基于單片機的煙霧檢測總體設計報告

ID:135748 · 發表于 2016-8-2 09:20

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一、系統概述
1.系統簡述
采用意法公司推出的STM32單片機作為“室內氣體監控系統”的控制核心。模擬環境時采用氣體檢測模塊MQ-2對氣體質量進行檢測，利用STM32中的輸出電平對電機的啟動進行控制。
系統以STM32單片機為控制核心，由煙霧傳感器進行數據采集，將采集到的數據交由控制器處理，控制器將數據進行分析處理，若超出設定指標，則通過串口將控制量發送到執行機構控制風扇轉速，改善空氣流通速度。同時在煙霧超標時會有報警顯示，當風扇將煙霧降到規定指標以下時，報警取消。上位機實時顯示各器件工作狀態及當前數據，并通過RS232向STM32發送控制命令。
硬件設計使用塑料收納盒、風扇，系統整體初始保證平衡，上位機與STM32間的數據通信采用RS232。基于這些完備而可靠的硬件設計，使用了一套獨特的軟件算法，實現了模擬環境內氣體的監控與平衡控制。

2.系統結構
系統整體結構如圖1所示。
圖 1 系統整體框圖
系統實物模擬連接圖如圖2所示

圖 2系統實物模擬連接圖
2.1系統結構的組成
本系統主要由主控制器、煙霧檢測模塊、放大電路、穩壓電路、繼電器、風扇、報警電路、開關電源等模塊組成。
室內氣體監控系統期望的功能是當系統內氣體質量發生改變時，安裝于模擬環境內的MQ-2氣體檢測模塊實時采集數據，并將采集到的氣體濃度相關數據傳送至主控制器。主控制器將數據進行處理，對比設定指標，得出是否需要對該環境氣體質量進行改善，換算為輸出的0-3.3V電平信號，通過三極管放大后，將該電平信號傳送給5V RU繼電器，驅動風扇工作，改善空氣流通速度。安裝于桶壁上的傳感器信號再次反饋到STM32單片機，與設定值相比較，形成一個閉環反饋，從而使桶內氣體質量保持一個相對健康的指標。
2.2開關電源
開關電源是利用現代電力技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成，開關電源與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態，在這兩種狀態中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流小），功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產生的損耗。與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調節。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。
控制器的主要目的是保持輸出電壓穩定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線性調節器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅動功率管之前要經過一個電壓/脈沖寬度轉換單
2.3煙霧濃度控制分析
本系統采用煙霧傳感器模塊進行檢測煙霧濃度并輸出相應的電壓，當監測數據大于設定值時，風扇啟動進行室內氣體與外部環境氣體交換，直到達到設定值，電風扇停止，達到氣體濃度控制的目的。

放大電路

本系統采用三極管作為系統的放大電路。

三極管的放大原理

三極管特性是基極控制集電極電流,所以一個NPN型三極管的集電極接電源正極,發射極接電源負極,基極不接電源的任何一端,或者接負極時,集電集和發射極沒有電流通過。如集電極和發射極有電流通過,說明三極管漏電或損壞。
基極電流在一定的范圍內可以控制集射電流的大小,這個范圍就是放大區。當基極電流再增大,管子集射電流會達到飽和,此時基流的再增加已經不能使集射電流增大了,飽和電流的大小不受基極電流的控制而只受外電路的控制。
當外加電源時,比如信號、直流時,必須和發射極對地電位相同,正電時三極管導通,0.6V以下或負電時截止。
由此得出：NPN型三極管在基極電壓達到0.7V時,開始導通有電流,隨著基極電壓增大,三極管進入放大區,集電極電流增大;基極電流增大到一定值時,三極管進入放大飽和區,此時再增大基極電壓,集電極電流增加很小。而基極電壓小于0.7V,或者為0、負電時,三極管沒有電流通過,稱為截止。
注：任何時候三極管不應該處于最大電流及最大電壓(當然也不能在最大功率)下工作,否則極易永久性損壞。

