煤气罐仓库环境监控系统设计(共50页)

精选优质文档-倾情为你奉上摘 要随着工业水平和科技水平的提高，人们越来越多的开始关注安全问题，尤其是日常生活实用的煤气存储问题，近年来每年都会有这样的报道，由于煤气泄漏造成的人员伤亡和财产损失。尽管市场上已经存在一些煤气警报器，但是简单的报警无法从根本上解决问题，无法及时的自动的处理险情并且报警寻求帮助。目前互联网、物联网已经成为大势所趋，因此本文介绍了一个基于局域网络的煤气监控系统，该系统以STM32F103ZET6为核心，采用TCP/IP协议，利用下位机的WIFI模块，通过局域网将检测到的信息实时传输给上位机。该系统下位机配以煤气传感器、温湿度传感器、WiFi传输模块、排风扇、TFT_LCD显示模块等，上位机为以C+为基础的MFC编程，利用VC+6.0平台，建立可视化窗口，完成对下位机传输数据的实时显示，及时了解煤气罐存储的环境信息，实时检测煤气是否发生泄漏，气体存储的条件是否适宜。该系统可完成对煤气浓度的采集，显示，数据处理，声光报警，控制执行机构等功能，同时还对煤气存储的条件进行监控，确保气体在存储时环境适宜。本系统对煤气的检测利用的是半导体气敏元件MQ_2气体传感器，MQ_2气体传感器使用的气敏材料，这种气敏材料是电阻值较高的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电阻值随空气中可燃气体浓度的增加而减小。使用简单的电路即可测量，其原理是将电阻值的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。存储环境的检测采用DHT11传感器，该传感器包括一个电阻式感湿元件，还有一个NTC测温元件，能准确对存储环境的温湿度进行测量。该系统集成度高，可靠性好，工作稳定，信息传输安全可靠，实时性好，操作简单方便，便于煤气罐存储环境的监测。关键词:局域网；C+上位机；液化气浓度检测；气体环境检测；abstractWith improvement of industrial level and the level of science and technology, more and more people began to attention to security 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 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 module 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 programming, 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 acquisition 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 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 environment, 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 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 录 专心-专注-专业第一章 绪论1.1课题研究的背景煤气的应用由来已久，并且在国民生活中占着很大的比例，虽然进入21世纪，电力的应用在生活中的逐渐扩张开，但是液化石油气的应用依然是人类生活不可或缺的一部分，液化石油的应用较农村传统使用的木柴更加保护环境，其利用率，燃烧效率都比较高效，但是，随着生活标准的逐渐提高，各种各样的液化气使用装置慢慢走入人类的视野，但其中也伴随着一些安全隐患，时常有人因为煤气泄漏，或者煤气使用装置不合格发生火灾，甚至爆炸，长期危险着人类的生命安全。随着人类对煤气的使用，对于煤气传输安全，使用安全，一直进行着不懈的努力，例如，利用现代技术生产的管道检测机器人，它是一种针对煤气管道传输过程中，气体泄漏检测，管道内部修理，清洁作业的小型机器人，保障了气体传输的安全性，使气体传输更加安全化。这不仅减少了人力的投入，节约了成本，更加保证了使用的安全。针对家庭使用煤气罐，有时正在做饭时，忽然煤气使用完了，导致做饭不得终止，于是便有了，煤气罐存量检测计，通过压力传感器，检测出空罐是的重量，再次检测出充满液化气的罐子的重量，通过多次数据分析，测出罐内气体的容量，并在显示器上进行显示，是主人随时随地都可以了解气体的剩余量。这样使用起来更加方便，当煤气使用殆尽的时候，主人可以及时冲液化气。这些都是对于液化气使用过程中的安全性，简便性的不懈探索。从煤气的产生到煤气的使用，伴随着很多技术的改革。