基于单片机的危险气体远程检测报警系统设计.docx

《基于单片机的危险气体远程检测报警系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的危险气体远程检测报警系统设计.docx（35页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、摘要IAbstractII绪言31控制系统设计51.1 系统方案设计51.2 系统工作原理52硬件设计62.1 主电路62.1.1 单片机最小系统62.1.2 STM32F103单片机62.1.3 晶振电路82.1.4 复位电路82.2 按键控制电路92.3 报警电路102.4 LCDl602液晶显示电路IO2.5 ESP8266模块电路112.6 传感器模块电路113软件设计133.1 系统主程序设计133.2 系统子程序设计133.2.1 LCDI602显示设计133.2.2 ESP8266无线通信设计133.2.3 按键子程序设计153.2.4 气体浓度检测程序设计163.2.5 报警程

2、序设计16结论17参考文献18附录源程序清单20致谢26摘要为了尽早发现和预防各类危险气体减少对人的危害，保护自己和个人或公共财产的安全，需要使用自动报警器对人进行预警。本文中作为危险气体检测系统的主要技术采用了传感器和单片机，该系统基于STM32F103单片机无线数据传输系统和通过气体传感器MQ-4对危险气体的浓度进行监测，并通过AD模数转换模块将模拟量转换为数字值，再发送给单片机，LCD1602液晶显示屏显示当前检测到的气体浓度值，单片机通过ESP8266无线模块和手机进行传通讯将当前数据发送至手机上显示，通过按钮设置气体浓度报警上限数值，当气体浓度超过上限值时，启动蜂鸣器进行报警。实现了

3、液晶显示危险气体的浓度和报警的功能，对气体检测报警系统的实现技术展开了较为深入地研究，为有害气体监测技术的实现提供了参考。关键词：气体监测；传感器；单片机；无线数据传输AbstractInordertofindandpreventallkindsofdangerousgasesassoonaspossibletoreducetheharmtopeople,protectthemselvesandpersonalorpublicpropertysafety,itisnecessarytouseautomaticalarmtowarnpeople.ThesystemisbasedonSTM32F1

4、03microcontrollerwirelessdatatransmissionsystemandgassensorMQ-4tomonitortheconcentrationofdangerousgases,andthensendtheanalogquantitytodigitalvaluethroughADdigital-to-analogconversionmodule,thensendtothemicrocontroller,LCD1602LCDdisplaytodisplaythecurrentdetectedgasconcentrationvalue,themicrocontrol

5、lerthroughESP8266wirelessmoduleandmobilephonetransmission,sendthecurrentdatatothemobilephonedisplay,settheupperlimitvalueofgasconcentrationalarmthroughthebutton,whenthegasconcentrationexceedstheupperlimitvalue,startthebuzzerforalarm.Theliquidcrystaldisplayfunctionofhazardousgasconcentrationandalarmi

6、srealized,andthetechnologyofgasdetectionandalarmsystemisstudiedindepthtoprovidereferencefortherealizationofhazardousgasmonitoringtechnology.Keywords:gasmonitoring;thesensor;singlechipmicrocomputer;wirelessdatatransmission.绪言为了加快经济的发展，人们几乎无休止的开采资源，破坏环境，使本来就已经污染严重的环境再次受到了重大的影响，人类的生存环境变得十分恶劣，人们面临着环境污染不

7、断的严重问题。因此，为了与自然和谐相处，我们迫切需要保护自然环境。自从重视保护环境以来，人类开始利用高科技产品监测自然环境的状况，寻求环境问题的改善和解决方法。危险气体是必须消除的重要污染类型之一。随着化工厂数量的增加，化工厂排放的危险气体的种类增加，设施和仓库泄漏事故的增加，从安全、环保等方面考虑，开发一种检测危险气体的控制器和自动报警装置非常重要。随着单片机技术的快速发展，利用单片机开发的检测设备越来越小，种类也越来越多，但用于气体检测的设备却越来越少。因此，有必要设计一种基于单片机的危险气体检测系统。本系统设计的危险气体监测系统通过检测被测气体的浓度，当气体浓度超过规定的标准值时，即使用

8、蜂鸣器进行报警。当检测的气体浓度小于报警值时改变报警标准即不报警。人们可以通过超过正常气体浓度规定的标准值时报警器发出的声音察觉到危险从而避开有可能发生的灾害和及时解决危险气体浓度过高引发的问题。本次设计是基于STM32F103单片机的气体浓度检测系统，通过MQ-4传感器检测当前环境中甲烷气体的浓度，收集到的模拟值通过AD模块转换成数字格式，并传输到单片机，通过LCD液晶屏显示出来。当气体浓度超过最高限值时，蜂鸣器就会被单片机控制开始报警。此外单片机采用ESP8266模块和手机进行通信，将检测到的数据发送给手机端，并展现在APP上。本设计具备以下功能：(1)使用传感器收集环境数据并将其模拟值转

