運(yùn)行環(huán)境、硬件選取及技術(shù)簡介2.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行環(huán)境如表2-1所示。表2-1 運(yùn)行環(huán)境名稱要求配置操作系統(tǒng)windows xp/win7/win8數(shù)據(jù)庫服務(wù)器mysqlandroid系統(tǒng)android 2.3.3以上開發(fā)平臺eclipse、arduino uno開發(fā)平臺2.2 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)是基于arduino開發(fā)平臺開發(fā)的。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)服務(wù)中心采用的數(shù)據(jù)庫是mysql。系統(tǒng)主要以eclipse為開發(fā)工具，運(yùn)用java、android等技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境如表2-2所示表2-2 開發(fā)環(huán)境分類名稱版本語種開發(fā)平臺arduino1

13、.5.6-r2中文操作系統(tǒng)windowsxp/win7/win8中文編譯器java development kit (jdk)jdk1.7.0_07英文數(shù)據(jù)庫mysql5.5英文android客戶端開發(fā)工具eclipseeclipse-java-juno-sr1-win32英文android osandroid for google apis(google inc)android 2.2.3以上英文2.3 硬件選取2.3.1 arduino開發(fā)平臺本系統(tǒng)是基于arduino開發(fā)平臺開發(fā)的。實(shí)物圖如圖2-1所示。圖2-1 arduino uno2.3.2 傳感器模塊溫濕度傳感器模塊溫濕度傳感器是

14、指能將溫度量和濕度量轉(zhuǎn)換成容易被測量處理的電信號的設(shè)備或裝置。溫濕度傳感器一般是測量溫度量和相對濕度量。鑒于測量溫濕度的范圍不大，精度要求不高故采用數(shù)字溫濕度傳感器dht11。具體實(shí)物圖如圖2-2所示：圖2-2 dht11數(shù)字溫濕度傳感器具有的特性：相對濕度和溫度測量、全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出、卓越的長期穩(wěn)定性、無需額外部件、超長的信號傳輸距離、超低能耗、4引腳安裝、完全互換。dht11產(chǎn)品概述dht11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)ntc測溫

15、元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)dht11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在otp內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。應(yīng)用領(lǐng)域:暖通空調(diào)、測試及檢測設(shè)備、汽車、數(shù)據(jù)記錄器、消費(fèi)品、自動控制、氣象站、家電、濕度調(diào)節(jié)器、醫(yī)療、除濕器。傳感器信息見表2-3：表2

16、-3 dht11傳感器信息型號測量范圍測濕精度測溫精度分辨力封裝dht112090rh 0505rh214針單排直插1、 傳感器性能說明見表2-4：表2-4 傳感器性能說明參數(shù)條件mintypmax單位濕度分辨率111%rh16bit重復(fù)性1%rh精度254%rh0505%rh互換性可完全互換量程范圍03090%rh252090%rh502080%rh響應(yīng)時(shí)間1/e(63%)25，1m/s 空氣61015s遲滯1%rh長期穩(wěn)定性典型值1%rh/yr溫度分辨率111161616bit重復(fù)性1精度12量程范圍050響應(yīng)時(shí)間1/e(63%)630s2、 接口說明建議連接線長度短于20米時(shí)用5k上拉電

17、阻，大于20米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻接線方式如圖2-3：圖2-3 典型接線電路3、電源引腳dht11的供電電壓為35.5v。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（vdd，gnd）之間可增加一個(gè)100nf 的電容，用以去耦濾波。4、串行接口 (單線雙向)data 用于微處理器與 dht11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零.操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8b

18、i溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。用戶mcu發(fā)送一次開始信號后，dht11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，dht11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，dht11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，dht11不會主動進(jìn)行溫濕度采集，采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。（1）.通訊過程如圖2-4所示圖2-4 通訊過程操作時(shí)序如圖2-5，總線空閑狀態(tài)為高電

19、平，主機(jī)把總線拉低等待dht11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒，保證dht11能檢測到起始信號。dht11接收到主機(jī)的開始信號后，等待主機(jī)開始信號結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號。主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時(shí)等待20-40us后，讀取dht11的響應(yīng)信號，主機(jī)發(fā)送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。圖2-5 操作時(shí)序總線為低電平，說明dht11發(fā)送響應(yīng)信號，dht11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時(shí)隙開始，高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。格式見下面圖示，如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則dht11沒

