煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、河南理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書摘 要隨著工業(yè)水平和科技水平的提高，人們越來越多的開始關(guān)注安全問題，尤其是日常生活實用的煤氣存儲問題，近年來每年都會有這樣的報道，由于煤氣泄漏造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。盡管市場上已經(jīng)存在一些煤氣警報器，但是簡單的報警無法從根本上解決問題，無法及時的自動的處理險情并且報警尋求幫助。目前互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為大勢所趨，因此本文介紹了一個基于局域網(wǎng)絡(luò)的煤氣監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以stm32f103zet6為核心，采用tcp/ip協(xié)議，利用下位機的wifi模塊，通過局域網(wǎng)將檢測到的信息實時傳輸給上位機。該系統(tǒng)下位機配以煤氣傳感器、溫濕度傳感器、wifi傳輸模塊、排風扇、tf

2、t_lcd顯示模塊等，上位機為以c+為基礎(chǔ)的mfc編程，利用vc+6.0平臺，建立可視化窗口，完成對下位機傳輸數(shù)據(jù)的實時顯示，及時了解煤氣罐存儲的環(huán)境信息，實時檢測煤氣是否發(fā)生泄漏，氣體存儲的條件是否適宜。該系統(tǒng)可完成對煤氣濃度的采集，顯示，數(shù)據(jù)處理，聲光報警，控制執(zhí)行機構(gòu)等功能，同時還對煤氣存儲的條件進行監(jiān)控，確保氣體在存儲時環(huán)境適宜。本系統(tǒng)對煤氣的檢測利用的是半導(dǎo)體氣敏元件mq_2氣體傳感器，mq_2氣體傳感器使用的氣敏材料，這種氣敏材料是電阻值較高的二氧化錫(sno2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電阻值隨空氣中可燃氣體濃度的增加而減小。使用簡單的電路即可測量，其原理是將電

3、阻值的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。存儲環(huán)境的檢測采用dht11傳感器，該傳感器包括一個電阻式感濕元件，還有一個ntc測溫元件，能準確對存儲環(huán)境的溫濕度進行測量。該系統(tǒng)集成度高，可靠性好，工作穩(wěn)定，信息傳輸安全可靠，實時性好，操作簡單方便，便于煤氣罐存儲環(huán)境的監(jiān)測。關(guān)鍵詞:局域網(wǎng)；c+上位機；液化氣濃度檢測；氣體環(huán)境檢測；abstractwith improvement of industrial level and the level of science and technology, more and more people began to attention to secu

4、rity issues, especially in the daily life and practical gas storage problems, in recent years every year reported due to a gas leak caused casualties and property losses. although there are some gas alarms on the market, but the simple alarm can not fundamentally solve the problem, can not be timely

5、 automatic handling of dangerous situations and the police to seek help. the internet, internet has become the trend of the times. therefore, this paper introduces the a gas monitoring system based on local area network, the system stm32f103zet6 as the core, the use of tcp / ip protocol, usingwifi m

6、odule of the lower position machine, through the lan will detect information real-time transmission to the host computer.the hypogynous machine to gas sensors, temperature and humidity sensors, wifi transmission module, exhaust fan, tft lcd display module, pc is in c + + is based on the mfc programm

7、ing, using vc + + 6.0 platform, a visualization window, on the lower position machine data transmission real-time displaying, timely understanding of the gas storage tank of environmental information, the real-time detection of the gas leak, gas storage suitability. the system can complete the acqui

8、sition of gas concentration, display, data processing, sound and light alarm, control the actuator and conditions of gas storage monitoring, ensure that gas is stored in a suitable environment.the system of gas detection and use of the semiconductor gas sensor mq_2 gas sensor, mq_2 gas sensor using

9、the gas sensitive material is in the clean air resistance of the higher value of two tin oxide (sno2). the change of the resistance value can be converted into an output signal corresponding to the gas concentration by using a simple circuit. the dht11 sensor is used for detecting the storage enviro

10、nment, the sensor comprises a resistive sensor and a ntc temperature measuring element, which can accurately measure the temperature and humidity of the storage environment.the system has the advantages of high integration, good reliability, stable operation, reliable information transmission, good

11、real-time performance, simple operation and convenient monitoring of the storage environment of the gas tank.keywords: local area network; c+ host computer; liquefied gas concentration detection; 目 錄第一章 緒論11.1課題研究的背景1 1.2 煤氣罐存儲安全研究的意義2第二章 煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計32.1煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的總體原則32.2 煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的基本功

12、能32.3煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)元器件選取原則4第三章煤氣罐監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計63.1 煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)硬件總體框圖63.2 stm32單片機的特點及應(yīng)用63.3 系統(tǒng)檢測裝置簡介83.3.1 煙霧傳感器mq-283.3.2 溫濕度傳感器 dht1193.3.3 12位ad轉(zhuǎn)換123.4 通信及顯示模塊133.4.1 顯示模塊133.4.1.1 tft-lcd133.4.1.2 可變靜態(tài)存儲器fsmc153.4.2通信模塊esp8266163.5 電源轉(zhuǎn)換電路183.6 通風報警電路19第四章 煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計214.1煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)下位機設(shè)計214.1.1下位機程序

13、設(shè)計思路及流程圖214.1.2下位機通訊協(xié)議tcp/ip254.1.3下位機環(huán)境信息檢測及傳輸274.2煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)上位機設(shè)計294.2.1上位機編寫平臺及語言簡介294.2.2 上位機編程語言的簡介314.2.3 上位機功能及實現(xiàn)32第五章結(jié)論與展望395.1結(jié)論395.2展望39致謝41參考文獻4249第一章 緒論1.1課題研究的背景煤氣的應(yīng)用由來已久，并且在國民生活中占著很大的比例，雖然進入21世紀，電力的應(yīng)用在生活中的逐漸擴張開，但是液化石油氣的應(yīng)用依然是人類生活不可或缺的一部分，液化石油的應(yīng)用較農(nóng)村傳統(tǒng)使用的木柴更加保護環(huán)境，其利用率，燃燒效率都比較高效，但是，隨著生活標準

