有害气体浓度检测系统
本科生毕业设计报告本科生毕业设计报告 学 院 物理与电子工程学院 专 业 电子信息工程 设计题目：有害气体浓度检测系统 学生姓名 指导教师 （副教授） （姓名及职称） 班 级 XXXXXXXXXXXX 学 号 XXXXXXX 完成日期：2016 年 4 月 乐山师范学院毕业论文（设计） 1 基于基于 arduinoarduino 有害气体浓度检测有害气体浓度检测 X XX X 物理与电子工程学院 电子信息工程 XX 【摘【摘 要】要】本设计采用 Arduino 为主控元件，与氨气、硫化物、苯系蒸汽等有害气体成线性 关系的传感器 MQ135 作为浓度检测，将检测到的气体综合浓度送至 TFT LCD 模块进行显示。 若有害气体浓度值超过了对人身体有害的伐值时， 由蜂鸣器进行声音报警和 TFT LCD 显示直 观报警，并通过蓝牙模块 HC06 将气体浓度情况发送至手机，用户根据场合需要，手机通过 蓝牙方式可对有害气体浓度伐值进行设置。经验证适用于煤气泄漏，烟雾检测。 【关键词】【关键词】 Arduino 控制 MQ135 TFT LCD HC06 蓝牙模块 乐山师范学院毕业论文（设计） 2 目录目录 1 前言 . 3 1.1 设计背景 3 1.2 设计目的和意义 3 2 任务的提出与方案论证 3 2.1 设计要求. 3 2.2 方案选择. 3 2.3 总体方案设计 4 3 系统电路设计 . 5 3.1 控制模块. 5 3.2 气体浓度检测模块 5 3.3 显示模块. 6 3.4 警报模块. 7 3.5 HC-06 蓝牙模块 . 8 3.6 系统的总体电路 9 4 系统程序设计 . 10 4.1 主程序流程图 10 4.2 MQ135、TFT、HC06 子程序流程图 12 5 系统硬件制作和软硬件调试 15 5.1 系统硬件制作 15 5.2 系统软硬件调试 16 5.3 缺点误差分析 . 20 6 总结思考 . 21 附录 23 系统部分源代码 23 乐山师范学院毕业论文（设计） 3 1 前言 1.11.1 设计背景设计背景 随着社会工业的发展， 推动着社会的进步，却也存在着时时刻刻危害着人类 生存的气体，那么通过什么方式才能知道我们环境所存在的气体的浓度呢，以便 做出及时处理和改善。社会上虽有检测有害气体浓度的设备，但是价格昂贵，不 能够普及使用，特别是家庭方面，煤气中毒事件屡见不鲜。生活中迫切需要一款 经济实用的有害气体浓度检测装置。 由于人们对手机的依赖程度很大， 如果有一款可将周围有害气体浓度发送至 用户手机上，可使人们远离有害气体危险区域。 1.2 1.2 设计目的和意义设计目的和意义 为将所学运用于实践中，提高自身能力的同时，考虑到社会所需，为人人都 能呼吸优质空气， 呼吁人们关注周围环境，因此做了一款基于 Arduino 的有害气 体浓度检测的设计。 2 任务的提出与方案论证 2.1 2.1 设计要求设计要求 1、可检测出 101000ppm 的有害气体的浓度（氨气、硫化物、苯系）； 2、通过显示器和手机界面显示有害气体浓度值； 3、有害气体达到危害人健康时，立刻报警； 4、报警有显示屏显示和蜂鸣器声音报警等，多途径的告诉周围的人们。 2.2 2.2 方案选择方案选择 方案一：采用单片机 STC89C51 为主进行设计，有 32 个 I/O 口，可供设计时 进行功能扩展，无需进行引脚扩展，设计过程中无需占用多大体积。有害气体浓 度采集可采用 QS-01，它与香烟气味、氨气、硫化物这类异味气体，对酒精、CO、 乐山师范学院毕业论文（设计） 4 较高浓度有机气体也有很好的灵敏度。 显示浓度值可采用 LCD1602 模块。 将有害 气体浓度发送至手机， 可采用无线 Wi-Fi 模块， 只需连上网络即可数据交互传送。 方案二：采用 Arduino 单片机为主进行设计，Arduino 有数字和模拟端口， 无需进行数模转换可直接读出所测气体浓度值，端口定义灵活， 代码开源易于无 联网设计。