20、有響應(yīng)，請檢查線路是否連接正常。當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，dht11拉低總線50us，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。數(shù)字0信號表示方法如圖2-6所示圖2-6 數(shù)字0信號表示方法數(shù)字1信號表示方法如圖2-7所示圖2-7 數(shù)字1信號表示方法5、測量分辨率測量分辨率分別為 8bit（溫度）、8bit（濕度）。6、電氣特性如表2-5表2-5 電氣特性參數(shù)條件mintypmax單位供電dc355.5v供電電流測量0.52.5ma平均0.21ma待機(jī)100150ua采樣周期秒1次注:采樣周期間隔不得低于1秒鐘。7、應(yīng)用信息7.1工作與貯存條件超出建議的工作范圍可能導(dǎo)致高達(dá)3%rh的臨時(shí)性漂移信號

21、。返回正常工作條后，傳感器會緩慢地向校準(zhǔn)狀態(tài)恢復(fù)。要加速恢復(fù)進(jìn)程/可參閱7.3小節(jié)的“恢復(fù)處理”。在非正常工作條件下長時(shí)間使用會加速產(chǎn)品的老化過程。7.2暴露在化學(xué)物質(zhì)中電阻式濕度傳感器的感應(yīng)層會受到化學(xué)蒸汽的干擾，化學(xué)物質(zhì)在感應(yīng)層中的擴(kuò)散可能導(dǎo)致測量值漂移和靈敏度下降。在一個(gè)純凈的環(huán)境中，污染物質(zhì)會緩慢地釋放出去。下文所述的恢復(fù)處理將加速實(shí)現(xiàn)這一過程。高濃度的化學(xué)污染會導(dǎo)致傳感器感應(yīng)層的徹底損壞。7.3恢復(fù)處理置于極限工作條件下或化學(xué)蒸汽中的傳感器，通過如下處理程序，可使其恢復(fù)到校準(zhǔn)時(shí)的狀態(tài)。在50-60和70%rh的濕度條件下保持5小時(shí)以上。7.4溫度影響氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于

22、溫度。因此在測量濕度時(shí)，應(yīng)盡可能保證濕度傳感器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個(gè)印刷線路板，在安裝時(shí)應(yīng)盡可能將dht11遠(yuǎn)離電子元件，并安裝在熱源下方，同時(shí)保持外殼的良好通風(fēng)。為降低熱傳導(dǎo)，dht11與印刷電路板其它部分的銅鍍層應(yīng)盡可能最小，并在兩者之間留出一道縫隙。7.5光線長時(shí)間暴露在太陽光下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會使性能降低。7.6配線注意事項(xiàng)data信號線材質(zhì)量會影響通訊距離和通訊質(zhì)量,推薦使用高質(zhì)量屏蔽線。8、封裝信息如圖2-8，圖2-8 dht11封裝圖9、 dht11引腳說明見表2-6。表2-6 引腳說明pin名稱注釋1vdd供電 35.5vdc2data串行數(shù)據(jù)

23、，單總線3nc空腳，請懸空4gnd接地，電源負(fù)極本設(shè)計(jì)采用的為dht11模塊，原理圖為圖2-9：圖2-9 dht11模塊接線圖粉塵傳感器模塊灰塵傳感器dsm501可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等,加熱自動進(jìn)氣裝置，可調(diào)電阻設(shè)置檢測灰塵的大小。采用與粒子計(jì)算器相同原理為基礎(chǔ),檢測出單位體積粒子的絕對個(gè)數(shù)。具體實(shí)物圖如圖2-10所示：圖2-10灰塵傳感器dsm501灰塵傳感器dsm501主要特性：灰塵傳感器dsm501可以感知煙草產(chǎn)生的煙氣和花粉,房屋粉塵等；1微米以上的微小粒子；體積小,重量輕,便于安裝；5v的輸入電路,便于信號處理；內(nèi)藏氣流發(fā)生器,可以自行吸引外部大氣；保養(yǎng)簡單,可以長