14、的逐漸提高，各種各樣的液化氣使用裝置慢慢走入人類的視野，但其中也伴隨著一些安全隱患，時常有人因為煤氣泄漏，或者煤氣使用裝置不合格發(fā)生火災(zāi)，甚至爆炸，長期危險著人類的生命安全。隨著人類對煤氣的使用，對于煤氣傳輸安全，使用安全，一直進行著不懈的努力，例如，利用現(xiàn)代技術(shù)生產(chǎn)的管道檢測機器人，它是一種針對煤氣管道傳輸過程中，氣體泄漏檢測，管道內(nèi)部修理，清潔作業(yè)的小型機器人，保障了氣體傳輸?shù)陌踩裕箽怏w傳輸更加安全化。這不僅減少了人力的投入，節(jié)約了成本，更加保證了使用的安全。針對家庭使用煤氣罐，有時正在做飯時，忽然煤氣使用完了，導(dǎo)致做飯不得終止，于是便有了，煤氣罐存量檢測計，通過壓力傳感器，檢測出空罐

15、是的重量，再次檢測出充滿液化氣的罐子的重量，通過多次數(shù)據(jù)分析，測出罐內(nèi)氣體的容量，并在顯示器上進行顯示，是主人隨時隨地都可以了解氣體的剩余量。這樣使用起來更加方便，當煤氣使用殆盡的時候，主人可以及時沖液化氣。這些都是對于液化氣使用過程中的安全性，簡便性的不懈探索。從煤氣的產(chǎn)生到煤氣的使用，伴隨著很多技術(shù)的改革。人們從開始簡單的對石油氣進行收集利用，到現(xiàn)在大規(guī)模的傳輸，其中國內(nèi)最大的氣體傳輸就是西氣東輸，西起塔里木盆地，東至上海。這是一個惠及民生的基礎(chǔ)建設(shè)工程，它的建立使自動化控制技術(shù)在煤氣傳輸中再次得到了提高，西氣東輸改善了人類 利用能源的結(jié)構(gòu)，使得大量的天然氣從西部地區(qū)傳輸?shù)綎|部，解決了東部

16、燃氣不足的問題，氣體的運輸就要考慮安全性問題，因此在其中自動化檢測技術(shù)便得到了廣泛的應(yīng)用，對于管道的焊接，使用自動化技術(shù)進行管道檢測，查看是否有焊接漏洞，對氣體傳輸是的泄漏提早預(yù)防。對于氣體的存儲，像傳統(tǒng)的化學用品一樣，大都采用安全的防護措施，但是缺乏自動控制應(yīng)用，還是對安全性提出了一定的挑戰(zhàn)，例如天津發(fā)生的化學品爆炸事件，如果利用自動化技術(shù)對其進行監(jiān)管，使得險情提前發(fā)現(xiàn)，會在一定程度上減少人民財產(chǎn)損失，降低事故率，對于國內(nèi)現(xiàn)在煤氣罐的存儲，大部分情況下還是采用人力看管為主，白天在操作工人的監(jiān)管下進行，但工人下班之后，就會出現(xiàn)無人監(jiān)管的情況。這種現(xiàn)象對煤氣罐的存儲產(chǎn)生了安全隱患，事故的而發(fā)生往

17、往就在一瞬間，因此對于人力的監(jiān)控，不能實時的到控制，這就需要一套自動化控制裝置，來完成人力的不足，做到控制實時性，保證煤氣罐倉庫的存儲安全。1.2 煤氣罐存儲安全研究的意義國內(nèi)外對于液化氣的傳輸還有使用時都進行了各種安全保護，本文煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)針對煤氣在存儲過程中可能發(fā)生的泄漏事件進行了研究，確保煤氣存儲的安全，避免災(zāi)難的發(fā)生，降低由于疏忽為題導(dǎo)致的事故率。21世紀，進入到互聯(lián)網(wǎng)時代，本文的煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，緊跟時代的潮流，摒棄了傳統(tǒng)利用線路進行傳輸?shù)穆闊镁钟蚓W(wǎng)，通過wifi模塊進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳輸，上位機對倉庫煤氣罐倉庫存儲的環(huán)境信息進行實時的監(jiān)控，確保在存儲的過程中，發(fā)生

18、煤氣泄漏提早采取補救措施，使煤氣罐在存儲時待在一個適宜的溫度。盡可能保護存儲的安全，減少隱患的發(fā)生。煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的使用較傳統(tǒng)的人工監(jiān)測更加安全，解放了勞動力，減少了存儲時所消耗的費用，重要的是排除了人力監(jiān)測的誤差，是煤氣存儲更加安全。第二章 煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的總體原則煤氣是一種易燃易爆的危險氣體，它的存儲至關(guān)重要，如果處置不當，可能會引發(fā)嚴重的安全事故，對人民群眾的生命安全存在隱患。因此煤氣罐倉庫的監(jiān)控系統(tǒng)要充分考慮存儲的安全性。對于氣體的存儲，一般采用壓縮氣體的方法，將大量氣體壓縮到罐體當中，使得罐體內(nèi)部壓強是外部氣壓的數(shù)倍，如果存

