有害气体浓度检测系统

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1、 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 L

2、CD 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

3、 . 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

4、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

5、。 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）

6、 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

7、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

8、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-

9、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（

10、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

11、 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

12、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，

13、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

14、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

15、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

16、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