人们从开始简单的对石油气进行收集利用，到现在大规模的传输，其中国内最大的气体传输就是西气东输，西起，东至上海。这是一个惠及民生的基础建设工程，它的建立使自动化控制技术在煤气传输中再次得到了提高，西气东输改善了人类 利用能源的结构，使得大量的天然气从西部地区传输到东部，解决了东部燃气不足的问题，气体的运输就要考虑安全性问题，因此在其中自动化检测技术便得到了广泛的应用，对于管道的焊接，使用自动化技术进行管道检测，查看是否有焊接漏洞，对气体传输是的泄漏提早预防。对于气体的存储，像传统的化学用品一样，大都采用安全的防护措施，但是缺乏自动控制应用，还是对安全性提出了一定的挑战，例如天津发生的化学品爆炸事件，如果利用自动化技术对其进行监管，使得险情提前发现，会在一定程度上减少人民财产损失，降低事故率，对于国内现在煤气罐的存储，大部分情况下还是采用人力看管为主，白天在操作工人的监管下进行，但工人下班之后，就会出现无人监管的情况。这种现象对煤气罐的存储产生了安全隐患，事故的而发生往往就在一瞬间，因此对于人力的监控，不能实时的到控制，这就需要一套自动化控制装置，来完成人力的不足，做到控制实时性，保证煤气罐仓库的存储安全。1.2 煤气罐存储安全研究的意义国内外对于液化气的传输还有使用时都进行了各种安全保护，本文煤气罐仓库环境监控系统针对煤气在存储过程中可能发生的泄漏事件进行了研究，确保煤气存储的安全，避免灾难的发生，降低由于疏忽为题导致的事故率。21世纪，进入到互联网时代，本文的煤气罐仓库环境监控系统，紧跟时代的潮流，摒弃了传统利用线路进行传输的麻烦，利用局域网，通过WIFI模块进行监控数据的传输，上位机对仓库煤气罐仓库存储的环境信息进行实时的监控，确保在存储的过程中，发生煤气泄漏提早采取补救措施，使煤气罐在存储时待在一个适宜的温度。尽可能保护存储的安全，减少隐患的发生。煤气罐仓库环境监控系统的使用较传统的人工监测更加安全，解放了劳动力，减少了存储时所消耗的费用，重要的是排除了人力监测的误差，是煤气存储更加安全。第二章 煤气罐仓库环境监控系统总体方案设计2.1煤气罐仓库环境监控系统设计的总体原则煤气是一种易燃易爆的危险气体，它的存储至关重要，如果处置不当，可能会引发严重的安全事故，对人民群众的生命安全存在隐患。因此煤气罐仓库的监控系统要充分考虑存储的安全性。对于气体的存储，一般采用压缩气体的方法，将大量气体压缩到罐体当中，使得罐体内部压强是外部气压的数倍，如果存储环境中发生火灾，或者存储的气体发生泄漏，导致煤气罐发生爆炸，那么煤气罐仓库的工作人员将有生命危险。 因此煤气罐仓库监控系统设计的主要原则是：安全性原则、稳定性原则，实时性原则。2.2 煤气罐仓库环境监控系统设计的基本功能该系统是基于ARM的STM32f103ZET6的煤气罐环境监控系统，体统总体的布局包括两部分，一部分是下位机的信息采集部分，对系统需要收集的煤气浓度、温湿度进行采集，第二部分是上位机，上位机采用VC+6.0开发环境，在VC+6.0开发环境上，利用C+开发语言，采用微软的windows API函数集成库MFC进行窗口平台的开发，上位机开发页面及显示和控制于一体，对于煤气罐存储环境进行实时准确了解。下位机采集信息包括液化气气体浓度、存储仓库的气体湿度、温度。由于主控板采用STM32F103ZET6，该芯片包含112个外部引脚，78个外部中断，8路定时器，2路AD转换等。STM32F103ZET6强大的处理能力以及内部众多的外设使得系统的开发更加简单。气体浓度检测使用MQ_2气体传感器，MQ_2气体传感器使用的气敏材料，这种气敏材料是电阻值较高的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电阻值随空气中可燃气体浓度的增加而减小。使用简单的电路即可测量，其原理是将电阻值的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。存储仓库环境的检测采用DHT11传感器，该传感器包括一个电阻式感湿元件，还有一个NTC测温元件，能准确对存储环境的温湿度进行测量。下位机采集到检测信息后，经过单片机处理，和预设气体浓度进行比较，当气体浓度大于预设值，启动排风扇，降低液化气浓度，同时提醒操作人员检查存储仓库内的液化气是否泄漏，对危险信号进行处理。下位机采集到的信号，由WiFi模块，经过局域网，将测量值传输到上位机，进行显示，上位机实时准确的显示仓库环境温度，是整个液化气存储仓库更加安全可靠2.3煤气罐仓库监控系统元器件选取原则煤气罐仓库监控系统要使用的元器件主要有主控芯片STM32F103ZET6、气体检测模块MQ_2、温湿度检测模块DHT11、WIFI模块ESP8266、显示模块TFT_LCD。对于煤气罐监控系统元器件的选取原则，主要是确保煤气罐存储的稳定性，以及监控系统开发的经济性原则，使系统安全高效的进行。