基于人工智能的环境参数检测仪的设计.docx
《基于人工智能的环境参数检测仪的设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于人工智能的环境参数检测仪的设计.docx(47页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、毕业设计 题目:基于人工智能的环境参数检测仪的设计 专业: 电子信息工程 作者: 学号: 指导教师(职称): 二0 一五 年 四 月 六 日基于人工智能的环境参数检测仪的设计【摘要】 在众多空气污染问题中,雾霾是最接地气的,而作为雾霾大家庭中重要的一员的PM2.5更是家喻户晓。这种颗粒物不仅直径微小、还包含毒素,最让人揪心的是它能在大气中长期停留,能严重影响人类的健康。所以,不间断的检测大气中PM2.5的浓度是势在必行之事。在本次设计中,将以单片机STC12C5A60S2为控制核心,利用复合型温湿度传感器DHT11测量环境温湿度,利用粉尘传感器GP2Y10采集空气粉尘浓度,并用LCD1602显
2、示屏实时显示当前空气粉尘浓度及环境温湿度。若空气粉尘浓度、温度或湿度超过设置的限值时由WT588D芯片构建的语音模块会自动报警,无线传输技术将报警信息发送到指定手机。通过实践,证明该检测仪的稳定性好、准确性高、时效性强,有一定的开发价值。【关键词】 PM2.5 STC12C5A60S2 温湿度Based on the design of the artificial intelligence environment parameters of the detector【Abstract】: Among the many problems of air pollution, haze is th
3、e most ground gas, but as PM2.5 haze, one of the main components is the household.The particle diameter of tiny, also contains toxin, not only the most concern is that it can stay in the atmosphere for a long time, can seriously affect human health. So, it is imperative to real-time detection of PM2
4、.5 concentrations.This design will STC12C5A60S2 microcontroller as the core, the digital temperature and humidity sensors to measure temperature and humidity DHT11 by dust collecting airborne dust concentration sensor GP2Y10 and LCD1602 display with real-time display of the current air temperature a
5、nd humidity and dust concentration.If the air dust concentration,temperature or humidity exceeds the limit of the set WT588D voice chip automatic alarm, wireless transmission technology to the designated mobile phone to send out alarm information. Through practice, proves that the detector has good
6、stability, high accuracy, timeliness strong, has the certain development value.【 Keywords】: PM2.5 STC12C5A60S2 Temperature and humidity目录第1章 引言31.1 环境参数检测仪的研究意义31.2 环境参数检测仪的发展历程和现状31.3 环境参数检测仪的研究内容和关键问题4第2章 环境参数检测仪系统的总体概述42.1 系统总体框图42.2 系统各模块的功能52.3 系统各模块的特点5第3章 系统硬件电路设计63.1 单片机最小系统模块设计63.2 语音模块设计73
7、.3 LCD1602液晶显示模块设计103.4 温湿度采集模块设计12 3.5 PM2.5检测模块设计133.6 按键电路设计143.7 GPRS模块设计14第4章 系统软件设计154.1 软件设计的总体思路154.2 软件设计主程序流程图164.3 部分模块软件设计17第5章 系统整装调试19 5.1 语音模块测试195.2 温湿度模块测试 195.3 PM2.5检测模块测试19 5.4 GPRS模块测试195.5 综合测试195.6 测试反馈及问题解决20结束语20致谢语21参考文献21附 录 22第1章 引言本章主要介绍了环境参数检测仪的研究意义、发展历程和现状,进而提出本课题主要的研究