繼電器

本系統采用HK4100F-DC5V-SHG型繼電器。
繼電器主要作為系統的驅動電路，繼電器引腳的示意圖如圖3所示。

圖3 繼電器引腳的示意圖
2、5為線圈 1、6為公共端 3、4一個常開一個常閉
繼電器的三維視圖及電氣圖如圖4所示。

圖4 繼電器三視圖模型
a 繼電器正視圖 b繼電器側視圖
c 繼電器電氣圖 d 繼電器俯視圖
其驅動原理如下：

當STM32單片機的引腳輸出低電平時，三極管飽和導通，＋5V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，同時狀態指示的發光二極管也點亮，繼電器的常開觸點閉合，相當于開關閉合。
當STM32單片機的引腳輸出高電平時，三極管截止，繼電器線圈兩端沒有電位差，繼電器銜鐵釋放，同時狀態指示的發光二極管也熄滅，繼電器的常開觸點釋放，相當于開關斷開。注：在三極管截止的瞬間，由于線圈中的電流不能突變為零，繼電器線圈兩端會產生一個較高電壓的感應電動勢，線圈產生的感應電動勢則可以通過二極管IN4148釋放，從而保護了三極管免被擊穿，也消除了感應電動勢對其他電路的干擾，這就是二極管D1的保護作用。

3.系統功能及指標
3.1功能指標
該系統主要由控制中心，檢測裝置，驅動裝置以及執行裝置構成,其各個裝置所執行的功能如下：

控制中心：采用STM32單片機，主要負責對檢測裝置信號的接受以及對該信號的處理；
檢測裝置：由煙霧檢測傳感器組成，主要負責系統內部對于煙霧濃度的檢測；
驅動裝置：由三極管9013NPN構成，主要用于單片機輸出電平信號的放大；
執行裝置：由風扇以及繼電器組成，繼電器用于控制風扇的啟動，風扇用于系統內的排風。

3.2技術指標
本次設計所選箱體大小為70L(620*440*330),氣體濃度指標為200ppm,將密封箱體中煙霧快速降到指標以下,假定風扇尺寸為80*80*25，額定電壓為12V，轉速為1800

10%rpm，風量為21CFM，10s內將箱體內氣體進行一次更換。
二、系統方案設計
1.實驗對象設計
1.1箱體選擇：長方體

產品材質：聚丙烯原料PP
產品尺寸：620×440×330（mm)
產品總容量：70L
選擇理由：與紙箱、鐵桶等材質的產品相比較，所選塑料箱子具有以下優點：

尺寸形狀模擬真實房間比列，具有較實際的試驗意義；
價格適合，便于攜帶，樣式美觀；
良好的耐熱性、良好的力學性能，其強度和硬度、彈性都比較適宜，后期方便箱子加工、打孔；
試驗后，還可以重復利用，不浪費，收納一些生活小物品；
材質無毒、無臭、無味，具有健康的實驗環境。

1.2 箱體開口位置及開口尺寸
開口位置在箱體的上方，兩側各開一個口安裝風扇，分別作為排風口。對于重力場中的不可壓縮均質流體，方程為p+ρgh+(1/2)*ρv^2=c　式中p、ρ、v分別為流體的壓強、密度和速度；h為鉛垂高度；g為重力加速度；c為常量。根據伯努利方程可以看出，流速快壓力低壓強小，流速慢壓力高壓強大。所以選擇此方法排風不會在拐角造成氣流回旋。
開口形狀近似為八邊形，故其面積可由風扇的尺寸減去四個邊角的面積得到，具體效果如圖5所示。
排風口尺寸大小由計算得出為：

風扇的面積為：80mm*80mm=64cm2
四個邊角的面積：1/2*2.67*2.67=3.56cm2
單個排風口尺寸的大小：64-3.56=60.44cm2
總排風口大小：60.44*2=120.88cm2