24、期保持傳感器的特性。電器參數(shù)如圖2-11所示:圖2-11電氣參數(shù)輸出波形pwm如圖2-12所示:圖2-12 低脈沖率：rt=lt/ ut x100%特性曲線如圖2-13所示:：圖2-13 特性曲線原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-14所示：圖2-14引腳說明如圖2-15所示：1、 輸出腳vout 2 ：此腳位為普通輸出腳位，靈敏度已預(yù)設(shè)定，最小粒子檢出能力為1 m；2、 輸出腳vout 1 ：此腳位為可調(diào)輸出腳位，靈敏度可通過控制腳來調(diào)整，默認(rèn)為vout 2的2.5倍即最小粒子檢出能力為2.5m；3、 控制腳: 通過在此腳與gnd之間加一個(gè)電阻可調(diào)整vout 1的最小粒子檢出水平，調(diào)整電阻值可調(diào)整vout 1

25、的靈敏度。圖2-15藍(lán)牙模塊在藍(lán)牙模塊的采集上采用hc-05主從一體機(jī)藍(lán)牙，hc-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（master）、從（slave）和回環(huán)（loopback）三種工作角色。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時(shí)，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行下述所有at命令，用戶可向模塊發(fā)送各種at指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。通過控制模塊外部引腳（pio11）輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。具體實(shí)物圖如圖2-16所示：圖2-16 hc-05主從一體機(jī)藍(lán)牙液晶

26、顯示模塊本課題所要顯示的數(shù)據(jù)分別是粉塵濃度和室內(nèi)的溫度、濕度的測量值，故選用2行16個(gè)字符的lcd1602作為顯示模塊，滿足顯示要求。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點(diǎn)陣式lcd，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。下面以長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器為例，介紹其用法。一般1602字符型液晶顯示器實(shí)物如圖2-17：圖2-17 1602字符型液晶顯示器實(shí)物圖lcd1602的基本參數(shù)及引腳功能1602lcd分為帶背光

27、和不帶背光兩種，基控制器大部分為hd44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖2-18所示：圖2-18 1602lcd尺寸圖1602lcd主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量：16x2個(gè)字符芯片工作電壓：4.5v5.5v工作電流：2.0ma（5v）模塊兒最佳工作電壓：5.0v字符尺寸：2.954.35(wh)mm引腳功能說明：1602lcd采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（有背光）接口，各引腳說明如表2-7所示：表2-7 1602引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2數(shù)據(jù)2vdd電源正極10d3數(shù)據(jù)3vl液晶顯示偏壓11d4數(shù)據(jù)4rs數(shù)據(jù)/命令

28、選擇12d5數(shù)據(jù)5r/w讀/寫選擇13d6數(shù)據(jù)6e使能信號14d7數(shù)據(jù)7d0數(shù)據(jù)15bla背光源正極8d1數(shù)據(jù)16blk背光源負(fù)極第1腳：vss為地電源。第2腳：vdd接+5v正電源。第3腳：vl為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10k的電位器調(diào)整對比度。第4腳：ps為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：r/w為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)rs和r/w共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)rs為低電平r/w為高電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng)rs為高電平r/w為低電

29、平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：e端為使能端，當(dāng)e端由高電平跳變成低電平時(shí)，夜景模塊執(zhí)行命令。第714腳：d0d7為八位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負(fù)極。lcd1602的指令說明及時(shí)序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2-8所示：表2-8 控制命令表序號指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001i/ds4顯示開/關(guān)控制0000001dcb5光標(biāo)或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址

30、001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01bf計(jì)數(shù)器地址10寫數(shù)到cgram或ddram10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從cgram或ddram讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)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(biāo)復(fù)位到地址00h位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00h。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 i/d：光標(biāo)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(guān)控制。 d：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 c：控制光標(biāo)的開與

31、關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) b：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位 s/c：高電平時(shí)移動顯示的文字，低電平時(shí)移動光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令 dl：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線 n：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 f: 低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符。指令7：字符發(fā)生器ram地址設(shè)置。指令8：ddram地址設(shè)置。指令9：讀忙信號和光標(biāo)地址 bf：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。與hd44780相兼容的芯片時(shí)序如表2-9：表2-