8、内容和研究过程中需要解决的关键问题。1.1 环境参数检测仪的研究意义科学技术的发展是一把双刃剑,一方面高科技帮助人类探索越来越多的未知领域,另一方面高科技也给人类带来许许多多的问题。如果将这一矛盾具现化到我们的日常生活中,最典型的便是人类能看到的天空越来越大,但能看到的蓝天却越来越少,检测与改善空气质量已经成了当下急需处理的大事。以前,我们判断空气质量的标准是天空是不是蓝色。但是,随着空气问题越来越多,想要清楚的判断我们日常生活中接触的空气是否合格,我们就需要一定的数据支持。在众多空气检测数据中,PM2.5是一个非常有价值的数据。PM2.5在大气中的相对比重并不高,但由于其颗粒直径不大于2.5
9、微米,还包含毒素,最让人揪心的是它能在大气中长期停留,能严重影响人类的健康。有资料显示,长期吸入PM2.5将会影响人体肺部正常的气体交换,轻者会因此患上咳嗽、支气管发炎等气管方面的病症,严重者甚至会因此患上非致命性心脏病。据调查,近些年来欧洲每年因PM2.5致死的人数已经超过3万人,我国越来越多的城市和乡镇居民也正遭受PM2.5之痛。在这样的背景下,检测空气中PM2.5的含量显得十分必要。事实上,不仅要检测PM2.5浓度,还必须做到实时检测,进而为解决PM2.5带来的问题打下坚实的基础。本次设计制作的人工智能环境参数检测仪不仅能检测大气中PM2.5浓度,而且制造结构较为简单,稳定性较强,具有不
10、错的研发生产的前景4。1.2环境参数检测仪的发展历程和现状1979年,美国环境保护署将颗粒直径小于或等于10微米的颗粒物定义为可吸入颗粒物,也就是PM10。1994年,美国环境保护署再次定义颗粒物的概念,从此以后,直径不大于2.5微米的颗粒物有了自己的专属名称,也就是我们熟知的PM2.5。实际上,早在十数年前,环境参数检测仪就已经在专业研究领域中得以运用,但直到近些年来雾霾问题愈发的严重,PM2.5渐渐进入大众的视线,科学家们才将以检测PM2.5为主的仪器定义为环境参数检测仪。近些年,我国对于PM2.5浓度的检测的方法主要有测重法,通过滤膜沉淀一定体积的大气中的PM2.5,由滤膜前后质量的相差
11、值来确定PM2.5浓度;天平振荡法,即由滤膜质量变化引发振荡频率的变化,进而计算PM2.5浓度;射线衰减法,这种方法的前期准备和上述两个方法相同,首先都是通过滤膜沉淀PM2.5,再用Beta射线照射滤膜,依据射线通过滤膜的前后对比值来计算确定PM2.5浓度6。在PM2.5浓度检测仪的研究制造领域,我国也已取得一定的成就,最具说服力的是我国已经能制造内置滤膜并可在线采样的激光粉尘仪,一方面能实时检测大气中PM2.5的浓度,另一方面能解析相应颗粒物的成分,在专业的技术的支持下获得质量浓度转换系数K。1.3环境参数检测仪的研究内容和关键问题本次设计制作的是人工智能环境参数检测仪,即以STC12C5A
12、60S2单片机为中心构建系统,由粉尘传感器GP2Y10采集大气中PM2.5的浓度,由复合型温湿度传感器DHT11采集当前环境的温度与湿度,并用LCD1602显示屏实时显示当前空气粉尘浓度及环境温湿度。若空气粉尘浓度、温度或湿度超过设置的限值时语音模块自动报警,无线传输技术将报警信息发送到指定手机。针对实时环境参数的采集,对器材的灵敏度和稳定性有较高的要求,但考虑到该检测仪研发的目的是为大众服务,因此需要选用性价比较高的器件。除此之外,本次设计从人工智能角度出发,需要考虑数据反馈的及时性和用户体验,因此需要解决非单一报警器件和信息反馈器件加装于本系统的问题。第2章 环境参数检测仪系统的总体概述2
13、.1 系统总体框图本系统硬件主要包括了PM2.5传感器、GPRS通信模块、语音模块、单片机最小系统、LCD显示、温湿度传感器、用户按键等。系统的整体硬件设计框图如图2-1所示,各组成部分结构设计及相应功能在下文中分点介绍。MCUPM2.5传感器控制按键温湿度传感器语音模块GPRS模块LCD显示图2-1 系统整体硬件设计框图2.2 系统各模块的功能本系统可细分为三个部分:第一、硬件设计与制作,处理好硬件结构是检测仪满足设计要求的前提。第二、环境参数检测,将单片机STC12C5A60S2单片机作为系统构建中心点,利用温湿度采集模块检测温度和湿度,PM2.5检测模块检测PM2.5浓度。第三、显示反馈
14、,由LCD1602显示模块实时显示当前空气粉尘浓度及环境温湿度。当PM2.5或温湿度度超过设置的限值时WT588D语音芯片报警,GPRS模块将报警信息发送到指定手机。2.3 系统各模块的特点2.3.1语音模块本系统在报警模块的构建上选用了WT588D语音芯片,而非蜂鸣器,主要是出于蜂鸣器的功能较为单一,而WT588D语音芯片不仅功能性强,而且更人性化,相比之下较为适合本系统。WT588D语音芯片的控制模式十分多样,这是许多类似的芯片做不到的地方。当用户选择按键控制模式后,共有十五种按键触发方式供用户选择,其中关于电平保持的便有电平保持不可循环方式和电平保持可循环方式,除此之外还有较为常见的方式
15、有音量递增、音量递减等。除了按键控制外,用户还能选择一线串口控制或者三线串口控制,这两种控制模式在触发方式方面没有按键控制模式多样化,仅有两种可供选择的触发方式,第一种为直接法,即触发0到219地址位来选择播放或停止语音、调节语音声音大小等;第二种为间接法,即以MCU发码端为中介,进而实现语音控制的目的10。2.3.2温湿度采集模块针对温湿度进行数据采集的传感器有许多,可供选择的有测温度的PT100、测湿度的HIH4000、测温度与湿度的DHT11。PT100是一款测量温度的传感器,虽然精度高,但器件的购买价格同样很高,使用时性价比低;HIH4000湿度传感器显示精度2%RH,稳定性好;但由于
