论文总字数：19867字

摘 要

小范围空气质量监测控制尤其是室内空气质量监测控制这个课题的必要性不言而喻。本次设计中室内空气质量监测参数包含PM2.5、可燃性气体、烟雾以及粉尘。

本次课题开展并完成以下工作：首先根据课题要求及文献资料，拟出整体设计方案；其次，依据整体设计方案，完成硬件设计，包括选择适当的元器件以及设计完成MQ-2烟雾传感器电路、PM2.5传感器电路、信号放大电路以及蜂鸣器电路和电磁继电器电路等硬件电路；接着，在已完成的硬件电路基础上，完成输入模块与输出模块的程序设计，主要是利用Arduino UNO R3 单片机开发板，通过相关程序实现小范围内可燃性气体、烟雾以及粉尘的实时LCD显示和监控处理。

关键词：MQ-2烟雾传感器 PM2.5传感器 单片机 液晶屏

The monitoring and controlling of air quality in small area

Abstract

The necessity for the monitoring and controlling of air quality in small area especially indoor is self-evident. In this design, the parameters of air quality monitoring indoor include PM2.5, flammable gas, smoke and dust. This topic is carried out and completed the following work: firstly, according to the requirements of the project and literature, drawing up overall design; secondly, completing the hardware design on the basis of the overall design. I chose the appropriate components, and designed to complete the MQ-2 smoke sensor circuit, PM2.5 sensor circuit, signal amplification circuit and buzzer circuit and electromagnetic relay circuit and other hardware circuit. After that, I finished the program design of input module and output module to achieve the real-time LCD displaying and monitoring of combustible gas, smoke and dust by processing through the relevant procedures by using Arduino UNO R3 in a small area.

Key words: MQ-2 smoke sensor; PM2.5 sensor; SOC; LCD

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

引言 1

第一章 课题概述 2

1.1课题系统功能分析 2

1.2系统框图 3

1.3课题功能模块的划分 3

第二章 硬件设计 4

2.1总体方案 4

2.2电源设计 4

2.2.1电源设计思路 4

2.2.2整流滤波 6

2.3输入模块设计 7

2.3.1信号放大电路设计 7

2.3.2输入信号限流稳压电路设计 8

2.4输出模块设计 8

2.4.1蜂鸣器电路设计 8

2.4.2 LED信号灯电路设计 9

2.4.3电磁继电器接风扇电机电路设计 10

2.4.4显示模块设计 10

第三章 主要硬件介绍 12

3.1单片机开发板 12

3.2 MQ-2烟雾传感器 14

3.2.1简介 14

3.2.2工作原理 15

3.2.3特性 15

3.3 PM2.5传感器 16

3.3.1工作原理 16

3.4 1602液晶显示器 17

第四章 软件设计 20

4.1 Arduino编程环境介绍 20

4.2 Arduino编程语言基础 21

4.3程序代码 23

第五章 设计功能实现与总结 28

5.1 设计功能实现流程 28

5.2总结 28

参考文献 30

致谢 31

引言

近几年来，环境污染问题得到了社会的高度重视，从政府到普通民众都关注着环境治理问题，其中，空气污染对我们生活的影响更为普遍。从室内的有毒、有害、异味气体，到室外的可吸入颗粒物PM2.5、PM10，空气质量无时无刻不影响着我们的生活。

室外空气质量的改善无疑是个漫长的过程，需要投入大量的社会资源和全人类的共同努力，但是，我们大部分时间所在的室内空间的空气质量监测和控制改善却是可行的。

本次设计通过相应传感器监测可燃性气体、烟雾以及可吸入粉尘，由单片机控制报警及新风系统，实现室内空气质量的监测和控制。主要设计功能是监测小范围内可燃性气体浓度以及可吸入粉尘浓度。该设计设想能过扩展功能，然后应用到私家车、卫生间、更衣室、办公居家、医院、学校、工厂等。

此次设计（论文）包括：本文第一章是课题概述，将本课题的知识背景做了简要分析，课题设计的整体内容，包括整体框图和各个功能模块的分类。在随后第二章内容中详细地介绍了电源模块、输入模块、输出模块的设计过程、辅助电路以及所用元器件。紧接着第三章对该课题设计所使用的硬件器件做了详细的介绍，包括单片机开发板、烟雾传感器、粉尘传感器、液晶显示器、蜂鸣器和继电器等等。到了第四章，专门介绍UNO R3单片机开发板在其开发环境下的编程语言。在软件设计中使用了Arduino编程语言，主要是用来处理传感器的输出信号，将模拟信号数字化，同时控制其显示在液晶显示器上面，而且实时的将传感器信号与其预定值比较，在空气中烟雾或粉尘浓度达到一定浓度是触发报警模块和新风模块。

第一章 课题概述

1.1课题系统功能分析

本课题主要是利用电子技术，传感器技术以及微处理技术，根据小范围空气质量影响因素不同，采取不同传感器分别测量的方法，应用单片机分析处理，通过多种反馈方式检测和控制小范围空气质量的系统。本系统的设计是建立在作者本科应用物理学专业的专业课程知识基础上的。本科期间的电子元器件课程、单片机原理课程、电源技术课程、电路和C语言等课程的专业知识位本次设计提供了理论基础。论文主要通过硬件设计和软件设计两方面对此次设计进行介绍。

硬件方面的设计主要包括电源电路设计，输入模块设计和输出模块设计。考虑到此次设计涉及元器件众多，电源电路设计过程中做出了针对性调整；输入模块中重点设计了信号放大电路以及限流稳压电路，确保系统输入模块安全有效，由于本次设计所使用的单片机开发板集成了A/D转换电路，在设计中便不再另加设计；输出模块中蜂鸣器电路设计和LCD与单片机开发板连接方式是设计重点。软件设计方面用的汇编语言是C语言，这和本次设计所使用的单片机开发板有关，此次软件设计的主要功能是对两个传感器检测信号的分析处理，实现实时显示，及时报警，同时适时稳定地开启新风系统。

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