32、9 基本操作時(shí)序表讀狀態(tài)輸入rs=l,r/w=h,e=h輸出d0d7=狀態(tài)字寫指令輸入rs=l,r/w=l,d0d7=指令碼,e=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入rs=h,r/w=h,e=h輸出d0d7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入rs=h,r/w=l,d0d7=數(shù)據(jù),e=高脈沖輸出無讀寫操作時(shí)序如圖2-19和2-20所示：圖2-19 讀操作時(shí)序圖2-20 寫操作時(shí)序1602lcd的ram地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫表液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖2-21是1602的內(nèi)部顯示地址。圖

33、2-21 1602lcd內(nèi)部顯示地址第二行第一個(gè)字符的地址是40h，寫入顯示地址時(shí)要求最高位d7恒定為高電平1所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是：01000000b（40h）+10000000b(80h)=11000000b(c0h)。在對液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（cgrom）已經(jīng)存儲了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。lcd1602的一般初始化過程延時(shí)15ms寫指

34、令38h（不檢測忙信號）延時(shí)5ms寫指令38h（不檢測忙信號）延時(shí)5ms寫指令38h（不檢測忙信號）以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號寫指令38h：顯示模式設(shè)置寫指令08h：顯示關(guān)閉寫指令01h：顯示清屏寫指令06h：顯示光標(biāo)移動設(shè)置寫指令0ch：顯示開及光標(biāo)設(shè)置lcd1602的具體接線路圖如圖2-22所示。圖2-22 lcd1602接線電路圖2.4 技術(shù)簡介本系統(tǒng)涉及的主要技術(shù)有arduino開發(fā)技術(shù)、android開發(fā)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2.4.1 arduino開發(fā)技術(shù)arduino，是一個(gè)基于開放原始碼的軟硬件平臺，構(gòu)建于開放原始碼simple i/o介面版，并且具有使用類似

35、java，c語言的processing/wiring開發(fā)環(huán)境。arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，收錄進(jìn)微控制器。對arduino的編程是利用 arduino編程語言 (基于 wiring)和arduino開發(fā)環(huán)境(based on processing)來實(shí)現(xiàn)的?；赼rduino的項(xiàng)目，可以只包含arduino，也可以包含arduino和其他一些在pc上運(yùn)行的軟件，他們之間進(jìn)行通信 (比如 flash, processing, maxmsp)來實(shí)現(xiàn)。你可

36、以自己動手制作，也可以購買成品套裝;arduino所使用到的軟件都可以免費(fèi)下載. 硬件參考設(shè)計(jì) (cad 文件)也是遵循availableopen-source協(xié)議, 你可以非常自由地 根據(jù)你自己的要求去修改他們.arduino可以使用開發(fā)完成的電子元件例如switch或sensors或其他控制器、led、步進(jìn)馬達(dá)或其他輸出裝置。arduino也可以獨(dú)立運(yùn)作成為一個(gè)可以跟軟件溝通的接口，例如說：flash、processing、max/msp、vvvv或其他互動軟件。 2.4.2 android開發(fā)技術(shù)android在05年被谷歌收購，經(jīng)過改良打造后，谷歌公司在2007年11月5日正式發(fā)布了這

37、個(gè)以linux為系統(tǒng)內(nèi)核的移動終端設(shè)備操作系統(tǒng)，由于linux是眾所周知的開源操作系統(tǒng)，使得android移動設(shè)備操作平臺成為完全真正意義上開源的支持移動設(shè)備的平臺11。谷歌的這一舉動，使得android在全世界開始風(fēng)靡，各種基于android操作系統(tǒng)的應(yīng)用軟件在各行各業(yè)也開始層出不窮。android的系統(tǒng)架構(gòu)包含四層分別是application、application framework、libraries和android runtime、linux kernel，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2-5所示：圖2-5 android系統(tǒng)架構(gòu)圖(來自谷歌 android) 2.4.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)從字義可