9、换成数字格式；(2)在单片机中处理收集到的数据，实时监测气体浓度；(3)实现串口通信和液晶屏的程序设计，LCD液晶屏显示实时检测到的危险气体的浓度值;按键设置报警气体浓度值，超过报警值时，蜂鸣器发出警报;单片机和手机之间无线通信，在手机上展示数据。1控制系统设计L1系统方案设计本次设计主要是用来检测有害气体，具有报警功能的设备。目前化工厂内的工作环境并不理想，通过实习我发现整个厂区内的危险气体如甲烷等浓度特别高，工人作业时有害气体吸入量特别的大，而且一旦气体泄漏后极易造成火灾、爆炸等事故，危害极大。所以，本设计应当实现以下三项功能：检测室内的危险气体浓度、达到对应浓度报警、手机远程显示室内气体

10、浓度值。本设计的完成，整体控制方案的选择尤为重要，根据上面提到的要求，下面列举出几种可行的控制方案，并进行对比，选出最适合本设计的方案。方案一：采用单片机作为控制器，将功能部件集成在芯片上，集成度高、体积自然小、内部总线结构的单片机，减少了芯片之间的通信，使其具有可靠性和抗干扰能力。由于单片机的体积小，可以很容易采取电磁屏蔽或密封措施，适合在恶劣环境下工作。而且，单片机指令丰富，功耗低，电压低，易于生产便携产品，易于扩展，可靠性高，价格低，经济效益高，能达到预期的功能。方案二：使用集成电路作为控制器，电路很简单。由于集成电路的引入，集成电路简化了设计、调试和安装完整电路。集成电路具有很高的可靠

11、性优势。但是集成电路很难理解。许多集成电路指标在修复和拆卸方面非常困难，修理的成本也会增加。当集成电路内电路中的部分电路出现故障时，通常必须整块一起修理。综上所述，集成电路如果出现故障不方便拆卸与修理，而单片机既能满足本设计所要实现的功能，又具有低成本的优点，故选择方案一。L2系统工作原理本次设计采用LED1602液晶显示器显示采集到气体浓度值，单片机作用为STM32F103,MQ-4传感器时刻检测当前环境气体浓度。按键用来设定气体浓度报警上限值，通过模转换将采集到的气体浓度值模拟值转换为数字量，并传输给单片机进行计算。ESP8266无线模块用于单片机和手机之间的通信，将采集到的数据无线发送到

12、手机端进行展示。包含两个按键，用来设置气体浓度报警上限值。危险气体浓度值大于设置的上限时，单片机驱动三极管控制蜂鸣器进行报警。系统的工作原理图如L1所示。气体浓度检测模块无线数据传输模块按键电路单片机处理单元电源电路显示模块蜂鸣器报警图1.1系统工作原理图2硬件设计2.1 主电路2.1.1 单片机最小系统单片机最小系统由晶振电路、STM32F103芯片和复位电路组成。只要有这三者存在，单片机就可以正常的工作。1单片机最小系统框图如图2.1所示。复位电路单片机辅入，输筱备电漆时钟电路图2.1单片机最小系统框图2.1.2 STM32F103单片机STM32F103单片机是一款低功耗、高性能的微控制

13、器，是STC公司早期生产用于工业控制的单片机。其作用是控制各种传感器和外设，自行计算处理得到的数据和信号，并进行相应的操作2,在工业生产中起到大脑的作用。对于本次设计选择的是STM32F103C8T6单片机。此单片机和51系列相比多了很多功能，不但运行速度比51单片机要快很多，自带2个AD转换，方便我们在设计烟雾的时候免去了需要加外部ADC进行转换，非常方便；STM32有着很强大的通信功能和控制功能。这一点是51单片机无法比拟的。因为51单片机只有1个串口进行通信，而32单片机具有5个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市

14、场上广泛的运用，32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地。STM32特点：(DSTM32C8T6系列的起振晶部分采用了RTC,低负载的方式，而没有像传统的比较廉价的圆柱晶振。(2)引脚个数为48个。(3)工作频率为72MHZ。(4)单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器。(5)单片机具有2个2位/16通道的ADC模数转换。(6)使用了3.3V稳压芯片，可以保证最大输出30OMA电流。(7)支持ST-LINK和JTAG调试下载。(8)存储资源为64kbbyteFLASH和20byteSramoSTM32实物图如图2.2所示。图2.2ST

15、M32F103C8T6实物图电源指示灯LED(PWR通常为红色)：如果电源指示灯亮亮说明单片机正常运行，如果较暗或者闪烁，表示此单片机可能存在故障。(2)用户LED(PCl3):这个功能的使用大大的方便了我们进行一些比较简单的功能测试，如单片机的运行状态等，方便初学者进行更好的测试。(3)单片机上采用了跳帽的方式，我们可以对stm32进行3种编程方式。如用户的SARM、闪存和系统的存储器。(4)为单片机的复位电路。(5)8M晶振：主要是用于设置单片机系统的频率为72MHZ。(6)32.768KHz晶振：可供内置RTC使用，避免了需要专门的时钟芯片进行定时器处理等。2.1.3 晶振电路晶振电路也是我们常说的时钟电路，整个系统处理信号和其它各部分运行也是一个频率，晶振电路就是为它们提供一个稳定的振荡频率，使系统各部分保持同步。本设计主要是采用两个30UF的电容和一个12MHZ的晶振组成。采用了外部时钟方式的配合方法，电容帮助晶振起振使电路可以正常工作。单片机的XTAL2和XTALl两个接口分别于晶振上的两个引脚相连。晶振电路原理图如图2.3所示。三图2.3晶振电路原理图2.1.4 复位电路复位电路的用途：在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CP