16、本系统重点在于检测PM2.5,出于性价比考虑决定选用复合型传感器DHT118。作为复合型传感器,DHT11在技术支持方面十分强大,精准的数字采集技术保证测量的温度与湿度的高准确性,稳定的温湿度信息传感技术可以有效的减少外界信息带来的干扰。在结构组成方面,DHT11传感器主要由NTC温度感应部分和电阻式湿度感应部分构成,除此之外,DHT11传感器还连接了一个高性能8位单片机,因此在响应速度方面较一般传感器更为快速。2.3.3 PM2.5检测模块本系统在PM2.5检测模块的构建上做了仔细挑选,最终决定选用粉尘传感器GP2Y10,这款传感器在检测空气中的粉尘方面的功能较为强大,例如汽车排放的尾气、花
17、朵散发的粉尘、香烟燃烧后产生的烟尘都逃不出GP2Y10的检测。由于内置了加热气流吸收和电阻可变装置,GP2Y10能很好的检测灰尘体积,而在检测颗粒绝对个数方面则充分利用了粒子计算器的原理来实现。相较于大多数粉尘传感器,GP2Y10在体积上相对小巧,方便携带和安装,在灵敏度上更是能测量最小直径为0.8微米的颗粒,同时由于内置加热气流吸收装置,GP2Y10实现了空气自动吸收检测,从整体来说具有非常高的性价比,是一款极具使用价值的粉尘传感器。因此,这款传感器往往被应用到空气交换器、PM2.5检测器、空气净化仪等仪器中。2.3.4 GPRS模块本系统在GPRS模块的构建上选用SIM900A模块。SIM
18、900A是一款三频段的GPRS模块,它在全球范围内的PCS 1900MHz、DCS 1800MHz、EGPRS 900MHz三种不同频率下都能正常运行,最多能提供十个GPRS多信道类型,除此之外,它能使用的GPRS编码方案多达四个,即CS-1到CS-4。为了保证SIM900A能投入到大多数的工业生产制造过程中,SIM900A在设计生产时便考虑到了体积问题,现有的SIM900A的高度为40毫米,宽度为33毫米,厚度仅为2.85毫米,是大多数小型移动器材的必备模块。第3章 系统硬件电路设计3.1 单片机最小系统模块设计本系统构建最小系统时选用STC12C5A60S2单片机,相应的最小系统图如图3-
19、1所示。图3-1 单片机最小系统图3.1.1 STC12C5A60S2的概述STC12C5A60S2单片机的生产公司宏晶科技,虽然这款单片机依旧属于单时钟单片机,但相比同类型的8051单片机,STC12C5A60S2在正常运行时损耗较低,而且响应速度快上不少,外界的干扰对其的影响程度较小,是一款高性价比的单片机。本次设计需要的单片机必须满足高速这一特点,而内置两个全双工串口的STC12C5A60S2的运行速度非常快,在速度方面是传统8051单片机的十倍左右,恰好满足设计需求3。3.1.2 STC12C5A60S2的管脚图STC12C5A60S2的管脚图如图3-2所示。图3-2 STC12C5A
20、60S2的管脚图3.1.3单片机最小系统的作用单片机模块作为核心模块,是整个设计系统中必不可少的一环,其作用主要体现在协调方面,保证设计系统中的所有模块能各司所职,组成一个完整的事故报警系统。从设计角度来看,采用事故驱动式报警机制,也就是说在一般情况下,核心部分实时解析采集到的数据,此时GPRS模块为预启状态,当事故发生时,GPRS模块进入启动状态,开始正常运行。GPRS模块的基础功能是预警和报警,但GPRS模块的设计理念是能接收大量信息,例如经纬度定位信息、实时报时信息、物体移动速度信息。因此,若需要以GPRS模块为基础建构信息量较大的复杂系统,只需要在GPRS模块上添加相应的扩展模块即可9
21、。3.2 语音模块设计本系统在报警模块的构建上选用了WT588D语音芯片,相应的框图如图3-3所示。音频输出BUSY输出控制端USB下载WT588D-U模块图3-3 WT588D语音芯片应用框图3.2.1封装管脚图WT588D语音芯片的封装管脚图如图3-4所示。图3-4 WT588D语音芯片的封装管脚图3.2.2控制模式WT588D语音芯片采用的控制模式为一线串口控制,即由一根数据线传输来自串口的信息。这种控制模式能实现的功能较多,调节声音大小,开始或停止播放语音都是其中之一。IO口P00、P01和P02的设置方式有两种,第一种是屏蔽,第二种是任意触发,用户可根据实际情况进行设置,端口分配表如
22、表3-1所示。表3-1 端口分配表I/O口P00P01P02P03功能按键K1按键K2按键K3DATA3.2.3控制时序图在控制时序方面,受限于数据线的数量为1,因此想要具体的表现数据位0和数据位1必须借助电平占空比。在这种情况下,如果要发送数据,必须提前五毫秒拉低数据信号。若数据位显示为0时,高低电平占空比为1比3;相反,若数据位显示为1时,高低电平占空比为3比1。在控制时序时,通信数据会从低位发送至高位,且在数据进行传输时,地址数据可以触发语音播报,不再需要提前接收命令码。在一线串口控制模式下,单个地址可以用D0到D7来表示,地址指令则可以用00H到DBH来表示,除此之外,E0H到E7H是
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 人工智能 环境参数 检测 设计
链接地址:https://www.31ppt.com/p-1906024.html