对于主控芯片，采用STM32F103ZET6，因为这款芯片处理速度快，一般情况下其时钟频率是72MHZ，并且其内部资源众多，拥有多个串口、定时器、FSMC等资源，并且其使用的是3.3V电压，内部功耗可控。相对于其他控制装置，比如PLC，其适合开关逻辑控制，具有众多的I/O接口，也支持模拟量的输入，但其体积庞大，运算速度低，即使抵挡的S7-200组装成一个系统也要千元以上，并且其主要应用场所是进行开关量逻辑控制，对于冶金、印刷等流水线控制具有良好的性能，但对于检测装置却不理想。DSP处理速度快，其性能和STM32F103ZET6一样卓越，但其外部电路构造复杂，产品开发周期长，不适合作为煤气罐监控系统的主控芯片。由于煤气罐监控系统使用局域网发送信息，在单片机系统中，实现联网需要使用WIFI模块，对于WIFI模块的选择，本系统选择了ESP8266，因为ESP8266采用AT指令，利用串口进行通讯，使得程序的开发难易程度降低，开发周期减小，并且ESP8266模块传输速率快，传输距离远，支持三种模式，对于开发物联网模式的系统，是首选。并且ESP8266其电源采用的是3.3V供电，其AT指令也是一3.3V的规格定义高低电平，所以结合ESP8266WIFI模块，我们综合的选择了STM32F103ZET6作为我们煤气罐仓库环境监控系统的主控芯片。对于气体检测模块，我们选择的是MQ_2作为气体检测模块，MQ_2气体检测模块能够检测多种气体，液化气、丁烷、丙烷、甲烷等，其检测精度高，且模块工作稳定，能够以两种方式输出，数字量和模拟量。其检测范围为600到10000ppm,气体检测是煤气罐监控系统的主要环节，因此要选择稳定性好的模块。对于温湿度检测，使用的是DHT11，DHT11模块将温度检测和湿度检测结合到一个模块，数据的传送采用单总线模式，只需要一个I/O口，相对于并行传输，可以节省很多I/O引脚，其湿度测量范围：20-90%RH，湿度测量精度：5%RH，温度测量范围：0-50，温度测量精度：2。对于煤气罐仓库监控系统其测量范围和精度适宜。对于下位机的显示模块,我们选择TFT_LCD作为显示屏，我们使用的是2.8寸的液晶显示屏，其可以使用256彩色显示，显示的类型多样，更重要的是，我们使用的STM32F103ZET6内部含有大容量存储控制器FSMC，由于TFT_LCD液晶显示模块的数据存储和读取方式和FSMC对外部SRAM的操作几乎相同，因此利用STM32F103ZET6的FSMC操作TFT_LCD避免了复杂的时序操作，只需要控制STM32F103ZET6相关寄存器，即可实现对液晶屏的操作。 上位机的选择，我们使用的是微软的VC+6.0开发平台，利用C+语言进行上位机的开发，由于VC+6.0具有强大的可视化开发功能，使得对于控制界面的开发非常便利，煤气罐仓库监控系统的上位机需要实时显示数据，利用里面的对话框开发，放置一些编辑框，在使用编程语言，进行下部的处理，就可接受下位机传输的数据。由于CSocket类的支持，对于服务器的开发非常便利，因此使用VC+6.0作为开发平台。第三章煤气罐监控系统硬件电路设计3.1 煤气罐仓库监控系统系统硬件总体框图 煤气罐仓库监控系统的总体框图如图3-1所示：通信模块单元上位机检测单元中央处理器报警模块排风模块图3-1 总体框图有图可知，煤气罐仓库监控系统有六部分组成：WIFI通信模块，MFC上位机，STM32F103ZET6中央处理器，DHT11温湿度检测单元和MQ_2气体检测单元，排风装置，以及报警模块组成。中央处理器是下位机的核心，其对采集的温湿度信号、气体浓度信号进行处理，将模拟值转化为数字值，存储在内部寄存器。信号采集处理完毕之后，经由WIFI模块传输到上位机，上位机对采集到的信息进行显示。当气体浓度达到一定程度，下位机的报警装置及蜂鸣器就会发出报警信号，通知操作人员有气体泄漏，进行及时的处理。3.2 STM32单片机的特点及应用 STM32F103ZET6是一款基于ARM Cortex-M3内核的芯片， 它的内部采用 ARM V7 构架，强大的内核加上V7结构使他及支持 Thumb-2 指令集，还拥有很多新特性。较之ARM7 TDMI，Cortex-M3 的性能变得越来越强、代码密度也变得更高、位带操作和可嵌套中断都得到了优化。现在起制造成本更低、功耗低且在其他方面也拥有众多优势。STM32 的优异性体现在如下几个方面，首先其价格比较低廉，相对于其他32位机，其性价比更高，一个八位机的价格就可以得到32位的性能，很多人愿意接受其低廉的价格，高效的性能。其次其外设比较丰富，内部包含了 超多的外设。例如FSMC静态存储器、多功能定时时钟TIMER、已经SPI和IIC通讯功能，集成在芯片内部的USB，CAN总线，高效处理的DMA，降低了芯片处理的负担。众多的外设使得芯片的性能得到了极大的提高，成为广大电子爱好者、自动化工程师首选的电子芯片。同时STM32还拥有丰富的型号。