有害气体浓度采集可采用 MQ-135，可测氨气、硫化物、苯系等气体。 显示浓度值可采用 2.8 寸 TFT LCD 显示器。将有害气体浓度发送至手机，可采用 无线 HC-06 蓝牙模块，只需连上手机蓝牙即可数据交互传送。 在上述两种方案中，都可以很好的实现该系统的设计，但由于对单片机 STC89C51 在此设计中使用不方便、灵活等，而 Arduino 基础设计都有教程参考， 对我这种编程不是很好的学生提供了一个自己设计的机会。 有害气体浓度的采集 对比一下之后 QS-01 使用效果更好，但是我手中已经有了 MQ-135，所以将就用 MQ-135 传感器进行采集。在浓度的显示是选用 LCD1602 还是 2.8 寸 TFT LCD，相 对 2.8 寸 TFT LCD 而言， LCD1602 是能够熟练使用的， 但是考虑到设计使用用途， 需要彩色屏以及大一点的屏可远距离观测有害气体浓度值，因此在设计中选用 2.8 寸 TFT LCD。至于通过什么方式将有害气体浓度值传给手机呢，由于 Wi-Fi 可以远距离传输，开始选用的 Wi-Fi 传感器，可是由于 Wi-Fi 需要联网等原因， 调试不方便，故选用 HC-06 蓝牙模块。 综上所述，在本次设计中采用方案二。 2.3 2.3 总体方案设计总体方案设计 本设计规划的总体方案如下：在设计中采用 Arduino 为控制芯片，通过传感 器 MQ-135 实时监测周围有害气体浓度，将浓度值传送给 Arduino 进行判断处理 是否通过蜂鸣器报警，并通过 TFT LCD 显示其浓度，如果产生报警，则 TFT LCD 显示红色浓度值， 否则显示绿色或者黄色浓度值， 以便更直观。 并实时通过 HC-06 发送至手机客服端。图 2.1 为设计框架图： Arduino MQ-135 TFT LCTFT LCD D 显示浓显示浓 度度 蜂鸣器报警蜂鸣器报警 HC-06 蓝牙蓝牙 乐山师范学院毕业论文（设计） 5 图 2.1 系统框图 3 系统电路设计 3.1 3.1 控制模块控制模块 本次设计采用 Arduino Uno R3 芯片为主的控制器件，其中 0-13 为数字 I/O 口，A0-A5 为模拟 I/O 口，输出 5V /3.3V 直流电压两种选择。其芯片接口如图 3.1 所示： 图 3.1 Arduino 接口图 3.2 3.2 气体气体浓度浓度检测模块检测模块 MQ135 的电导率（SnO2）随空气中污染气体浓度的增加而增大，污染气体浓 度值有模拟、数字两种方式输出。在本次设计中需获得污染气体浓度值，所以选 择模拟端口输出。由于 Arduino 有模拟端口（A0A5），可直接读取模拟信号值， 故 MQ-135 与 Arduino 的接法如图 3.2 所示。 乐山师范学院毕业论文（设计） 6 图 3.2 MQ135 与 Arduino 接法 3.3.3 3 显示模块显示模块 TFT 显示屏在此显示浓度值和伐值，根据浓度值存在的区域，显示浓度值得 颜色不同。当 airvalue 时，浓度值显示颜色为红色，其含义为有害气体浓度达到危 害人生命的层度，提醒人们远离该环境。（air 为有害气体浓度，value 为气体 伐值）图 3.3 液晶显示连接原理图。 乐山师范学院毕业论文（设计） 7 图 3.3 液晶显示连接 3.3.4 4 警报模块警报模块 Arduino UNO R3 的 I/O 口输出电压 5V， 输出电流为 40mA， 工作时钟为 16Hz。 有源蜂鸣器电压为 3.55.5V， 电流小于 25mA， 因此 Arduino 的 I/O 口课直接驱 动蜂鸣器。