38、知就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，具體來說，就是在制定好協(xié)議的情況下，利用感知設(shè)備獲取我們所關(guān)心的事物信息，并將信息接入各種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交流，形成一種可以實(shí)時(shí)信息采集、傳輸、控制、及信息服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。而物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)分為六個(gè)部分：物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、信息服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)及信息服務(wù)客戶端，物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)組成圖如圖2-6所示。圖2-6 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)組成圖第三章 軟件設(shè)計(jì)分析3.1 編譯語言的選擇本次開發(fā)當(dāng)中使用到arduino語言和android編程語言：3.1.1 arduino語言arduino，是一個(gè)基于開放原始碼的軟硬體平臺，構(gòu)建于開放原始碼simple i/o介面版，

39、并且具有使用類似java，c語言的processing/wiring開發(fā)環(huán)境。arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。對arduino的編程是利用 arduino編程語言 (基于 wiring)和arduino開發(fā)環(huán)境(based on processing)來實(shí)現(xiàn) 的?；赼rduino的項(xiàng)目，可以只包含arduino，也可以包含arduino和其他一些在pc上運(yùn)行的軟件，他們之間進(jìn)行通信 (比如 flash, processing, maxm

40、sp)來實(shí)現(xiàn)。arduino語言是建立在c/c+基礎(chǔ)上的，其實(shí)也就是基礎(chǔ)的c語言，arduino語言只不過把a(bǔ)vr單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都函數(shù)化。3.1.2 android語言android開發(fā)采用java語言，java是一種編程語言，被特意設(shè)計(jì)用于互聯(lián)網(wǎng)的分布式環(huán)境。java具有類似于c+語言的“形式和感覺”，但它要比c+語言更易于使用，而且在編程時(shí)徹底采用了一種“以對象為導(dǎo)向”的方式。使用java編寫的應(yīng)用程序，既可以在一臺單獨(dú)的電腦上運(yùn)行，也可以被分布在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端和客戶端運(yùn)行。另外，java還可以被用來編寫容量很小的應(yīng)用程序模塊或者applet，做為網(wǎng)頁的一部分使用

41、。applet可使網(wǎng)頁使用者和網(wǎng)頁之間進(jìn)行交互式操作。3.2 軟件功能需求系統(tǒng)軟件主要由溫濕傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、粉塵傳感器數(shù)據(jù)采集、串口控制模塊、藍(lán)牙模塊等模塊構(gòu)成，各模塊功能概述如表3-1所示。功能模塊功能描述溫濕度傳感器采集模塊對溫濕度測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測粉塵傳感器采集模塊對pm2.5測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測串口模塊1、溫度、濕度測點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸2、pm2.5測點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸3、數(shù)據(jù)分析4、優(yōu)化數(shù)據(jù)備份5、數(shù)據(jù)備份藍(lán)牙模塊1、溫度、濕度測點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸2、pm2.5測點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸3、藍(lán)牙模塊通訊表3-13.3 軟件模塊設(shè)計(jì)3.3.1 主程序模塊主程序運(yùn)行流程圖如圖3-1所示。由主程序流程圖可以看出，軟件要實(shí)現(xiàn)的主要

42、功能是實(shí)現(xiàn)對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析、送液晶進(jìn)行顯示功能。程序開始時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)的各寄存器、ram、定時(shí)器裝載初值、中斷設(shè)置及各模塊初始化等。完成初始化后，cpu等待傳感器傳入信號及ad轉(zhuǎn)換結(jié)束，從而完成當(dāng)前監(jiān)測參數(shù)的正確顯示。開始初始化dht11傳感器數(shù)據(jù)采集粉塵傳感器采集顯示數(shù)據(jù)圖3-1arduino語句代碼：#include #include liquidcrystal_i2c lcd(0x27,20,4);int dhpin = 7;int pmpin = 8;unsigned long duration;unsigned long startt

43、ime;unsigned long sampletime_ms = 3000;unsigned long lowpulseoccupancy = 0;float ratio = 0;float concentration = 0;float pm25val = 0; float pm25coef = 0.00207916725464941; byte dat5;byte read_data() byte data; for(int i=0; i8; i+) if(digitalread(dhpin) = low) while(digitalread(dhpin) = low); /等待 50u

