第二章 系统方案设计
2.1 系统总体方案
本设计包含数据采集部分、数据处理部分和数据传输部分。数据采集部分采用了气体浓度检测传感器和ADC转换芯片设计，将物理量转换成输出稳定的数字信号，提升精准度。系统使用的温湿度传感器芯片直接测量温湿度。核心元件选用STC89C52芯片，实时采集传感器和ADC转换数据，对数据进行处理，输出显示数据和发出I/O控制信号。系统配置了三个按键，其作用是设定环境参数检测值的上限和下限报警值。系统选用+5V电路，为整个系统供电。显示器选用液晶模块，其目的在于显示当前空气质量和温湿度以及设置值。
空气质量由继电器控制风扇，当测得的污染程度大于设置最大值时，继电器闭合，开始进行通风；最后是蜂鸣器和LED组成声光报警，当测得的温湿度、粉尘超过设置的最大值和最小值时，进行声光报警[14]。
单片机的最小系统是空气质量检测系统的主控电路，以单片机为核心，复位电路、时钟电路和调试电路组成。传感器是数据的检测端和输出信号段，显示器和蜂鸣器等电路是系统的负载电路。
2.2.4 显示电路方案选择
方案一：数码管。数码管是一类智能对数字和点显示的元件，内部是由8个发光二极管构成。数码管的显示效果较好，并且设计电路和编写程序较为方便，使用成本较低。数码管的分类方式有多种，电路响应速度快，并且具有高频特性，使用寿命长。数码管的不足之处在于显示单一，实际体积较大。
方案二：LCD1602。此屏幕是一款经典的LCD显示器，被广泛使用在小型的嵌入式系统中。屏幕是由LCD显示屏和驱动电路组成，能够显示字符和简易的图形，不能显示复杂的汉字。屏幕的分辨率在16*2，可显示两行数据，带有光标，可对设置过程显示。屏幕显示的画质较为清晰，实际运行电流较小，整体功耗低[16]。
可以看出LCD的数据显示数量明显大于数码管，而且电路规模也不大。本设计需要显示至少个参数和一些设计参数，如果使用数码管显示就会用到很多数码管才能全部显示完全，为了减小显示电路的规模，所以选用LCD进行显示。
2.2.5 显示方案设计
方案一：每一个传感器参数显示出来的同时，与之对应的设置值也显示出来。通过按键切换各个传感器的测量，这样同时能看到一个传感器的所有信息。但是这样会导致其他传感器的数据不能实时显示出来，需要不断切换传感器来完成查看功能。那就有必要考虑加入自动定时切换功能，这样程序的复杂度又增加了。因为在设置的时候还要考虑关闭自动切换功能。
方案二：将所有传感器数值一次性全部显示出来，隐藏设置值。设置值只有在设置模式下才会被显示出来，通过按键切换设置模式。这个方案保证了传感器显示的实时性，对于应对突发情况能一目了然。
综上对比来看，尽量减少程序复杂度比较好，这样可以避免很多逻辑问题，减少设计难度。所以选择方案二。
第三章 空气质量检测仪硬件电路设计
3.1 单片机最小系统
空气质量检测系统的核心元件选用STC89C52芯片，芯片的外围电路是由电源、时钟和复位电路组成，最小系统工作图如图3-1所示。
图3-1单片机最小系统
3.6 按键电路设计
本课题使用4个按键作为设置口，将4个按键分别和STC89C52芯片的P20~P23口。由于I/O口内部集成了上拉电，在外部不单独使用上拉电阻，将按键的2脚接地处理。按键是个机械式结构，当按键闭合后便会导通I/O口，高电平编程低电平，单片机采集到数据一次。主芯片在固定的周期内，采集按键的状态，并对闭合按键的优先级判断，执行响应的程序，程序设计如图3-9。
图3-9独立按键电路
第四章 空气质量检测仪软件设计
软件主流程如图所示：
图4-1主程序流程图
4.1 粉尘浓度报警设计
当处于正常模式时，系统测量空气质量，并将参数送入显示。如果参数过限，就会启动报警。工作期间有按键按下就会进入设置模式，此时对按键继续进行检测，然后设置报警值，屏幕显示当前报警值。
图4-2粉尘浓度报警流程图
第五章 系统调试与结果分析
5.1 Keil Vision5开发环境
Keil Vision软件是一款专业的嵌入式编程软件，支持C语言和汇编语言编程方式，操作页面简洁直观，提升程序设计效率。软件内部集成了编译器、工程管理器、安装包和调试跟踪等功能，支持在线编程功能，使用SWD烧录程序的速度非常快。软件内部集成了Cortex-M、Cortex-R、ARM和ARM系列芯片的编程环境和常用函数代码，直接从库中调用即可[21]。软件带有程序调试器和提供专业的仿真环境，并为设计者提供请打的GUI库支持，通过使用分析工具对程序进行优化，将寄存器或存储器的使用状态展示给用户。由于软件中没有STCC芯片，本文使用Keil Vision软件新建一个工程，选用功能相同的ATC芯片作为嵌入式芯片，进行编程，操作如图所示。
图5-1新建软件工程
5.3.4 结果演示
启动仿真以后不做任何操作，观察显示器显示能否正常工作，以及数值是否正确。
图5-16显示测试
从图中可以看出显示屏上显示了当前温度位.度，湿度为.%，粉尘浓度为mg/m。当PM.实际值为时，温度℃，湿度.%时，结果显示正确
图5-17温湿度检测仿真
5.4 实物制作与调试
5.4.1 PCB设计与生产
经过Proteus.仿真软件对系统电路的功能进行测试，从各个模块的测试结果看出，电路功能和软件运行，均满足设计要求，对实物进行制作。本设计选用AD软件，绘制系统的PCB图，PCB设计分为建封装、布局、布线和出光绘等步骤。首先根据器件手册，绘制封装图，将封装加载至原理图中。在PCB页面调入网表，此时元件处于乱序状态，对照原理图，摆放元件，进行布局。布局过程，将显示器摆放在板子的上方，将WIFI模块摆放在显示器的左边，将主芯片摆放在板子的中间位置，其他电路模块随意放置。布局结束后，进行布线，本文使用软件自带的自动布线功能，一键完成布线。布线结束后，生成光绘文件，在嘉立创上下单制板，PCB设计如图所示，PCB板如图所示。
图5-19PCB设计
图5-20PCB板
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