二、硬件系统的设计
2.1 整体设计的方向
基于单片机STM32的PM2.5监控系统主要由五个基本的部分设计组成，它们五个组成部分为：基于单片机的控制部分的电路，警报部分的电路，按钮信号处理的部分，液晶显示屏部分和基于PM2.5检测信号处理部分的电路。此监控系统主要的目的是用于测试便携式的空气净化器中的PM2.5的灰尘颗粒浓度，是一个便携式的单片机大气环境颗粒浓度数据采集处理系统至其规划的检测区域内所采集的大气环境颗粒浓度数据的设计。此系统的设计也可以简称为PM2.5检测，是一个以基于单片机的STM32为设计基础的微控制器对单片机内灰尘颗粒的浓度进行检测。其中在这个系统的设计中特别添加了大气数据溢出颗粒浓度警报的功能，是为了使用户能够在单片机lcd上实时显示已经微控制器检测分析出来的PM2.5的灰尘颗粒数据。此系统设计中关于硬件的部分比较简单，容易于理解。
整个系统的硬件框架结构框图如图所示。
如图片中所显示，工作频率一般为72赫兹，该单片机系统的整个单片机工作频率一般为72赫兹，工作处理流程由一个arm微处理器系统进行控制，它可以说是最重要也是最具有核心的单片机工作处理部件。其单片机工作处理流程分为两个步骤:当一个STM32f103c8单片机处理器开始发出信号，采样处理模块开始进行采集数据，由所进行采集得到的处理器对数据进行了整合和处理后，再通过一块液晶的显示屏对数据进行了显示，当处理器采样的数据已经超出一台机开始所进行测试的标准值后，蜂鸣报警器系统会自动发出报警的信号。
2.2 有关单片机的模块
单片机广泛应用在家用电器、智能仪器仪表、工业设备自动化、自动控制、通信、国防工程技术尖端、汽车电子设备等相关技术领域[1]。一般学习工科的专业的学生很多都会接触到"单片机原理及应用"这门课程，不出意外，作为一名电子信息工程的大学生，它是我们必须学习的必修课程，通过对单片机的原理及设计与应用的基础理论学习，使得学生进一步掌握单片机程序系统设计的基本方法和应用技巧，培养了学生对于单片机简单原理和应用系统的综合理解和设计的能力。因此认真做好"单片机原理及应用"这一门课程的基础理论教学，对于培养和提高学生对解决实际应用技术问题的逻辑分析能力和自主创新能力具有重要的现实意义，它的应用能进一步使得学生对单片机思维的条理和逻辑更加严谨，更好地具备了后续选修课的基础理论学习和实际从事能力为自动化应用系统及电气控制相关技术领域的实际学习和工作打下坚实的理论基础。
单片机的单片机的译码分析原理其实也就是当该指令在单片机正常工作时，实质上就是单片机执行复合式指令的一个过程，而单片机执行译码分析指令的过程可以大致分为三个主要的部分:单片机取指令，译码分析计数器指令和单片机执行寄存器指令。
单片机的取指令就是根据单片机的程序执行计数器指令PC(也意即单片机控制programcounter)其中的一个值从单片机程序的存储器接口中读出当前程序要求单片机执行的译码分析指令并将其发送到指令寄存器。
译码分析指令，顾名思义就是把单片机的程序执行计数器指令操作码进行编译成单片机执行的译码。执行指令就是取出操作码后再取zd出操作数，按照操作码性质对操作数进行一种操作[2]。单片机在同一时间对不同指令进行不同操作，实现并行处理，这就是他的工作原理。
如果把智能单片机具体的作用比喻为某一个小的东西，例如把它具体化为一个我们常用的家庭电脑。它内部像家庭电脑一样是把CPU作为单片机最核心的部分，相当于人类的大脑和心脏。我们家庭常见的冰箱，洗衣机，空调里面都有单片机。它像人的大脑起着决策、运算、控制的作用。它的主要用途有：
智能手机的一个内核，用来自动收接手机短信，管理手机用户的视频图片、文本等，还比如可以用手机上网等，负责与电信运营商的虚拟主机用户交换信息。
智能单片机是煤气表的工作核心，可以说是采用美国的一家德州仪器公司生产的智能单片机，功耗极低，耗电在几微安，可以广泛应用在石油化工煤气等各种防爆技术等级高的防爆场合。美国的微星电子公司自主生产的pic系列单片机功耗也低，是16位的，采用的都是精简指令，使用方便[3]。这样可以作为车床流量传感器等计量控制控制设备的零部件和核心计量运算系统的元器件。
应用在国内的数控车床单片机做为流量计量控制车床的核心设备使用，可以很方便地接受各种图形控制指令，自动控制和完成对车床工件的自动加工控制工作。总之，单片机的一些特点用途很多，我们看见的只是单片机冰山的一角。从上面我们可以更进一步概括的讲：一块芯片成就一部计算机。它的价格便宜实惠、体积较小不占用空间、质量较轻便于携带，可以为学习、应用和开发提供了便利条件。
