基于STM32生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

王曉晶，　趙銀花，　宋柏林，　王劭丹，　劉瑛喆

(1.吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院 電子信息技師學(xué)院， 吉林 長春　130012;

2.長春工業(yè)大學(xué) 軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春　130012;

3.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春　130012)

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基于STM32生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

王曉晶1，趙銀花2*，宋柏林3，王劭丹3，劉瑛喆3

(1.吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院 電子信息技師學(xué)院， 吉林 長春130012;

2.長春工業(yè)大學(xué) 軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 吉林 長春130012;

3.長春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長春130012)

摘要：基于STM32微控制器設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)控終端系統(tǒng)，闡述了工作原理及硬件、軟件設(shè)計(jì)過程。系統(tǒng)能夠采集溫濕度、可燃?xì)怏w濃度，并具有顯示、報(bào)警、照明燈亮度調(diào)節(jié)和無線手持終端控制等功能。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)環(huán)境； 監(jiān)控系統(tǒng)； 傳感器； 設(shè)計(jì)

0引言

工業(yè)化進(jìn)程的加快使得各生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境信息如溫度、濕度等的監(jiān)控提出了更高要求，而生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)是安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，需要快速、全面、及時(shí)準(zhǔn)確地反映環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)，減少安全隱患，降低生產(chǎn)人員的事故風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，研制可靠性高、功耗低、便于安裝且能夠?qū)崟r(shí)顯示的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)變得尤為迫切[2]。目前環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成本較高、方法相對(duì)簡單，多引用國外設(shè)備，對(duì)所監(jiān)測(cè)環(huán)境只能進(jìn)行某時(shí)間段的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)性較差，檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響較大，不能滿足人們對(duì)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求[3]。

因此，文中設(shè)計(jì)開發(fā)了基于STM32的生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境中溫濕度、可燃?xì)怏w濃度、光照強(qiáng)度進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，并同步實(shí)時(shí)顯示所測(cè)得的多個(gè)環(huán)境參數(shù)具有顯示、報(bào)警和控制等功能。

1總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，由溫濕度傳感器、氣體濃度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、無線接收模塊、蜂鳴器、數(shù)據(jù)顯示模塊和鍵盤模塊以及加熱模塊組合而成。通過DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過MQ-5氣體傳感器檢測(cè)環(huán)境內(nèi)有害氣體和可燃?xì)怏w濃度；通過光照強(qiáng)度控制模塊Lxd5528實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)環(huán)境中的光照強(qiáng)度；實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過顯示模塊Nokia5110液晶屏顯示結(jié)果。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

其中現(xiàn)場(chǎng)主控機(jī)能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)要控制的溫濕度、照明燈亮度、可燃?xì)怏w濃度值進(jìn)行設(shè)置并顯示，照明燈亮度分5個(gè)擋位，可燃?xì)怏w報(bào)警濃度設(shè)定范圍20%～100% LEL；還可對(duì)噴淋閥、排風(fēng)機(jī)、隔離門等裝置進(jìn)行就地開關(guān)控制，并以無線方式將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度、照明燈亮度、可燃?xì)怏w濃度等信息和噴淋閥、排風(fēng)機(jī)、隔離門裝置的開關(guān)狀態(tài)發(fā)送給終端手持設(shè)備。

終端手持設(shè)備能接收現(xiàn)場(chǎng)主控機(jī)發(fā)出的照明燈亮度、溫濕度、可燃?xì)怏w濃度等參數(shù)信息，并能發(fā)出控制指令，通過現(xiàn)場(chǎng)主控機(jī)完成排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量、照明燈光亮度，噴淋閥、隔離門的開/閉控制；同時(shí)，終端手持設(shè)備還具有顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)信息，具有存儲(chǔ)回放功能。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1　STM32微控制器模塊

系統(tǒng)控制器采用意法半導(dǎo)體STM32系列的微控制器-STM32F103VBT6。這款控制器屬于增強(qiáng)型系列，使用了高性能的ARMCortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率可達(dá)72 MHz，并內(nèi)置128 KB字節(jié)的閃存和20 KB的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。配有多個(gè)通信接口以及豐富的片上資源,大大簡化了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)中采集單元控制和通信的需求[4-5]。STM32F103VBT6微控制器的原理如圖2所示。

2.2　溫濕度采集模塊

溫濕度采集模塊選用溫濕度一體化的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器,內(nèi)部包括1個(gè)電阻式測(cè)濕元件和1個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與1個(gè)MCU相連。具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精準(zhǔn)、體積小、功耗低、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，與STM32微處理器進(jìn)行簡單的電路連接就可實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)環(huán)境中的濕度和溫度，內(nèi)部數(shù)據(jù)可一次性傳給主機(jī)，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，簡易快捷[6]。DHT11傳感器原理如圖3所示。