19、儲環(huán)境中發(fā)生火災(zāi)，或者存儲的氣體發(fā)生泄漏，導(dǎo)致煤氣罐發(fā)生爆炸，那么煤氣罐倉庫的工作人員將有生命危險。 因此煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主要原則是：安全性原則、穩(wěn)定性原則，實時性原則。2.2 煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的基本功能該系統(tǒng)是基于arm的stm32f103zet6的煤氣罐環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，體統(tǒng)總體的布局包括兩部分，一部分是下位機的信息采集部分，對系統(tǒng)需要收集的煤氣濃度、溫濕度進行采集，第二部分是上位機，上位機采用vc+6.0開發(fā)環(huán)境，在vc+6.0開發(fā)環(huán)境上，利用c+開發(fā)語言，采用微軟的windows api函數(shù)集成庫mfc進行窗口平臺的開發(fā)，上位機開發(fā)頁面及顯示和控制于一體，對于煤氣罐存儲環(huán)

20、境進行實時準確了解。下位機采集信息包括液化氣氣體濃度、存儲倉庫的氣體濕度、溫度。由于主控板采用stm32f103zet6，該芯片包含112個外部引腳，78個外部中斷，8路定時器，2路ad轉(zhuǎn)換等。stm32f103zet6強大的處理能力以及內(nèi)部眾多的外設(shè)使得系統(tǒng)的開發(fā)更加簡單。氣體濃度檢測使用mq_2氣體傳感器，mq_2氣體傳感器使用的氣敏材料，這種氣敏材料是電阻值較高的二氧化錫(sno2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電阻值隨空氣中可燃氣體濃度的增加而減小。使用簡單的電路即可測量，其原理是將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。存儲倉庫環(huán)境的檢測采用dht11傳感器，該

21、傳感器包括一個電阻式感濕元件，還有一個ntc測溫元件，能準確對存儲環(huán)境的溫濕度進行測量。下位機采集到檢測信息后，經(jīng)過單片機處理，和預(yù)設(shè)氣體濃度進行比較，當氣體濃度大于預(yù)設(shè)值，啟動排風扇，降低液化氣濃度，同時提醒操作人員檢查存儲倉庫內(nèi)的液化氣是否泄漏，對危險信號進行處理。下位機采集到的信號，由wifi模塊，經(jīng)過局域網(wǎng)，將測量值傳輸?shù)缴衔粰C，進行顯示，上位機實時準確的顯示倉庫環(huán)境溫度，是整個液化氣存儲倉庫更加安全可靠2.3煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)元器件選取原則煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)要使用的元器件主要有主控芯片stm32f103zet6、氣體檢測模塊mq_2、溫濕度檢測模塊dht11、wifi模塊esp826

22、6、顯示模塊tft_lcd。對于煤氣罐監(jiān)控系統(tǒng)元器件的選取原則，主要是確保煤氣罐存儲的穩(wěn)定性，以及監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)濟性原則，使系統(tǒng)安全高效的進行。對于主控芯片，采用stm32f103zet6，因為這款芯片處理速度快，一般情況下其時鐘頻率是72mhz，并且其內(nèi)部資源眾多，擁有多個串口、定時器、fsmc等資源，并且其使用的是3.3v電壓，內(nèi)部功耗可控。相對于其他控制裝置，比如plc，其適合開關(guān)邏輯控制，具有眾多的i/o接口，也支持模擬量的輸入，但其體積龐大，運算速度低，即使抵擋的s7-200組裝成一個系統(tǒng)也要千元以上，并且其主要應(yīng)用場所是進行開關(guān)量邏輯控制，對于冶金、印刷等流水線控制具有良好的性能

23、，但對于檢測裝置卻不理想。dsp處理速度快，其性能和stm32f103zet6一樣卓越，但其外部電路構(gòu)造復(fù)雜，產(chǎn)品開發(fā)周期長，不適合作為煤氣罐監(jiān)控系統(tǒng)的主控芯片。由于煤氣罐監(jiān)控系統(tǒng)使用局域網(wǎng)發(fā)送信息，在單片機系統(tǒng)中，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)需要使用wifi模塊，對于wifi模塊的選擇，本系統(tǒng)選擇了esp8266，因為esp8266采用at指令，利用串口進行通訊，使得程序的開發(fā)難易程度降低，開發(fā)周期減小，并且esp8266模塊傳輸速率快，傳輸距離遠，支持三種模式，對于開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)模式的系統(tǒng)，是首選。并且esp8266其電源采用的是3.3v供電，其at指令也是一3.3v的規(guī)格定義高低電平，所以結(jié)合esp8266wi

24、fi模塊，我們綜合的選擇了stm32f103zet6作為我們煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的主控芯片。對于氣體檢測模塊，我們選擇的是mq_2作為氣體檢測模塊，mq_2氣體檢測模塊能夠檢測多種氣體，液化氣、丁烷、丙烷、甲烷等，其檢測精度高，且模塊工作穩(wěn)定，能夠以兩種方式輸出，數(shù)字量和模擬量。其檢測范圍為600到10000ppm,氣體檢測是煤氣罐監(jiān)控系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，因此要選擇穩(wěn)定性好的模塊。對于溫濕度檢測，使用的是dht11，dht11模塊將溫度檢測和濕度檢測結(jié)合到一個模塊，數(shù)據(jù)的傳送采用單總線模式，只需要一個i/o口，相對于并行傳輸，可以節(jié)省很多i/o引腳，其濕度測量范圍：20-90%rh，濕度測量精度