STM32 仅 M3 内核就拥有 F100、F101、F102、F103、F105、F107、F207、F217 等 8 个系列上百种型号，相同型号还有不同的封装，例如 QFN、LQFP、BGA 等封装型号都可以供大家选择。这些型号有低版本的，也有高级版本，高级版本可以很容易实现网络的互联，对于处于21世纪的互联网+时代提供了极大的便利。由于其拥有优异的实时性能。且具有84 个中断，可编程先级具有16级，并且所有的引脚都可以作为中断输入。其杰出的功耗控制来自于每个独立外设都拥有一个可关断的时钟开关，可以通过关闭相应外设的时钟就可以使功耗降低，最后STM32的开发成本相当低廉。STM32 的开发不需要昂贵的仿真器，只需要一个串口下载工具即可实现程序的下载，并且支持 SWD 和 JTAG 两种调试口。SWD的使用可以带来极大的便利，只需要2个IO口即可实现仿真调试代码下载。STM32最小系统板如图3-2。 图3-2 STM32最小系统板 STM33F103ZET6的应用非常广泛，例如：利用它驱动W25Q64 64M FALSH，这是一个利用SPI进行扩张的 FLASH 芯片，容量大小为 64Mbit，也就是 8M 字节，拥有如此大的容量，可以满足众多信息的存储，也可以用来存储字库，或者其他重要的用户数据。工业版本的以太网版总线PROFINET，这项技术非常浪费资源，使得很多生产厂家和用户都不愿意去利用的产品，但是Port和STM32生产厂家意法半导体合作。为STM32 系列量身定做了一款软件PROFINET，该软件只利用了128KB SRAM存储容量，相对于其他一些传统的老芯片生产商，节约了相当大的资源，使得用户利用这种通讯协议更加便利。并且也让让意法半导体的微控制器进入一个全新的应用领域。从新产品研发之后，工业编码器和工业驱动附件的编程变得更加的简洁化。并且PROFINET还制定了STM32 F-2版协议，提供了IEC 61158和IEC 61784两个标准的通信协议。通信场所所需的全部服务功能，PROFINET IO几乎完美的都兼容，因此用户开发PROFINET IO设备变得更加轻松。这是第一次通过硬件抽象层访问硬件，这次的尝试，为用户提供了完整的控制微控制芯片的驱动程序，驱动的实现并不关注于你是否拥有操作系统。这一伟大的实现，归功于STM32芯片的产生，从此实现了电机控制内核算法以及传感器检测算法、解码算法和转子位置重构无传感器算法。3.3 系统检测装置简介3.3.1 烟雾传感器MQ-2液化气浓度的检测采用MQ- 2气体传感器，气体的检测可以使用多种气敏材料，而MQ-2气体传感器使用是二氧化锡(SnO2)，二氧化锡(SnO2)作为气体检测物质，其检测效果更明显，准确率更高，且受到的干扰更小，便于可燃气体的检测。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率会发生变化，由于使用的是二氧化锡(SnO2)，其阻值随空气中可燃气体浓度的增加而减小。根据这一特性，使用简单的电路即可将浓度的变化有二氧化锡(SnO2)阻值变化检测出来，经过多次测量和数据分析，便可将电导率和气体浓度对应起来。烟雾传感器MQ_2原理图见图3-3：由原理图可知，当气体浓度发生变化时，二氧化锡构成的电阻是减小，通过和电阻R2的串联，当二氧化锡阻值减小时，电阻R2所得电压增大，此时输入到单片机的模拟电压增大，经过AD转换，得到对应的浓度值。R2分得的电压值，经过和滑动变阻器Rp的电压值一起输入到LM393中，当电阻R2的电压值大于滑动变阻器的值时，输出低电平0。因此烟雾传感器有数字量和模拟量两种输出。MQ_2传感器特点如下： 图3-3 烟雾传感器1、具有信号输出指示。2、双路信号输出模拟量输出及TTL电平输出3、TTL输出有效信号为低电平，当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机4、模拟量输出会随着浓度的升高而增大，其电压输出范围为0到5V。5、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性6、快速的响应恢复特性3.3.2 温湿度传感器 DHT11DHT11是一种数字温湿度传感器，其内部含有一个温湿度复合传感器，利用该传感器可以校准数字信号输出的。由于利用了数字模块采集技术，以及温湿度传感技术的利用，使得产品的可靠性有了大幅度的提高，并且使其拥有长期的稳定性。其电阻式感湿元件以及NTC测温元件都集成到DHT11芯片当中，由于其可以和一个高性能8位单片机连接使用，且通讯方式简单，使得DHT11的使用更加广泛。其实物如图所示3-4：DHT11拥有众多的有点，例如品质高，响应速度也快、抗干扰能力强并且性价比高。每个DHT11传感器都经过了多次试验，在每个DHT11生产出来后，其校准都是在严格精确的实验室进行。在OTP内存中存储着严格效验的系数，这些测量到的系数，在程序调用时，就会帮助系统进行分析，以便得到精确的环境信息。