為確保箱體有足夠進風量，在箱體一側開有進風口，其尺寸大小為：107*94=100.58cm2，箱體總開口尺寸為100.58+120.88=221.46cm2

圖5 風扇開口效果圖
1.3 風扇的選擇
根據公式P=Q*P(壓力)/60*1000*風機效率*傳動效率可得到風扇功率，進而選擇合適的風扇。
假設風扇風量為21CFM，由1CMM=60CMH=35.245CFM=1000LM可得，風量Q為0.6CMM。由此可大致算出風扇功率為0.9w。
該風扇的風量可換算為：1000/35.245*21.8=618.53LM。
將箱體內氣體排出的時間為：t=70L/618.53LM*60s=6.8s,
風扇出風口的風速計算公式：
V=Q/F (3-1)
(V為風扇的風速，Q為風扇的風量，F為箱體的橫截面積，代入數據可得，V=0.515m/s)
綜上選擇XFAN80型風扇，該風扇為電壓12V，電流0.08A，轉速為1800npm,風量21.8CFM。兩個風扇同時工作可在7s將箱體內氣體更換，考慮開口及其他影響時間或許有出入，但滿足預期設計要求。
2.控制系統設計
2.1電源電路的設計
本系統的電源選用S-75-12型開關電源。開關電源功耗小，效率高；體積小，重量輕；穩壓范圍寬。

需要供電的器件為：負載風扇12v，繼電器、傳感器以及STM32單片機各5V，所以電源電路供電分為以下三部分：

風扇部分：本系統使用外部220V交流供電，利用S-75-12型開關電源將220V交流電壓轉換為風扇工作的連續直流12V電壓。
三極管部分：經過L7805CV三端穩壓集成電路將12V電壓轉換為5V電壓以供C9013型三極管放大電路工作使用。
傳感器部分：經過L7805CV三端穩壓集成電路將12V電壓轉換為5V電壓同時供MQ-2型煙霧傳感器工作使用。

開關電源對器件的供電方式

開關電源可以對風扇進行直接供電,對于繼電器、傳感器以及STM32單片機所需要的5v電壓可通過芯片7805將其轉換成5v。這里繼電器由相應的三極管來驅動，開機時，單片機初始化后的端口為高電平，＋5伏電源通過電阻使三極管導通，所以開機后繼電器始終處于吸合狀態，如果我們在程序中給單片機一條：CLR Pn或者CLR Pn的指令的話，相應三極管的基極就會被拉低到零伏左右，使相應的三極管截至，繼電器就會斷電釋放，每個繼電器都有一個常開轉常閉的接點，便于在其他電路中使用，繼電器線圈兩端反相并聯的二極管是起到吸收反向電動勢的功能，保護相應的驅動三極管，這種繼電器驅動方式硬件結構比較簡單。
2.2 MCU最小系統的設計
本系統采用STM32 PZ6806L型開發板，其中STM32F103ZET為核心板，其管腳圖如圖6所示。并分別應用了蜂鳴器、RS232模塊、LCD液晶顯示屏、ADC模塊、DAC模塊等。

該最小系統具有的功能:

具有LCD彩屏顯示功能。
具有蜂鳴器來完成系統報警的功能。
可以利用串行下載完成編程。
具有復位功能。
具備據終端設備和數據通訊設備之間串行二進制數據交換接口技術標準。
數模、模數轉換。

功能分析

顯示功能，我們可以利用開發板上LCD液晶顯示屏來現這個功能；
報警功能可以采用P2.0這個引腳接一蜂鳴器來實現。
利用單片機的第25腳可以設計成復位系統，并采用按鍵復位；
利用單片機的23、24腳可以設計成時鐘電路，利用單片機的內部振蕩方式設計的。