44、s； delaymicroseconds(30); /判斷高電平的持續(xù)時(shí)間，以判定數(shù)據(jù)是0還是1； if(digitalread(dhpin) = high) data |= (1(7-i); /高位在前，低位在后； while(digitalread(dhpin) = high); /數(shù)據(jù)1，等待下一位的接收； return data;void start_test() digitalwrite(dhpin,low); /拉低總線，發(fā)開始信號； delay(30); /延時(shí)要大于 18ms，以便 dht11 能檢測到開始信號； digitalwrite(dhpin,high); delaym

45、icroseconds(40); /等待 dht11 響應(yīng)； pinmode(dhpin,input); while(digitalread(dhpin) = high); delaymicroseconds(80); /dht11 發(fā)出響應(yīng)，拉低總線 80us； if(digitalread(dhpin) = low); delaymicroseconds(80); /dht11 拉高總線 80us 后開始發(fā)送數(shù)據(jù)； for(int i=0;i10 concentration = 1.1*pow(ratio,3)-3.8*pow(ratio,2)+520*ratio+0.62; / usin

46、g spec sheet curve concentration = 1.1*pow(ratio,3)-3.8*pow(ratio,2)+520*ratio+0.62; / using spec sheet curve / pm2.5 calc pm25val = pm25coef * concentration * 10; / 10 to transform 0.01 cf to 0.1 ft serial.print(pm2.5 = ); serial.print(pm25val); serial.println(g); lowpulseoccupancy = 0; starttime =

47、 millis(); start_test(); serial.print(current humdity = ); serial.print(dat0, dec); /顯示濕度的整數(shù)位； serial.print(.); serial.print(dat1,dec); /顯示濕度的小數(shù)位； serial.println(%); serial.print(current temperature = ); serial.print(dat2, dec); /顯示溫度的整數(shù)位； serial.print(.); serial.print(dat3,dec); /顯示溫度的小數(shù)位； serial.p

48、rintln(c); lcd.setcursor(0,1); lcd.print(humidity = ); /lcd.setcursor(14,1); lcd.print(dat0); lcd.print(.); lcd.print(dat1); lcd.print(%); delay(2000); lcd.setcursor(0,1); lcd.print(tempera = ); /lcd.setcursor(14,1); lcd.print(dat2); lcd.print(.); lcd.print(dat3); lcd.println(c ); delay(2000); lcd.s

49、etcursor(0,1); lcd.print(pm2.5 = ); /lcd.setcursor(14,1); lcd.print(pm25val); lcd.print(ug/m3); delay(2000);3.3.1 液晶顯示模塊液晶顯示d0到d7口接p0.0到 p0.7，單獨(dú)使用一個(gè)口，為了避免數(shù)據(jù)的干擾，由于p0口沒有上拉電阻，所以需要一個(gè)排阻進(jìn)行電壓的擴(kuò)大。在本設(shè)計(jì)中，由于不需要讀液晶操作，故只介紹寫操作。lcd1602的寫工作時(shí)序圖如圖3-2所示：圖3-2當(dāng)處于寫指令時(shí)，rs為低脈沖，r/w為低脈沖，d0-d7=指令碼，e=高脈沖。當(dāng)處于寫數(shù)據(jù)時(shí)，rs為高脈沖，r/w為低脈沖

50、，e為高脈沖，d0-d7=數(shù)據(jù)。流程圖如圖3-3：圖3-3第四章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4-1所示， 本系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)中心、信息服務(wù)接入網(wǎng)絡(luò)、信息服務(wù)客戶端六個(gè)部分組成。其中，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)：各個(gè)傳感器模塊收集各種數(shù)據(jù)，本項(xiàng)目需要用到dht11溫濕度傳感器、dsm501a灰塵傳感器等。網(wǎng)關(guān)：arduino開發(fā)板，將程序燒寫至arduino開發(fā)板上，arduino開發(fā)板對由傳感器模塊返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析得到有用的數(shù)據(jù)，通過串口與pc進(jìn)行通訊，通過藍(lán)牙模塊將信息發(fā)送給手機(jī)終端。數(shù)據(jù)服務(wù)中心：pc，管理由arduino開發(fā)板發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。信息服務(wù)客戶端：藍(lán)牙模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)終端并顯示。圖4-1 基于arduino空氣質(zhì)量檢測器的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D4.2 系