利用单线制进行通讯，减少了I/O引脚的利用，使得系统集成更加简单。超小的体积以及极低的功耗，仍然可以使信号传输衰减很低，其传输距离在20米以上，即使在恶劣的环境之下，其性能依然很图3-4 DHT11出色，受环境的影响程度相当低。产品的封装也很简洁，外部引出了四个引脚，一个正极，一个负极，一个信号端，第四个引脚为了以后扩张用。采用四引脚的封装使其连接方便，用户也可以向厂家定做特殊的封装形式。典型应用如图3-5：DHT11使用的电源是不同的单片机电压，其输入电压很宽，3到5V都可以作为其供电电源。传感器在使用时，应该先通电，由于其特殊的制作工艺，并非通电之后就可以正常工作，需要一个预热过程，多次试验表明，其预热时间需要 1s以上，在此期间发送任何指令，DHT11几乎不会有任何响应，或者会返回一串乱码，因此为了程序稳定运行，要进行短暂的预热，使器件稳定运行。图3-5 DHT11典型应用长时间试验的结果表明在VCC和GND之间可适度增加一个电容，以便使电源信号更加稳定，减少电源带来的影响，100nF 的电容即可实现稳定电压的作用，用以去耦滤波。单片机和DHT11进行通讯常用的数据格式是单总线,通讯时间在4ms左右,DHT11数据分为两部分，小数和整数部分,具体格式如下，不过目前小数部分用于以后DHT11的扩展,现在的传送值为零，否则就是数据读取出现问题.其典型操作流程如下:完整传输数据为40位,高位在前。先出来的是湿度整数数据其后一次是湿度小数数据、温度整数数据、位温度小数数据、校验和，其中每个的数据为都是8位。当数据传送正确时，校验和数据有特殊的含义，其大小等于湿度整数数据加上8位温度整数数据部分之和，由于小数部分为零，所以忽略小数部分。每一次用户和DHT11通讯时,DHT11都会进行模式转换，从低功耗模式转换到高速模式,之后主机会发出一个18ms的低电平，在以一个18ms的高电平结束,这是开始信号DHT11会接到开始信号后，会拉低信号线的电平，以此应答单片机的起始信号,送出40位的数据,对于DHT11发送的数据，单片机可选择读取全部数据，也可读取部分数据.当DHT11接收到单片机发出的开始信号时，就会触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11就会处于低功耗状态，不会主动采集温湿度信息.数据采集完成后转换到低速模式。当总线空闲时，其状态为高电平,单片机拉低总线,使总线处于低电平，单片机每次把总线拉低时间必须大于18毫秒,能够使DHT11能检测到起始信号。当单片机发出开始信号后，直到DHT11接收到开始信号,DHT11便会等待主机开始信号结束,然后发送一个低电平信号响应单片机的开始信号，一般其响应信号为80us低电平.主机发送开始信号结束后,便进入等待状态，一般需要延时等待20-40us, 读取DHT11的响应信号,当单片机发送开始信号结束后,其输入模式就可以由输出模式转换为输入模式, 总线由外部上拉电阻将其拉高。当检测到总线为低电平时,说明DHT11已经发送响应信号，响应信号发出后,DHT11会再把总线拉高,其后续步骤就是开始发送数据。每位数据的起始电平都是一段时间的低电平，低电平的时间在50us,每位数据后续高电平的长度区分发送的数据是0或者1，数据1的高电平时间比数据零的高电平时间长。如果DHT11没有拉低数据总线，这说明DHT11没有响应单片机的开始信号，这时应该检查线路是否连接正常，当数据发送完毕后，DHT11会发送一个低电平,随后总线拉高，进入空闲状态，一次数据传输结束。3.3.3 12位AD转换STM32 拥有多个外设，ADC是其众多外设中的一个，每个ADC的使用相互不关联，当然也可以使用双重模式 。STM32内部的ADC是12位的，其采用的是逐次逼近型转换法则，STM32的每个ADC拥有18个通道,其测量范围非常宽泛，18个通道分为16个外部，两个内部。STM32的A/D转换有多种模式，比如单次模式，连续模式等。由于其每部存储器是16位的，但检测结果是12的，因此其结果可以有两种对齐方式，左对齐，右对齐，可以根据相应的寄存器进行设置。对于程序输入电压的高低，为了防止其输入超过限制，可以采用模拟看门狗进行检测。使得系统工作更加稳定。我们使用得STM32F103系列是一个大容量系列，其内部包含了2个ADC，STM32F103ZET6的ADC转换速率是有限度的，系统最大的系统频率是72MHZ，但ADC转换的最大速率是1Mhz，由此ADC的转换时钟不能超过14MHZ，不然ADC转换的速度虽然增高，但其转换的精确度却会下降，有时系统的工作还有出现严重的混乱。其和单片机的接口电路如图3-6所示：STM32 将ADC 的转换分为2个通道组：规则通道组和注入通道组。规则通道相当于你正常运行的程序，其中注入通道就相当于51单片机里面的外部中断。