此设计用到的是STM32F103C8单片机，
STM32F103C8单片机具备以下特点：
（1）由ST厂商设计开发的STM32单片机拥有Armcortex -m内核，同时它还拥有一流的处理器和外设:1μs双12 uadc，双1 4兆位/秒的uart，18兆位/秒的uaspi等。，无论是在功耗还是系统集成方面也都有很好的技术性能，当然，低功耗的msp430系列单片机还不到一些，但这可能不会直接影响单片机工程师对它的普及和重视程度，因为它的硬件和软件结构简单，操作工具简单易用，加上它在单片机行业中强大的处理功能。
（2）STM32F103C8单片上电机专用微控制器：这是一款被大众所熟知的智能嵌入式高速低性能数控单片上电机专用微控制器，也是一款广泛适用于各种集成电路的智能嵌入式-片机微控制器，工作频率宽度范围主要为72mhz，总线的数据宽度为32位，输入/控制输出电路数据的总线宽度为37，程序文件存储器的宽度类型主要指的是64Kflash，程序文件存储器数据容量的宽度类型主要是64KB(64KX8)，其中的coram程序存储器数据容量的宽度类型主要为20KX8，它的输出电压-进入输出数据电源的宽度范围主要在2v左右到3.6v之间。
（3）STM32F103C8单片机专为满足用户要求可以实现各种价格便宜实惠、体积较小不占用空间、质量较轻便于携带的智能嵌入式应用管理程序而重新设计。单片机的应用程序数据存储器的工作容量一般范围是64Kb，需要的工作电压2v3.6v，工作电压环境下的温度控制范围一般为-40℃85℃。
（4）STM32F103C8单片机的内置高速存储器(最大128 KB闪存和20 KB SRAM)，所有型号都可以有2个12位ADC、3个标准通用16位定时器和1个PWM定时器，以及标准和扩展通信接口，但其接口范围最多可达2个I2C接口和SPISART接口以及3个新的USART接口。一个USBNRT接口和一个CAN接口[4]。其更是具备着丰富的的I / O端口和一个连接可以达到两条APB总线的外围设备。
（5）STM32F103单片机大部分系列下的微控制器产品大部分都需要具备节能省电的模式才足以保证低功耗广泛应用的性能要求。主要满足供电电压的条件是不需要低于2.0v但最好不需要超过3.6v；STM32F103单片机的大部分系列的微控制器产品都提供了一种不止是只有从36脚开始的还有100脚的6种不同器件封装的形式;无论是在工业上，医疗上更或者在信息科技领域的研究上都有可能根据这些不同的产品在封装的形式还有各种器件封装中的外设和配置不尽相同。
（6）STM32F103单片机的应用工业编程控制器件技术可以应用在扫描仪等等还有应用电机器件驱动和开关应用的可编程软件控制以及医疗和手持式应用电子设备的ppc以及游戏外设和软件gps应用平台等。
2.2.1 STM32F103单片机系统模块的作用
单片机的电路图如下图所示:主要显示的是STM32F103单片机的最小模块，该设计的大致方向可以从这个从这个模块看
2.4 按键电路的模块
在单片在一般的单片机系统里，按键控制电路是常见的一个输入控制设备，对于一般的单片机按键控制电路，按键如果是串接在一个按键电路中，通过触点的的接触和线路断开，来实现按键控制电路的通断。简单的一个道理来说就是:一个按键内部应该有两个触点。将按键电路中的一条线路进行截断，然后将两个断线分别的连接到按键的两个触点上。这样当使用者按下了按键或者是按下了按键或者是不放，按键内部的另外一个触点将两条线结合在一起，该条线导通;再或者是按一下了按键或者是松开了按键，触点会自动释放，该触点上的线路也就会自动断开。单片机按键的设计和构造或许在设计上会与单片机有所的不同，但工作原理仍然是一样的。
对于我们当前的单片机实验设计，它的三个按键信号处理电路的设计相比其他部分来说是简单的，按键处理电路的设计和焊接流程基本要求就两个，一是其中的一端必须要接上了单片机三个io的端口，二是其中的一端必须要接上了单片机的电源接地端。它的按键电路工作原理流程其实就是当我们在第一个按键处理电路的按键上有一个按钮正确需要按下时，相当于在第一个按键上有三个io的端口直接与地端相连接，这样就会出现强制的拉低电平。如果我们想要准确的知道第一个按键的设置是否正确需要按下，直接通过检测我们定义的三个按键io端口是否为拖拉低电平就可以了。功能说明如图中的三个按键上的K3、K4、K5功能分别是:K3表示我们设置PM的低电平阈值，K4表示阈值的增加，K5表示阈值的减小。