25、：5%rh，溫度測量范圍：0-50，溫度測量精度：2。對于煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)其測量范圍和精度適宜。對于下位機的顯示模塊,我們選擇tft_lcd作為顯示屏，我們使用的是2.8寸的液晶顯示屏，其可以使用256彩色顯示，顯示的類型多樣，更重要的是，我們使用的stm32f103zet6內(nèi)部含有大容量存儲控制器fsmc，由于tft_lcd液晶顯示模塊的數(shù)據(jù)存儲和讀取方式和fsmc對外部sram的操作幾乎相同，因此利用stm32f103zet6的fsmc操作tft_lcd避免了復(fù)雜的時序操作，只需要控制stm32f103zet6相關(guān)寄存器，即可實現(xiàn)對液晶屏的操作。 上位機的選擇，我們使用的是微軟的vc+6

26、.0開發(fā)平臺，利用c+語言進行上位機的開發(fā)，由于vc+6.0具有強大的可視化開發(fā)功能，使得對于控制界面的開發(fā)非常便利，煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的上位機需要實時顯示數(shù)據(jù)，利用里面的對話框開發(fā)，放置一些編輯框，在使用編程語言，進行下部的處理，就可接受下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。由于csocket類的支持，對于服務(wù)器的開發(fā)非常便利，因此使用vc+6.0作為開發(fā)平臺。第三章煤氣罐監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)硬件總體框圖 煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖如圖3-1所示：通信模塊單元上位機檢測單元中央處理器報警模塊排風模塊圖3-1 總體框圖有圖可知，煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)有六部分組成：wifi通信模塊，mf

27、c上位機，stm32f103zet6中央處理器，dht11溫濕度檢測單元和mq_2氣體檢測單元，排風裝置，以及報警模塊組成。中央處理器是下位機的核心，其對采集的溫濕度信號、氣體濃度信號進行處理，將模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字值，存儲在內(nèi)部寄存器。信號采集處理完畢之后，經(jīng)由wifi模塊傳輸?shù)缴衔粰C，上位機對采集到的信息進行顯示。當氣體濃度達到一定程度，下位機的報警裝置及蜂鳴器就會發(fā)出報警信號，通知操作人員有氣體泄漏，進行及時的處理。3.2 stm32單片機的特點及應(yīng)用 stm32f103zet6是一款基于arm cortex-m3內(nèi)核的芯片， 它的內(nèi)部采用 arm v7 構(gòu)架，強大的內(nèi)核加上v7結(jié)構(gòu)使他及支

28、持 thumb-2 指令集，還擁有很多新特性。較之a(chǎn)rm7 tdmi，cortex-m3 的性能變得越來越強、代碼密度也變得更高、位帶操作和可嵌套中斷都得到了優(yōu)化?，F(xiàn)在起制造成本更低、功耗低且在其他方面也擁有眾多優(yōu)勢。stm32 的優(yōu)異性體現(xiàn)在如下幾個方面，首先其價格比較低廉，相對于其他32位機，其性價比更高，一個八位機的價格就可以得到32位的性能，很多人愿意接受其低廉的價格，高效的性能。其次其外設(shè)比較豐富，內(nèi)部包含了 超多的外設(shè)。例如fsmc靜態(tài)存儲器、多功能定時時鐘timer、已經(jīng)spi和iic通訊功能，集成在芯片內(nèi)部的usb，can總線，高效處理的dma，降低了芯片處理的負擔。眾多的外設(shè)

29、使得芯片的性能得到了極大的提高，成為廣大電子愛好者、自動化工程師首選的電子芯片。同時stm32還擁有豐富的型號。stm32 僅 m3 內(nèi)核就擁有 f100、f101、f102、f103、f105、f107、f207、f217 等 8 個系列上百種型號，相同型號還有不同的封裝，例如 qfn、lqfp、bga 等封裝型號都可以供大家選擇。這些型號有低版本的，也有高級版本，高級版本可以很容易實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，對于處于21世紀的互聯(lián)網(wǎng)+時代提供了極大的便利。由于其擁有優(yōu)異的實時性能。且具有84 個中斷，可編程先級具有16級，并且所有的引腳都可以作為中斷輸入。其杰出的功耗控制來自于每個獨立外設(shè)都擁有一個可

30、關(guān)斷的時鐘開關(guān)，可以通過關(guān)閉相應(yīng)外設(shè)的時鐘就可以使功耗降低，最后stm32的開發(fā)成本相當?shù)土tm32 的開發(fā)不需要昂貴的仿真器，只需要一個串口下載工具即可實現(xiàn)程序的下載，并且支持 swd 和 jtag 兩種調(diào)試口。swd的使用可以帶來極大的便利，只需要2個io口即可實現(xiàn)仿真調(diào)試代碼下載。stm32最小系統(tǒng)板如圖3-2。 圖3-2 stm32最小系統(tǒng)板 stm33f103zet6的應(yīng)用非常廣泛，例如：利用它驅(qū)動w25q64 64m falsh，這是一個利用spi進行擴張的 flash 芯片，容量大小為 64mbit，也就是 8m 字節(jié)，擁有如此大的容量，可以滿足眾多信息的存儲，也可以用來存儲

31、字庫，或者其他重要的用戶數(shù)據(jù)。工業(yè)版本的以太網(wǎng)版總線profinet，這項技術(shù)非常浪費資源，使得很多生產(chǎn)廠家和用戶都不愿意去利用的產(chǎn)品，但是port和stm32生產(chǎn)廠家意法半導(dǎo)體合作。為stm32 系列量身定做了一款軟件profinet，該軟件只利用了128kb sram存儲容量，相對于其他一些傳統(tǒng)的老芯片生產(chǎn)商，節(jié)約了相當大的資源，使得用戶利用這種通訊協(xié)議更加便利。并且也讓讓意法半導(dǎo)體的微控制器進入一個全新的應(yīng)用領(lǐng)域。從新產(chǎn)品研發(fā)之后，工業(yè)編碼器和工業(yè)驅(qū)動附件的編程變得更加的簡潔化。并且profinet還制定了stm32 f-2版協(xié)議，提供了iec 61158和iec 61784兩個標準的通