对比51单片机的外部中断我们可以简单理解STM32的ADC，外部中断拥有更高的优先级，当ADC的外部注入中断发生时，内部执行的程序会暂时被存储在堆栈中，此时程序会处理外部注入通道产生的事件。由此可知注入通道的优先级一般要 高于规则通道，这样的分类可以图3-6 ADC 接口电路应对外部发生的突然事件，使其处理更加及时，例如，当你平时需要监视多个外部时间时，有些外部事件需要实时进行ADC转换，但个别事件需要应对特殊情况，当查看是，需要立刻显示，这时在使用规则通道需要等待一定的时钟周期，才的到想要的结果，但是如果使用注入通道，当查看时，就会产生一个中断，且其优先级较高，因此可以实时进行查看。注入通道的产生对ADC转换的实现产生了极大的便利，对于程序员编写程序，也是一种便利，使得程序开发是，考虑的问题更加简单，程序的编写也简洁化。3.4 通信及显示模块3.4.1 显示模块本小结介绍的是显示模块，显示模块分为两部分，第一部分是显示屏TFT_LCD，第二部分是STM32里面自带的FSMC。3.4.1.1 TFT-LCD TFT_LCD是一种液晶显示模块，与 TN-LCD、STN-LCD 等显示原理不同，TFT_LCD内部每个像素上都有一个薄膜晶体管，对于其客服外接的干扰有重要作用。这种这种技术的应用，使得液晶的静态特性和其扫描方式几乎没有关系，使得模块的稳定性有了大步的提高。其实物如图3-7所示：图3-7 TFT_LCD 煤气罐检测所用的2.8寸的TFTLCD模块， 其内部需要芯片驱动，否则I/O口驱动不了液晶屏的显示，这也是的显示的过程更加复杂，因此ILI9320作为了本次TFT_LCD的驱动芯片。自带显存是ILI9320芯片的一大优点，在18位存储模式下，ILI9320的显存为 。当使用16 位数据线时，其对应的显存模式是 565 ，其中低六位代表蓝色，高六位代表红色，中间五位代表绿色，其颜色的深浅随着数值的增大，颜色越来越深。ILI9320的常用驱动命令如表3-1所示：ILI9320拥有复用功能命令，其符号如表中的R0,当对该位写时，ILI9320的最低位为OSC，对代为写代表开启或者关闭振荡器。当对ILI9320的R0存储器读时，得到的是驱动器的型号。应为TFT_LCD有多种驱动芯片，因此在程序初始化时，一定要得到LCD的驱动芯片的型号，根据型号对LCD进行初始化。ILI9320入口模式命令如表中所示是R3。 I/D0、I/D1、AM这3 个位，这三位是ILI9320控制命令的关键位，这三位的组合控制了屏幕的显示方向，对其三位进行不同的设置，代表的显示方向完全不同，因此当屏幕显示时，一定要对这三位进行合理的初始化，使得屏幕的显示按照预设的方向进行显示。R7是TFT_LCD的显示命令控制位，对CL位进行写操作，可以控制TFT_LCD是使用 8 位彩色还是26万色进行颜色取值。当对该位写0时，为26万色，当对该位写1时对应的是八位色。 控制显示开关与否用D1、D0、BASEE着三位进行设置。当对这三位写1时开启显示，对D1、D0、BASEE三位写0时关闭显示。通过控制这三位，我们就可以控制显示器的开关，尽最大程度降低显示器的功耗。R32、R33为用来控制显示器的行列地址，当将相应坐标设置好之后，就可以在对应位置写入数据，因此在写入数据前应对坐标值进行设定。向 GRAM写入数据利用的是R34 命令， 当该位置为后，地址计数器根据内部的设定，地址会相应的增加或者相应的减少。R80到R83，控制GRA的地址位就是这四个寄存器的作用，要想控制TFT_LCD在屏幕上的大小写入的大小，应该预先对该位进行设置。表3-1 ILI9320常用控制命令编号 指令 命令R0 0X00 打开振荡器R3 0X03 入口模式R7 0X07 显示控制R32 0X20 行地址设置R33 0X21 列地址设置R34 0X22 写数据到GRAMR80 0X50 行起始地址R81 0X51 列起始地址R82 0X52 行结束地址R83 OX53 列结束地址 3.4.1.2 可变静态存储器FSMC 大容量100脚以上的 STM32F103 芯片分为大容量、小容量和中容量，一般大容量版本带有 FSMC 接口，煤气罐检测控制系统使用的STM32F103ZET6，这款主芯片为大容量版本，内部带有 FSMC 接口。STM32F103ZET6能够与同步或异步存储器接口对接，也可以和16位PC存储器卡接口对接。 FSMC 将外部设备分为 3 类：NOR/PSRAM 设备、NAND设备、PC 卡设备。他们公用多种信号线，但有相应的片选端将其区分开，如本章我们用到的 TFTLCD 就是用的 FSMC_NE4 做片选，将 TFTLCD 当成 SRAM 来控制。外部 SRAM 的控制一般有：地址线 数据线 、写信号 、读信号、片选信号等。