采用有源蜂鸣器进行声音报警，与 Arduino 的接法如图 3.4 所示 图 3.4 报警装置接线图 GND：接地端 VCC：3.3V/5V 电源接入端 CLK:： CLK-13 MOSI：MOSI9 乐山师范学院毕业论文（设计） 8 3.3.5 5 HCHC- -0606 蓝牙蓝牙模块模块 Bluetooth 通信，蓝牙模块，具有低功耗，最大化的待机时间，适用于近距 离串口通信。图 3.5.1 为 HC-06 模块实物 图 3.5.1 HC-06 模块 首先拿到蓝牙模块需进行串口调试， 在此强调引脚接法， HC06 的 VCC 接 3.3V 左右,切记不可接 5V 电压，要成功将数据发送给手机端，TXRX。打开串口调 试软件，选择好串口并打开，设置好波特率（默认为 9600），先发送 AT，返回 OK 后方可进行下一步操作；发送 AT+BAUD*（*可为 19，A,B,C）进行波特率设 置，发送 AT+NAMEname（name 为修改名称）可对蓝牙名进行修改，只需修改一次 后将长期保存，发送 AT+PINxxxx（xxxx 为修改密码）对蓝牙配对密码进行修改， 密码只能为 4 位数。以上操作成功后，均会返回 OK，表示操作成功，设置后将 长期以设置参数有效。 下载 SoftwareSerial.h 库文件，利用软件将 A2，A3 设置成软串口，可通过 图 1 进行发送数据， 通过图 2 可进行数据接收， 从而实现串口数据交互。 图 3.5.2 为 HC-06 与 Arduino 连接图 VCC： 3.3V 电源接入端 GND：接地端 RXD：接收数据段 TXD：发送数据段 图 1 图 2 乐山师范学院毕业论文（设计） 9 图 3.5.2 HC-06 与 Arduino 连接图 3.3.6 6 系统的总体电路系统的总体电路 采用 Arduino 为主控制器件，空气质量传感器 MQ_135 作为空气浓度采集器 件，将数据通过模拟端口采集回来之后，通过 TFT 显示屏进行显示，并通过蓝牙 HC06 实时发送至手机。然后根据有害气体浓度对人体危害程度进行伐值设置， 可通过手机发送伐值进行设置， 如果浓度超过伐值进行声音报警，其电路硬件连 接如图 3.6 所示。 图 3.6 系统电路原理图 乐山师范学院毕业论文（设计） 10 4 系统程序设计 在设计过程中， 软硬件相结合才能够顺利完成项目的设计，只有在反复的实 践中才能对程序进行纠正和优化， 减少程序漏洞， 使之程序结构严谨， 系统稳定。 因此，在程序设计前需想好，使用这个硬件让它发挥着怎样的一个功能，以 便衡量硬件选择的合理性。 4.1 4.1 主程序流程图主程序流程图 在本次设计中要达到以下几点功能， 首先需将有害气体的浓度检测出来， 其 次是研究人体对有害气体适应的能力进行伐值设置， 声音报警， 最后通过两种方 式将有害气体的浓度呈现出来，即蓝牙发送至手机和 TFT 屏。为达到以上功能， 其主程序流程图如图 4.1 所示： 乐山师范学院毕业论文（设计） 11 图 4.1 主程序流程图 开始 Value 初始值 Valvalue? MQ135 浓度 Val 蜂鸣器报警 TFT 显示 Val HC06手机 是 否 手机 HC06？ 手机数字 value 是 否 乐山师范学院毕业论文（设计） 12 4.2 4.2 MQ135MQ135、TFTTFT、HC06HC06 子程序流程图子程序流程图 （1）MQ135 用于较精准的测出某一区域有害气体浓度的多少，与伐值进行 比较，超过则报警，其对应子程序流程如图 4.2.1。 图 4.2.1 MQ-135 程序流程图 开始 初始化设置 端口定义 扫描值Val 返回主程序 乐山师范学院毕业论文（设计） 13 （2）TFT 液晶显示屏，用于显示空气质量浓度。TFT 显示原理的子程序流程 如图 4.2.2。 4.2.2 TFT 显示程序流程图 开始 初始化程序 定义坐标 背景颜色、 字体大小设置 Valvalue? 浓度值红色显示 air 乐山师范学院毕业论文（设计） 24 #include #include “U