32、信協(xié)議。通信場所所需的全部服務(wù)功能，profinet io幾乎完美的都兼容，因此用戶開發(fā)profinet io設(shè)備變得更加輕松。這是第一次通過硬件抽象層訪問硬件，這次的嘗試，為用戶提供了完整的控制微控制芯片的驅(qū)動程序，驅(qū)動的實現(xiàn)并不關(guān)注于你是否擁有操作系統(tǒng)。這一偉大的實現(xiàn)，歸功于stm32芯片的產(chǎn)生，從此實現(xiàn)了電機控制內(nèi)核算法以及傳感器檢測算法、解碼算法和轉(zhuǎn)子位置重構(gòu)無傳感器算法。3.3 系統(tǒng)檢測裝置簡介3.3.1 煙霧傳感器mq-2液化氣濃度的檢測采用mq- 2氣體傳感器，氣體的檢測可以使用多種氣敏材料，而mq-2氣體傳感器使用是二氧化錫(sno2)，二氧化錫(sno2)作為氣體檢測物質(zhì)，其

33、檢測效果更明顯，準確率更高，且受到的干擾更小，便于可燃氣體的檢測。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率會發(fā)生變化，由于使用的是二氧化錫(sno2)，其阻值隨空氣中可燃氣體濃度的增加而減小。根據(jù)這一特性，使用簡單的電路即可將濃度的變化有二氧化錫(sno2)阻值變化檢測出來，經(jīng)過多次測量和數(shù)據(jù)分析，便可將電導(dǎo)率和氣體濃度對應(yīng)起來。煙霧傳感器mq_2原理圖見圖3-3：由原理圖可知，當氣體濃度發(fā)生變化時，二氧化錫構(gòu)成的電阻是減小，通過和電阻r2的串聯(lián)，當二氧化錫阻值減小時，電阻r2所得電壓增大，此時輸入到單片機的模擬電壓增大，經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換，得到對應(yīng)的濃度值。r2分得的電壓值，經(jīng)過和滑動變阻

34、器rp的電壓值一起輸入到lm393中，當電阻r2的電壓值大于滑動變阻器的值時，輸出低電平0。因此煙霧傳感器有數(shù)字量和模擬量兩種輸出。mq_2傳感器特點如下： 圖3-3 煙霧傳感器1、具有信號輸出指示。2、雙路信號輸出模擬量輸出及ttl電平輸出3、ttl輸出有效信號為低電平，當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機4、模擬量輸出會隨著濃度的升高而增大，其電壓輸出范圍為0到5v。5、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性6、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性3.3.2 溫濕度傳感器 dht11dht11是一種數(shù)字溫濕度傳感器，其內(nèi)部含有一個溫濕度復(fù)合傳感器，利用該傳感器可以校準數(shù)字信號輸出的。由于利用了數(shù)字模塊采集技術(shù)，

35、以及溫濕度傳感技術(shù)的利用，使得產(chǎn)品的可靠性有了大幅度的提高，并且使其擁有長期的穩(wěn)定性。其電阻式感濕元件以及ntc測溫元件都集成到dht11芯片當中，由于其可以和一個高性能8位單片機連接使用，且通訊方式簡單，使得dht11的使用更加廣泛。其實物如圖所示3-4：dht11擁有眾多的有點，例如品質(zhì)高，響應(yīng)速度也快、抗干擾能力強并且性價比高。每個dht11傳感器都經(jīng)過了多次試驗，在每個dht11生產(chǎn)出來后，其校準都是在嚴格精確的實驗室進行。在otp內(nèi)存中存儲著嚴格效驗的系數(shù)，這些測量到的系數(shù)，在程序調(diào)用時，就會幫助系統(tǒng)進行分析，以便得到精確的環(huán)境信息。利用單線制進行通訊，減少了i/o引腳的利用，使得系

36、統(tǒng)集成更加簡單。超小的體積以及極低的功耗，仍然可以使信號傳輸衰減很低，其傳輸距離在20米以上，即使在惡劣的環(huán)境之下，其性能依然很圖3-4 dht11出色，受環(huán)境的影響程度相當?shù)?。產(chǎn)品的封裝也很簡潔，外部引出了四個引腳，一個正極，一個負極，一個信號端，第四個引腳為了以后擴張用。采用四引腳的封裝使其連接方便，用戶也可以向廠家定做特殊的封裝形式。典型應(yīng)用如圖3-5：dht11使用的電源是不同的單片機電壓，其輸入電壓很寬，3到5v都可以作為其供電電源。傳感器在使用時，應(yīng)該先通電，由于其特殊的制作工藝，并非通電之后就可以正常工作，需要一個預(yù)熱過程，多次試驗表明，其預(yù)熱時間需要 1s以上，在此期間發(fā)送任何

37、指令，dht11幾乎不會有任何響應(yīng)，或者會返回一串亂碼，因此為了程序穩(wěn)定運行，要進行短暫的預(yù)熱，使器件穩(wěn)定運行。圖3-5 dht11典型應(yīng)用長時間試驗的結(jié)果表明在vcc和gnd之間可適度增加一個電容，以便使電源信號更加穩(wěn)定，減少電源帶來的影響，100nf 的電容即可實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的作用，用以去耦濾波。單片機和dht11進行通訊常用的數(shù)據(jù)格式是單總線,通訊時間在4ms左右,dht11數(shù)據(jù)分為兩部分，小數(shù)和整數(shù)部分,具體格式如下，不過目前小數(shù)部分用于以后dht11的擴展,現(xiàn)在的傳送值為零，否則就是數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)問題.其典型操作流程如下:完整傳輸數(shù)據(jù)為40位,高位在前。先出來的是濕度整數(shù)數(shù)據(jù)其后一次是濕