圖6 STM32管腳圖
2.3三極管放大模塊的設計
系統利用C9013型三極管將3.3V電壓放大到5V電壓來控制繼電器工作，從而控制風扇的運行與停止，其結構圖如圖7所示。三極管各極所需電壓如下：

集電極-發射極電壓：25V；
集電極-基極電壓：45V；
發射極-基極電：5V；

三極管放大電路中，3.3V不能直接加到三極管B極，應當在基極串一個限流電阻限制基極電流，以達到保護三極管的作用；C極也應該串一個10KΩ上拉電阻達到輸出電壓5V的目的。

圖7 9013 - NPN型三極管結構圖
2.4煙霧傳感器模塊的設計
本系統采用MQ-2型煙霧傳感器模塊，用于檢測系統空間內的煙霧濃度值，其工作原理圖如圖8所示。煙霧傳感器將檢測到的數據所輸出的0-5V至STM32進行數據處理后輸出控制信號進行風扇控制。與設定值進行比較，以確定風扇工作與否。
MQ-2型煙霧傳感器模塊采用優質雙面板設計，具有電源指示和TTL信號輸出指示；雙路信號輸出；（模擬量輸出及TTL電平輸出）TTL輸出有效信號為低電平,可接直接接單片機IO口；模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高；對液化氣、丁烷、甲烷、煙霧等有較好的靈敏度；使用壽命長、穩定性好；具有快速響應恢復特性。

圖8 工作原理圖
煙霧傳感器工作要求：

煙霧傳感器模塊正常工作需提供5V直流電。
當傳感器檢測被測氣體時，當濃度值超過電位器RP設定的閥值時，比較器2腳的點位高于3腳的點位，此時，比較器1腳輸出低電平，LED燈亮，傳感器輸出低電平。反之，當沒有信號的時候，傳感器輸出高電平，等于電源電壓。
在正常環境中，沒有被測氣體的環境，設定傳感器輸出電壓值為參考電壓，這時，AOUT端的電壓在1V左右，當傳感器檢測到被測氣體時，電壓每升高0.1V，實際被測氣體的濃度增加200ppm。特別提醒：傳感器通電后，需要預熱20S左右，測量的數據才穩定。