由前一节的介绍我们可以知道，这些信号线和我们应用的显示屏几乎是相同的，只需对其稍加修改，即可将我们的显示屏当做一个SRAM进行控制，这两控制起来不用担心各个控制信号的时序问题，只需设置相应的寄存器即可，是显示屏的开发更加简洁，避免了复杂的时序问题，使开发周期更加短，由于使用了内部芯片的寄存器进行操作，是的程序控制更加稳定，显示的过程不会出现乱码。四个块区是STM32最典型的分配方法，256MB是每个区域的固定大小，通过寄存器可以对其进行相关的配置，其相应的控制端口和内部区域的划分，以及起始地址如下图3-8所示：图3-8 FSMC 存储块地址映像 FSMC的应用使得显示屏的控制变得更简洁，程序的执行效率变得更快速。 3.4.2通信模块ESP8266图3-9 WIFI模块图3-9 WIFI模块当下位机采集到数据之后，需要将数据上传到TCP/IP服务器，及用MFC编写的上位机上。由于采用的是局域网传输数据，但是STM32内部并不带有WIFI功能，因此需要在外部接入一个WIFI模块，作为接入局域网络的通信端口。ESP8266是一款功能强大的WIFI模块，内部集成了三种模式，AP模式、STATION模式、AP+STATION模式。其模块如图3-9所示： ESP8266采用的是3.3V电压供电，当其工作在5V电压是，芯片发热严重因此在使用芯片时应严格控制输入电压，使其工作在合理区间。ESP8266外部留有八个引脚分别为 VCC、GND、RST、URXD、UTXD、CH_PD、GPIO2、GPIO0，由其端口定义可以看出，ESP8266 WIFI模块采用串口进行控制。串口控制WIFI模块使得开发周期缩短，并且STM32拥有相当多的串口资源，使得模块的开发更加便捷。ESP8266的开发使用精简的AT指令，其AT指令分为基础指令，如测试指令，WIFI功能指令，如设置WIFI模式、列出当前可接入点、加入接入点等，最后是TCP/IP指令，该AT指令使得WIFI模块可以快速的连入局域网络。图3-10是ESP8266的引脚图图3-10 ESP8266引脚图ESP8266的测试应该在路由器环境下进行测试，测试时，上位机建立服务器，下位机设置成STATION模式，通过设置模式，建立多连接，关闭ESP8266的Server模式，根据上位机的IP地址，以及端口号，连接MFC建立的服务器，使得程序的测试顺利通过，之后便可以进行程序的收发，在程序收发时，因规定程序收发一次的字节数，使得通讯更加安全。 3.5 电源转换电路STM32F103ZET6单片机的供电电压有一定的范围，正常情况下其最小电压为2V，最大电压供应值不超过3.6V否则对芯片的稳定性有影响，严重时芯片会由于电压、电流过大二烧毁芯片。因此STM32F103ZET6的电压供应应该采用稳定的3.3V电压。由于程序下载时，采用的是USB口进行供电，且USB是用CH340G进行点电平转换，把电脑的正负12V电压转换为单片机能够接受的逻辑电压，而CH340G使用的是5V电压进行供电，由此可知，在煤气罐仓库环境监控系统中，应该有两种电源供应方式。由于使用USB转串口的时候，电脑通过USB接口线会给单片机提供5V电压，综合上述情况可知，在煤气罐仓库监控系统中，只需要将5V电压转换为3.3V电压即可。有上述分析可知，电源需要由5V转换的3.3V，因此需要考虑使用降压模块，将电压降低，考虑到实际电路的需要，煤气罐仓库监控系统中使用了AMS1117-3.3芯片,AMS1117-3.3芯片可以将5V电压转换到3.3V左右，其输入电压为5V，输出电压的范围为：3.267到3.333V，有其输出特性，和煤气罐仓库监控系统的电压要求可知，AMS1117-3.3芯片正好满足系统需求，考虑到AMS1117-3.3芯片的外围电路构造简单，因此作为煤气罐仓库监控系统的首选芯片。其电路构造如图3-11所示：图3-11 电源转换电路 由图可知，USB电源进入到BUTTON电源开关之后，经过一个500mA的保险丝，对内部电路进行过电流保护，防止出现脉涌电流，烧坏煤气罐仓库检测系统内部的元器件，图中的VCC代表的是由USB传过来的5V电压，下部接入一个滤波电容，保持电源的稳定性。随后5V电压又经过AMS1117-3.3芯片，经过电平转换，以及两个滤波电容的稳定，转化为3.3V电压，实现了向内部芯片供电。3.6 通风报警电路煤气罐仓库监控系统需要良好的通风条件，防止仓库由于通风不畅导致仓库内煤气浓度过大，存在隐性危险。仓库内液化气浓度会由于长时间的存储，积累少量的煤气，因此，在存储的过程中保持存储仓库的浓度几乎为零，是煤气罐仓库监控系统重要目的。煤气罐仓库监控系统采用排风扇进行仓库气体清除，其实物如图3-12所示：图3-12 排风扇排风扇会根据煤气罐仓库的气体浓度调节风扇转速的快慢，使得气体浓度一直维持在一个较小值，理想情况下应在零附近，良好的通风条件是仓库安全的重要保障。