38、度小數(shù)數(shù)據(jù)、溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、校驗和，其中每個的數(shù)據(jù)為都是8位。當數(shù)據(jù)傳送正確時，校驗和數(shù)據(jù)有特殊的含義，其大小等于濕度整數(shù)數(shù)據(jù)加上8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)部分之和，由于小數(shù)部分為零，所以忽略小數(shù)部分。每一次用戶和dht11通訊時,dht11都會進行模式轉(zhuǎn)換，從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,之后主機會發(fā)出一個18ms的低電平，在以一個18ms的高電平結(jié)束,這是開始信號dht11會接到開始信號后，會拉低信號線的電平，以此應(yīng)答單片機的起始信號,送出40位的數(shù)據(jù),對于dht11發(fā)送的數(shù)據(jù)，單片機可選擇讀取全部數(shù)據(jù)，也可讀取部分數(shù)據(jù).當dht11接收到單片機發(fā)出的開始信號時，就會觸發(fā)一次溫濕度采集,如

39、果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,dht11就會處于低功耗狀態(tài)，不會主動采集溫濕度信息.數(shù)據(jù)采集完成后轉(zhuǎn)換到低速模式。當總線空閑時，其狀態(tài)為高電平,單片機拉低總線,使總線處于低電平，單片機每次把總線拉低時間必須大于18毫秒,能夠使dht11能檢測到起始信號。當單片機發(fā)出開始信號后，直到dht11接收到開始信號,dht11便會等待主機開始信號結(jié)束,然后發(fā)送一個低電平信號響應(yīng)單片機的開始信號，一般其響應(yīng)信號為80us低電平.主機發(fā)送開始信號結(jié)束后,便進入等待狀態(tài)，一般需要延時等待20-40us, 讀取dht11的響應(yīng)信號,當單片機發(fā)送開始信號結(jié)束后,其輸入模式就可以由輸出模式轉(zhuǎn)換為輸入模式, 總線由外

40、部上拉電阻將其拉高。當檢測到總線為低電平時,說明dht11已經(jīng)發(fā)送響應(yīng)信號，響應(yīng)信號發(fā)出后,dht11會再把總線拉高,其后續(xù)步驟就是開始發(fā)送數(shù)據(jù)。每位數(shù)據(jù)的起始電平都是一段時間的低電平，低電平的時間在50us,每位數(shù)據(jù)后續(xù)高電平的長度區(qū)分發(fā)送的數(shù)據(jù)是0或者1，數(shù)據(jù)1的高電平時間比數(shù)據(jù)零的高電平時間長。如果dht11沒有拉低數(shù)據(jù)總線，這說明dht11沒有響應(yīng)單片機的開始信號，這時應(yīng)該檢查線路是否連接正常，當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，dht11會發(fā)送一個低電平,隨后總線拉高，進入空閑狀態(tài)，一次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。3.3.3 12位ad轉(zhuǎn)換stm32 擁有多個外設(shè)，adc是其眾多外設(shè)中的一個，每個adc的使用相互不

41、關(guān)聯(lián)，當然也可以使用雙重模式 。stm32內(nèi)部的adc是12位的，其采用的是逐次逼近型轉(zhuǎn)換法則，stm32的每個adc擁有18個通道,其測量范圍非常寬泛，18個通道分為16個外部，兩個內(nèi)部。stm32的a/d轉(zhuǎn)換有多種模式，比如單次模式，連續(xù)模式等。由于其每部存儲器是16位的，但檢測結(jié)果是12的，因此其結(jié)果可以有兩種對齊方式，左對齊，右對齊，可以根據(jù)相應(yīng)的寄存器進行設(shè)置。對于程序輸入電壓的高低，為了防止其輸入超過限制，可以采用模擬看門狗進行檢測。使得系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定。我們使用得stm32f103系列是一個大容量系列，其內(nèi)部包含了2個adc，stm32f103zet6的adc轉(zhuǎn)換速率是有限度的，

42、系統(tǒng)最大的系統(tǒng)頻率是72mhz，但adc轉(zhuǎn)換的最大速率是1mhz，由此adc的轉(zhuǎn)換時鐘不能超過14mhz，不然adc轉(zhuǎn)換的速度雖然增高，但其轉(zhuǎn)換的精確度卻會下降，有時系統(tǒng)的工作還有出現(xiàn)嚴重的混亂。其和單片機的接口電路如圖3-6所示：stm32 將adc 的轉(zhuǎn)換分為2個通道組：規(guī)則通道組和注入通道組。規(guī)則通道相當于你正常運行的程序，其中注入通道就相當于51單片機里面的外部中斷。對比51單片機的外部中斷我們可以簡單理解stm32的adc，外部中斷擁有更高的優(yōu)先級，當adc的外部注入中斷發(fā)生時，內(nèi)部執(zhí)行的程序會暫時被存儲在堆棧中，此時程序會處理外部注入通道產(chǎn)生的事件。由此可知注入通道的優(yōu)先級一般要