三、上位機設計
隨著計算機系統的普及與外圍設備技術的發展，計算機與外圍設備之間的通信就顯得越來越重要了。智能機器人少不了一個控制的遙控器，這就需要設計上位機來控制機器人。現在設計上位機的軟件一般有labview、matlab、vc、vb、vs、java等。對于labview來說虛擬儀器沒有常規儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環境，采用可視化的圖形編程語言和平臺，以在計算機屏幕上建立圖形化的軟面板來替代常規的傳統儀器面板。軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈及其他控制部件。在操作時，用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板，來檢驗儀器的通信和操作。對于matlab來說主要存在優勢是：1、編程效率高；2、高效方便的矩陣和數組運算； 3、用戶使用方便； 4、擴充性強，交互性好。缺點是：1、循環運算效率低；2、封裝性不好。對于上位機設計需要用到MATLAB提供了一定量的交互界面制作途徑如GUI等，但是作為一件真正的商品，最終的代碼將不可避免的移植到較為“低級”的語言中，例如C、C++。對于vc，要求執行效率和穩定的程序，在Win平臺下，一般都是VC開發的。一般是VC開發核心組件，其它平臺開發界面。就是有些數據庫程序，如果要求特別穩定，也是VC++開發的。VC++使用微軟的編譯器，對微軟的操作系統支持的最好。VC++用C++，保證了強大的執行效率。對于vb，優點是可視化界面，操作簡單，易學。缺點是隱藏了許多 Windows 內部和底層的知識，也就是說，VB 的許多功能是靠調用已經編輯好的 Windows 模塊或dll 實現的，VB 本身無法編輯這些東西，對底層操作極其不便。另外，運行速度較 C 或其他語言慢。Java一般用于手機平臺的軟件開發。本次設計使用較為簡便的VS2103，下面簡單介紹一下VS模塊。
Visual Studio 2013 是一個基本完整的開發工具集，它包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具。創建滿足關鍵性要求的多層次的智能客戶端、Web、移動或基于Microsoft Office的應用程序。Visual Studio能夠使改進后的可視化設計工具、編程語言和代碼編輯器，享受高效率的開發環境, 在統一的開發環境中，開發并調試多層次的服務器應用程序。
本項目是一個基于vs2013平臺的室內氣體檢測系統的上位機設計。通過本次設計主要達到以下目的：掌握串行口的的編程、查表和查詢程序的設計方法；了解STM-32串行口的應用；掌握usart串口硬件線路設計方法；熟悉電風扇的工作特性；掌握VC的編程，以及人際界面的設計。主要設計內容： 1、基于Visual Studio語言的人機界面設計和通信軟件程序設計； 2、重點掌握在Visual Studio語言環境下如何通過MSComm控件來實現對串口的操作。
上位機軟件設計方案為：第一步設計好可視化界面，并且界面設計合理美觀，了解各個按鍵的屬性和功能，界面上有基本的開始、停止、調節設定值等基本功能。第二步進行界面的復雜化，在實現基本功能的基礎上進行功能擴展，提高其應用的普遍性。第三步用vs2012軟件對各個功能按鈕進行程序設計，實現各部分功能，完成調試，實現PC機與單片機的串行通信，最終實現人機界面的交互。上位機系統的組成主要有PC人機界面、usart串口組成。所謂人機界面，就是將窗體、命令按鈕、文本框、選擇框等對象按照用戶的需要有機的組合在一起。VC人機界面用到的元素主要包括：窗體、控件和菜單。窗體：是人機界面的基礎，是一個容器，控件和菜單都安放在窗體的適當位置。控件是人機界面的主要對象。
通過RS232鏈接室內檢測系統，使用VS2013編程上位機控制軟件。上位機設計原理如圖9所示。

圖9 上位機設計原理圖
RS232是串口來使用，從上位機端發送功能指令，當室內空氣檢測系統接收指令后來完成相對應的功能。首先啟動電腦打開電源。上位機選擇對應的串口和波特率，等和HC-05的串口通道打通之后就可以使用上位機控制檢測系統了。檢測系統可以通過單擊上位機界面上的開始和停止來控制。這個方法是通過程序編輯來實現。同時上位機也具備鍵盤輸入的功能，可以調節設定值。控制軟件界面如圖10所示。

圖10 控制軟件界面圖

2、對子系統或部件計劃進度要求

第一天：初步方案設計。
第二天：完善方案設計并完成設備的采購（包括STM32,電機，電源，傳感器等）。
第三天：硬件設計與搭建，完成基本算法設計。
第四～七天：硬件完善與軟件調試，仿真分析，上位機軟件算法設計。
第八天：產品完善及報告撰寫。
第九天：產品驗收

項目分工

表1項目分工

成員	工作內容	工作時間
胡文濤	負責實習期間整體安排和協調	全員按照上班時間正常上下班，個人工作時間具體依照整體安排執行。
馬姍	負責實習進度安排以及上位機的操作
楊林艷	負責財務規劃和核算
劉次明	負責實習方案的設計
歐鵬鵬	負責具體控制算法和編程
于亞奇	負責實習器件采購
劉鑫	負責文案整理

4、原件采購
表2 項目費用

設備名稱	單價(元)	數量	合計（元）	備注
STM32最小系統	185	1	185	控制核心
塑料箱	55	1	55	模擬真實環境
風扇XFAN80	15	2	30
三極管9013NPN	1	2	2	放大信號
RU繼電器HK4100F-DC5V	5	2	10
氣體檢測模塊MQ-2	12	2	24
穩壓塊L7805CV	3	1	3
開關電源S-75-12	65	1	65
電路板	3	1	3	焊接元器件
總計：372