因此当气体浓度突然增大时，有可能是由于某个液化气罐发生了泄漏，因此要采取及时的补救措施，及时的对泄漏的罐体进行处理，当气体泄漏时，应该及时提醒仓库管理人员，让信息及时传达，使得危险系数降到最低，煤气罐监控系统对于报警方面采用了两种形式，一种是在下位机安装蜂鸣器，使得仓库内部发生气体泄漏时，蜂鸣器及时提醒仓库管理人员，另一种方法是在上位机采用报警处理，当发生险情时，上位机上的指示灯不停的闪烁，且电脑会发出滴滴声，用来提醒管理员，仓库有危险情款，需要及时处理。对于信号的处理应该及时，使得安全保障更高。第四章 煤气罐仓库环境监控系统软件设计4.1煤气罐仓库环境监控系统下位机设计4.1.1下位机程序设计思路及流程图煤气罐程序下位机采用STM32F103ZET6作为主控芯片，信息采集单元包括温湿度检测模块DHT11，气体检测模块MQ_2，报警装置，排风扇，ESP8266WIFI模块。其流程图如下所示: 图4-1 下位机流程图由图可知，当系统开始时，应该对系统进行初始化，其中初始化的部分包括按键，TFT_LCD液晶显示屏，ESP8266WIFI模块,DHT11温湿度检测模块,排风扇驱动模块，以及蜂鸣器报警模块。本部分按键采用外部低电平输入有效，内部进行设置时，初始值设置成高电平有效，由于STM32F103ZET6内部有多种输入输出模式，需要相应的结构体变量进行初始化，设计到输入的方向，输入的引脚，输入输出的速度，以及输出的方式，有推挽输出，浮空输出等，在众多方式中，我们选择浮空输入，反向为输入，按键的有效值是低电平有效，按照预定的设计，即可实现按键的输入输出配置，同时还需要将按键封装在一个函数里面，使得按键的操作简便化。温湿度检测需要运用单总线，及信号的传输都有一根线完成，由于STM32的端口在输出输入时，都要进行配置，因此，当进行输入时，要按照输入进行配置，采用浮空输入，当输出信号时，需要采用输出配置，输出速度是50MHZ，输出方式是推挽输出，以及相应引脚配置。其初始化检测程序如下： 图4-2 按键检测 采用单总线进行输出输入时，需要实时切换输出输入的方式，无法像51单片机一样，端口即可输出有可输入，无需进行端口配置，但STM32的引脚资源丰富，输出输入速度快，弥补了切换输出方式的不足。DHT11采用单总线进行数据读写，每次都要有固定的开始信号，开始信号结束后，单总线上的信号线会被拉高，等待DHT11应答，DHT11的应答信号，是一定时间间隔的低电平，当STM32检测到低电平信号之后，等待应答信号结束，即可进行数据的收发，每次收发数据有40位，每位的数据起始信号相同，40us的低电平，数字位的0和1，通过起始信号之后的高电平来区分，35us高电平代表的是数字信号0,75us 代表的是数字信号1，通过while循环对信号进行处理。 其流程图如图4-2所示： 图4-3 DHT11MQ_2信号采集需要进行AD转换，采集出来有两种信号，一种经过内部处理器，转化为数字信号，由数字信号进行输出，另一种是模拟量输出，需要利用STM32内部自带的AD转换，转化为数字量，进行数据处理。把数字信号处理之后，控制电机的运行。使用MQ_2进行检测时，需要设置STM32里面很过寄存器，其主要寄存器如下所示： 图4-4 采样时间寄存器 这是STM32的ADC采样时间寄存器，这个寄存器规定着ADC采样的时间间隔，对于AD转换，要求采样间隔尽可能短，但是在进行AD转换时，也要控制转换的精度，因此要合理的规定AD的采样间隔，使AD转换在精度高的情况下，尽可能转换速度较快。ADC 的转换时间可以由以下公式计算：T=采样时间+12.5 个周期其中：总的转换时间时间为T，每个通道的 SMP 位，可以确定采样时间的设置。例如，当 ADC的时钟为14Mhz ，采样时间周期设置为1.5个周期时，则得到T=1.5+12.5=14 个周期=1us。接下来要介绍的是STM32的数据寄存器，在数据寄存器的功能是用来存储AD转换的数值，将其存储在ADC 规则数据寄存器(ADC_DR)，由于ADC规则通道寄存器是十六位的寄存器，但AD转换时十二位，因此有左对齐，和右对齐之分，在数据存储时，可以规定数据存储的模式.由于AD转换有规则通道和注入通道两种模式，因此其相应的数据寄存器也有两种，对于不同的寄存器，由于都是数值的存储，其操作方法都相同。由于液化气仓库监控系统采用的是规则通道，因此，本文只介绍了其规则通道的数据存储方式。如下图所示： 图4-4 数据存储器4.1.2下位机通讯协议TCP/IP 下位机跟上位机通信采用的是TCP/IP协议。它是网络通讯协议，以及传输控制协议的简，是网络世界中最常用的通讯协议。现在网络设计越来越复杂，由于复杂性越来越大，人人在使用时感到不方便，因此，分层结构成了大多说网络结构的选择。网络的不同，其内容也不尽相同，例如其名字，内容、功能等。即使在相同的网络结构当中，两台不同的电脑，在相同的层上，例如，电脑A和电脑B都在H层上通讯，他们就会利用H层的协议，在H层进行通讯，这种协议，是双方都认同的，TCP/IP协议，就是这样一种协议，但其不是某一层的协议，而是一个协议的集合体。 不同的机器之间，其内容都是相同的，其中包含了