2.5 报警电路的模块
声光声光报警器的其工作原理主要就是由声光感应器根据外界条件和声光的变化，利用声，光的提示信号来进行声光报警。一般的感应式声光报警器的主要工作器件包括有声光感应器，二极管，蜂鸣器警报和电源。当我们感到外部条件的变化高于我们设定的标准时，报警应自动发出声光报警。
该设计相关部分的电路图如下所示：
三、软件系统的设计
3.1 开发环境简介：
Keil uvision5一般是 STM32单片机软件的开发平台为，如果我们需要下载相关的软件，则需要下载名为STC_ISP的软件。美国Keil软件公司自主开发了一个基于Keil C的系统，该系统兼容单片机C语言的通用软件开发。与其它汇编语言相比，与单片机C语言兼容的基于Keil C的系统具有明显的兼容性和在结构、功能、可维护性、可读性等方面的优势。这是单片机的C语言基于凯尔C . C语言软件开发的单片机系统，必须有一个完整的软件开发方案，包括连接器、宏汇编、C语言编译器，图书馆管理和一个功能强大的单片机仿真系统和调试器，如果我们想要将这些组成部分很好地组合在一起则需要一个完整的集成软件开发的环境。当我们想要很好地运行和完成keil这种集成单片机常用的集成软件，需要使用win98、win2000、winx、PNT等集成操作管理系统的软件来运行和完成。
STC ISP是一款基于单片机的下载程序文件刻录和管理软件。它是为流行的STC-I系列单片机开发设计的。可同时下载STC89系列、12c2052系列、12c5410系列等多台STC单片机。它使用方便，得到了广泛的应用。
3.2 整体软件功能的主程序
本电路所设计蜂鸣器声光报警的工作电路主要设计有一个LED绿灯自动点亮的红警示灯和一个蜂鸣器声光报警，当该声光报警电路的开关自动闭合时，该报警电路的蜂鸣器开始正常工作，如果一个空气系统中的PM2.5的蜂鸣器阈值低于已经设定的蜂鸣器阈值时，则空气中的LED报警绿灯将在关闭时会自动点亮，可以由此得出蜂鸣器在当前状况下处于正常;如果一个空气系统中的蜂鸣器PM.5高于已经设定好的蜂鸣器阈值时，则空气中的LED红警示灯灯将会自动点亮，并且蜂鸣器将在关闭时会自动发出“哔哔哔”的电路报警声音。
主流程图如图表示：
四、系统的调试、测试
该单片机系统经过多次的改进，参考了现在实际焊接电路机中比较通用的技术和做法，在掌握了现有单片机技术的基础和状态下各项性能指标已经基本达到了技术的要求，但由于自身的水平有限，在焊接电路的操作过程中还是可能会遇到很多的问题。在开始做这个专业的实验项目时，我的设计思路不是很清晰，经过张老师的帮助和指导，我的设计思路逐渐变得更加明晰。在整个单片机系统开发和设计的实际操作过程中张老师给了我很大的支持和帮助，在我开始做实验项目期间时，焊接单片机电路的过程中也出现了虚焊等的问题。另外，在焊接电路方面，我认为我们应该能够进一步调试其准确性和电路灵敏度。通过这次毕业设计，我进一步熟悉了STM32单片机系统设计的原理和实际应用。
此次设计的产品均为实物图片，主要展示有单片机STM32F103C8T6，PM2.5 ZPH01检测传感器和1602液晶显示器等电子元器件。
当在电源接口接上5V的电压时，并且不接入PM2.5 ZPH01检测传感器，则在液晶显示屏PM2.5的值为0，PM_H是自己设定的阈值，当前我们设定为0。
当该检测设计传感器接入室内接入PM2.5 ZPH01检测空气浓度传感器，则我们可以直接检测出当前室内的空气浓度PM2.值为2.0ug/m3，且把当前室内PM_H自己传感器设定的空气阈值浓度设为13.7ug/m3，则当前室内空气传感器中的PM2.浓度阈值小于自己传感器设定的空气浓度阈值，可以很清楚地看出左边的LED指示灯红色的蜂鸣警示灯不亮，右边的LED指示灯绿色的蜂鸣指示灯会自动点亮，蜂鸣报警器也不会发出声音。
当该传感器设计接入室外接入过去PM2.5 ZPH01检测室外传感器，且接入过去室外传感器检测出当前的PM2.5浓度值为34.4ug/m3，且把当前的PM_H自己传感器设定的检测阈值设为13.7ug/m3，则当前室外接入空气净化器中的当前PM2.5浓度值会大于自己传感器设定的检测阈值，可以从下图中看出左边的LED指示灯红色的蜂鸣警示灯亮，右边的LED指示灯绿色的蜂鸣指示灯不会亮，蜂鸣报警器发出“嘀嘀嘀”的报警声。
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