43、高于規(guī)則通道，這樣的分類可以圖3-6 adc 接口電路應(yīng)對外部發(fā)生的突然事件，使其處理更加及時，例如，當你平時需要監(jiān)視多個外部時間時，有些外部事件需要實時進行adc轉(zhuǎn)換，但個別事件需要應(yīng)對特殊情況，當查看是，需要立刻顯示，這時在使用規(guī)則通道需要等待一定的時鐘周期，才的到想要的結(jié)果，但是如果使用注入通道，當查看時，就會產(chǎn)生一個中斷，且其優(yōu)先級較高，因此可以實時進行查看。注入通道的產(chǎn)生對adc轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)產(chǎn)生了極大的便利，對于程序員編寫程序，也是一種便利，使得程序開發(fā)是，考慮的問題更加簡單，程序的編寫也簡潔化。3.4 通信及顯示模塊3.4.1 顯示模塊本小結(jié)介紹的是顯示模塊，顯示模塊分為兩部分，第一

44、部分是顯示屏tft_lcd，第二部分是stm32里面自帶的fsmc。3.4.1.1 tft-lcd tft_lcd是一種液晶顯示模塊，與 tn-lcd、stn-lcd 等顯示原理不同，tft_lcd內(nèi)部每個像素上都有一個薄膜晶體管，對于其客服外接的干擾有重要作用。這種這種技術(shù)的應(yīng)用，使得液晶的靜態(tài)特性和其掃描方式幾乎沒有關(guān)系，使得模塊的穩(wěn)定性有了大步的提高。其實物如圖3-7所示：圖3-7 tft_lcd 煤氣罐檢測所用的2.8寸的tftlcd模塊， 其內(nèi)部需要芯片驅(qū)動，否則i/o口驅(qū)動不了液晶屏的顯示，這也是的顯示的過程更加復(fù)雜，因此ili9320作為了本次tft_lcd的驅(qū)動芯片。自帶顯存是

45、ili9320芯片的一大優(yōu)點，在18位存儲模式下，ili9320的顯存為 172820 。當使用16 位數(shù)據(jù)線時，其對應(yīng)的顯存模式是 565 ，其中低六位代表藍色，高六位代表紅色，中間五位代表綠色，其顏色的深淺隨著數(shù)值的增大，顏色越來越深。ili9320的常用驅(qū)動命令如表3-1所示：ili9320擁有復(fù)用功能命令，其符號如表中的r0,當對該位寫時，ili9320的最低位為osc，對代為寫代表開啟或者關(guān)閉振蕩器。當對ili9320的r0存儲器讀時，得到的是驅(qū)動器的型號。應(yīng)為tft_lcd有多種驅(qū)動芯片，因此在程序初始化時，一定要得到lcd的驅(qū)動芯片的型號，根據(jù)型號對lcd進行初始化。ili932

46、0入口模式命令如表中所示是r3。 i/d0、i/d1、am這3 個位，這三位是ili9320控制命令的關(guān)鍵位，這三位的組合控制了屏幕的顯示方向，對其三位進行不同的設(shè)置，代表的顯示方向完全不同，因此當屏幕顯示時，一定要對這三位進行合理的初始化，使得屏幕的顯示按照預(yù)設(shè)的方向進行顯示。r7是tft_lcd的顯示命令控制位，對cl位進行寫操作，可以控制tft_lcd是使用 8 位彩色還是26萬色進行顏色取值。當對該位寫0時，為26萬色，當對該位寫1時對應(yīng)的是八位色。 控制顯示開關(guān)與否用d1、d0、basee著三位進行設(shè)置。當對這三位寫1時開啟顯示，對d1、d0、basee三位寫0時關(guān)閉顯示。通過控制這

47、三位，我們就可以控制顯示器的開關(guān)，盡最大程度降低顯示器的功耗。r32、r33為用來控制顯示器的行列地址，當將相應(yīng)坐標設(shè)置好之后，就可以在對應(yīng)位置寫入數(shù)據(jù)，因此在寫入數(shù)據(jù)前應(yīng)對坐標值進行設(shè)定。向 gram寫入數(shù)據(jù)利用的是r34 命令， 當該位置為后，地址計數(shù)器根據(jù)內(nèi)部的設(shè)定，地址會相應(yīng)的增加或者相應(yīng)的減少。r80到r83，控制gra的地址位就是這四個寄存器的作用，要想控制tft_lcd在屏幕上的大小寫入的大小，應(yīng)該預(yù)先對該位進行設(shè)置。表3-1 ili9320常用控制命令編號 指令 命令r0 0x00 打開振蕩器r3 0x03 入口模式r7 0x07 顯示控制r32 0x20 行地址設(shè)置r33 0

48、x21 列地址設(shè)置r34 0x22 寫數(shù)據(jù)到gramr80 0x50 行起始地址r81 0x51 列起始地址r82 0x52 行結(jié)束地址r83 ox53 列結(jié)束地址 3.4.1.2 可變靜態(tài)存儲器fsmc 大容量100腳以上的 stm32f103 芯片分為大容量、小容量和中容量，一般大容量版本帶有 fsmc 接口，煤氣罐檢測控制系統(tǒng)使用的stm32f103zet6，這款主芯片為大容量版本，內(nèi)部帶有 fsmc 接口。stm32f103zet6能夠與同步或異步存儲器接口對接，也可以和16位pc存儲器卡接口對接。 fsmc 將外部設(shè)備分為 3 類：nor/psram 設(shè)備、nand設(shè)備、pc 卡設(shè)備