圖2　微控制器的原理

圖3　DHT11傳感器原理

2.3　可燃?xì)怏w采集模塊

MQ-5氣體傳感器中的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。可將檢測(cè)到的可燃性氣體體積分?jǐn)?shù)變換為電信號(hào)，由連接在其負(fù)載上的電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器，通過簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[7]。采集原理如圖4所示。

圖4　氣體傳感器原理

2.4　光照強(qiáng)度控制模塊

光照強(qiáng)度控制模塊采用Lxd5528光敏電阻，具有電流小、照度響應(yīng)低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線；內(nèi)置微信號(hào)CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好；可選光學(xué)納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止、無鉛、無鎘。傳感器模型如圖5所示。

圖5　光照強(qiáng)度傳感器原理

2.5　顯示模塊

Nokia5110液晶屏是擁有84×48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字，采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，支持多種串行通信協(xié)議。體積小、點(diǎn)陣密、控制簡單[8]。液晶屏原理如圖6所示。

圖6　液晶屏原理

3軟件設(shè)計(jì)

3.1　程序功能要求及程序設(shè)計(jì)

1)溫濕度監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)功能：監(jiān)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度和濕度。

2)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)功能：監(jiān)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境可燃?xì)怏w的濃度值。

3)環(huán)境照度監(jiān)控實(shí)現(xiàn)功能：對(duì)照明燈的亮暗進(jìn)行控制。

4) 加熱裝置控制實(shí)現(xiàn)功能：對(duì)生產(chǎn)環(huán)境升溫，方便監(jiān)測(cè)。

5)噴淋閥、排風(fēng)機(jī)、隔離門實(shí)現(xiàn)功能：對(duì)這些裝置實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。

3.2　程序功能設(shè)計(jì)

STM32采集溫濕度流程如圖7所示。

圖7　STM32采集溫濕度流程

4測(cè)試方案

4.1　硬件測(cè)試

系統(tǒng)硬件測(cè)試主要包括邏輯錯(cuò)誤調(diào)試、開發(fā)板中各元器件的調(diào)試、系統(tǒng)可靠性調(diào)試，以及電源故障調(diào)試等，查找系統(tǒng)中是否出現(xiàn)接線錯(cuò)誤以及開路、短路、電源故障等情況出現(xiàn)，確保系統(tǒng)中各元器件不發(fā)生失效現(xiàn)象，最終對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行調(diào)試，保證系統(tǒng)安全、可靠正常運(yùn)行。

4.2　軟件仿真測(cè)試

采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，將之前設(shè)計(jì)好的電路圖在該軟件中畫出，然后逐步進(jìn)行指示燈逐級(jí)亮滅、照明燈亮暗程度、高溫報(bào)警等功能操作，以達(dá)到軟件仿真的目的。

軟件測(cè)試界面如圖8所示。

圖8　軟件測(cè)試界面

4.3　硬件軟件聯(lián)調(diào)

將測(cè)試好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)芯片中，單片機(jī)使用最小系統(tǒng)開發(fā)板。將測(cè)試好的傳感器裝入自制的箱子內(nèi)，模擬工廠生產(chǎn)的環(huán)境。根據(jù)測(cè)試要求，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行全方位的優(yōu)化。

5結(jié)語

介紹了基于STM32單片機(jī)的生產(chǎn)車間內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、環(huán)境參數(shù)傳感器硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,可有效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間內(nèi)溫濕度和可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測(cè)，以及報(bào)警后的各種安全措施。智能化的監(jiān)控系統(tǒng)適合社會(huì)需求，有助于減小安全隱患，保證生產(chǎn)車間內(nèi)的生產(chǎn)質(zhì)量，節(jié)省財(cái)力、物力。

參考文獻(xiàn)：

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Monitoring system for production environment based on STM32

WANG Xiao-jing1,ZHAO Yin-hua2*,SONG Bai-lin3,

WANG Shao-dan3,LIU Ying-zhe3

(1.School of Electronic Information Technician College, Jilin Province Economic Management Cadre College,

Changchun 130012， China；

2.School of Software Vocational Technology, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China;

3.School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：Based on STM32 microcontroller, an environmental monitoring terminal system is designed, and the operation principle, both the hardware and the software are discussed. The system has the functions of following: temperature, humidity and concentration of combustible gas sampling, display, alarm, light brightness control and wireless handheld terminal communication.

Key words：production environment; monitoring system; sensor; design.

作者簡介：王曉晶(1962-)，女，漢族，吉林長春人，吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院高級(jí)講師，主要從事機(jī)械制造自動(dòng)化方向研究,E-mail:553842335@qq.com. *通訊作者：趙銀花(1972-)，女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)講師，主要從事環(huán)藝設(shè)計(jì)方向研究,E-mail:zhaoyinhua@ccut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410190039)

收稿日期：2014-11-12

中圖分類號(hào)：TP212.9； TP273.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2015)01-0061-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2015.1.13