49、。他們公用多種信號線，但有相應(yīng)的片選端將其區(qū)分開，如本章我們用到的 tftlcd 就是用的 fsmc_ne4 做片選，將 tftlcd 當成 sram 來控制。外部 sram 的控制一般有：地址線 數(shù)據(jù)線 、寫信號 、讀信號、片選信號等。由前一節(jié)的介紹我們可以知道，這些信號線和我們應(yīng)用的顯示屏幾乎是相同的，只需對其稍加修改，即可將我們的顯示屏當做一個sram進行控制，這兩控制起來不用擔心各個控制信號的時序問題，只需設(shè)置相應(yīng)的寄存器即可，是顯示屏的開發(fā)更加簡潔，避免了復(fù)雜的時序問題，使開發(fā)周期更加短，由于使用了內(nèi)部芯片的寄存器進行操作，是的程序控制更加穩(wěn)定，顯示的過程不會出現(xiàn)亂碼。四個塊區(qū)是st

50、m32最典型的分配方法，256mb是每個區(qū)域的固定大小，通過寄存器可以對其進行相關(guān)的配置，其相應(yīng)的控制端口和內(nèi)部區(qū)域的劃分，以及起始地址如下圖3-8所示：圖3-8 fsmc 存儲塊地址映像 fsmc的應(yīng)用使得顯示屏的控制變得更簡潔，程序的執(zhí)行效率變得更快速。 3.4.2通信模塊esp8266圖3-9 wifi模塊圖3-9 wifi模塊當下位機采集到數(shù)據(jù)之后，需要將數(shù)據(jù)上傳到tcp/ip服務(wù)器，及用mfc編寫的上位機上。由于采用的是局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，但是stm32內(nèi)部并不帶有wifi功能，因此需要在外部接入一個wifi模塊，作為接入局域網(wǎng)絡(luò)的通信端口。esp8266是一款功能強大的wifi模塊，內(nèi)

51、部集成了三種模式，ap模式、station模式、ap+station模式。其模塊如圖3-9所示： esp8266采用的是3.3v電壓供電，當其工作在5v電壓是，芯片發(fā)熱嚴重因此在使用芯片時應(yīng)嚴格控制輸入電壓，使其工作在合理區(qū)間。esp8266外部留有八個引腳分別為 vcc、gnd、rst、urxd、utxd、ch_pd、gpio2、gpio0，由其端口定義可以看出，esp8266 wifi模塊采用串口進行控制。串口控制wifi模塊使得開發(fā)周期縮短，并且stm32擁有相當多的串口資源，使得模塊的開發(fā)更加便捷。esp8266的開發(fā)使用精簡的at指令，其at指令分為基礎(chǔ)指令，如測試指令，wifi功能

52、指令，如設(shè)置wifi模式、列出當前可接入點、加入接入點等，最后是tcp/ip指令，該at指令使得wifi模塊可以快速的連入局域網(wǎng)絡(luò)。圖3-10是esp8266的引腳圖圖3-10 esp8266引腳圖esp8266的測試應(yīng)該在路由器環(huán)境下進行測試，測試時，上位機建立服務(wù)器，下位機設(shè)置成station模式，通過設(shè)置模式，建立多連接，關(guān)閉esp8266的server模式，根據(jù)上位機的ip地址，以及端口號，連接mfc建立的服務(wù)器，使得程序的測試順利通過，之后便可以進行程序的收發(fā)，在程序收發(fā)時，因規(guī)定程序收發(fā)一次的字節(jié)數(shù)，使得通訊更加安全。 3.5 電源轉(zhuǎn)換電路stm32f103zet6單片機的供電電壓

53、有一定的范圍，正常情況下其最小電壓為2v，最大電壓供應(yīng)值不超過3.6v否則對芯片的穩(wěn)定性有影響，嚴重時芯片會由于電壓、電流過大二燒毀芯片。因此stm32f103zet6的電壓供應(yīng)應(yīng)該采用穩(wěn)定的3.3v電壓。由于程序下載時，采用的是usb口進行供電，且usb是用ch340g進行點電平轉(zhuǎn)換，把電腦的正負12v電壓轉(zhuǎn)換為單片機能夠接受的邏輯電壓，而ch340g使用的是5v電壓進行供電，由此可知，在煤氣罐倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)該有兩種電源供應(yīng)方式。由于使用usb轉(zhuǎn)串口的時候，電腦通過usb接口線會給單片機提供5v電壓，綜合上述情況可知，在煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)中，只需要將5v電壓轉(zhuǎn)換為3.3v電壓即可。有

54、上述分析可知，電源需要由5v轉(zhuǎn)換的3.3v，因此需要考慮使用降壓模塊，將電壓降低，考慮到實際電路的需要，煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)中使用了ams1117-3.3芯片,ams1117-3.3芯片可以將5v電壓轉(zhuǎn)換到3.3v左右，其輸入電壓為5v，輸出電壓的范圍為：3.267到3.333v，有其輸出特性，和煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的電壓要求可知，ams1117-3.3芯片正好滿足系統(tǒng)需求，考慮到ams1117-3.3芯片的外圍電路構(gòu)造簡單，因此作為煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的首選芯片。其電路構(gòu)造如圖3-11所示：圖3-11 電源轉(zhuǎn)換電路 由圖可知，usb電源進入到button電源開關(guān)之后，經(jīng)過一個500ma的保險絲，對內(nèi)部電路進行過電流保護，防止出現(xiàn)脈涌電流，燒壞煤氣罐倉庫檢測系統(tǒng)內(nèi)部的元器件，圖中的vcc代表的是由usb傳過來的5v電壓，下部接入一個濾波電容，保持電源的穩(wěn)定性。隨后5v電壓又經(jīng)過ams1117-3.3芯片，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，以及兩個濾波電容的穩(wěn)定，轉(zhuǎn)化為3.3v電壓，實現(xiàn)了向內(nèi)部芯片供電。3.6 通風報警電路煤氣罐倉庫監(jiān)控系統(tǒng)需要良好的通風條件，防止倉庫由于通風不暢導(dǎo)致倉庫內(nèi)煤氣濃度過