【基于单片机的智能煤气泄漏检测装置设计7800字（论文）】

I页共37页1绪论1.1选题目的及研究意义1.1.1选题目的冬季采暖期，在某些地方由于没有集中供暖，家用取暖的设备就是烧煤炉，在取暖是为了防止热量散失，门窗通常紧闭，空气中流通，一氧化碳的浓度为的不断增加，当其浓度达到一定值增加时就会威胁人的生命，使用一氧化碳报警器（煤气报警器）可以有效地防止危险的发生。虽然便捷的能源使用给予了我们生活舒适的享受，但是其中的危害也是非常大的。我们经常会在新闻报导里面听到某地区因为煤气的泄露而发生的中毒和爆炸，使得我们的人身和财产有了极大的威胁。尤其是一些乡村地区，家里都是老人留守现在也都大范围进行了家用天燃气煤气改造，很多老人都对天然气煤气的使用并不熟悉，极易出现泄漏现象，因此煤气报警器的设计和投入到生活中的应用是非常重要的，也是未来的一种发展趋势。1.1.2研究意义天然气和煤气在我们日常的使用过程中一旦发生泄漏，处理不及时的情况下都会引发中毒、甚至引起爆炸，严重危害家人的生命和财产安全[[]王猛，姜旭.\t"/kns8/defaultresult/_blank"可燃气体报警器计量检定现状与发展[J].企业标准化.2006，(07):31.]。而由于气体本身存在的扩散性，在发生气体泄漏这种现象之后，在自然风力和屋内浓度梯度的作用下，气体会自发开始扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域[[]传感器技术mp_discard[]王猛，姜旭.\t"/kns8/defaultresult/_blank"可燃气体报警器计量检定现状与发展[J].企业标准化.2006，(07):31.[]传感器技术mp_discard.气体传感器的分类、发展及应用[]小名.气体传感器在工业中的应用[Online].[]陈继海，魏晓慧.基于ZigBee无线网络的气体监测报警系统设计[J].电子科技.2012,25(10):29.1.2国内外气体泄漏检测技术发展现状1.2.1国外发展状况国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动[[]刘新华.基于以太网的可燃性气体报警系统的研制[M].黑龙江省：哈尔滨理工大学，2008.]。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为(27～30)％[[]刘新华.基于以太网的可燃性气体报警系统的研制[M].黑龙江省：哈尔滨理工大学，2008.[]白振华.可燃性气体传感器的制备及气敏特性研究[M].天津：河北工业大学，2007.目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标[[]包长春.环境参数监测与报警设备的设计与实现[M].北京：北京工业大学,2009.[]包长春.环境参数监测与报警设备的设计与实现[M].北京：北京工业大学,200国内发展状况气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；新研究开发的32OAl气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件(如一氧化碳，甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试。传统的气体传感器广泛应用于工业和生活的各种领域，近年来，随着互联网与物联网的快速发展，气体传感器在新兴领域，例如智能移动终端、可穿戴设备等方面的应用突飞猛进，需求量发生了巨大的改变。现阶段的气体传感器产品正在从以往的传统领域逐步向智能化领域转变，以电子鼻和智能传感器为代表。电子鼻是由一组传感器阵列加上识别方法所组成的，一般用于检测简单或复杂气体的气味。智能传感器在以外传感器的功能上增加了信息处理功能，扩展了传感器的应用领域，增强了传感器的识别能力。气体传感器的生产企业主要集中在美国，欧洲和日本。国外知名气体传感器生产企业有英国的城市技术公司、日本的费加罗公司和英国的阿尔普森斯公司等[[]赵炜杰,徐海洋.气体传感器的问题及解决对策[J].电子技术与软件工程.2019,(10):75.[]赵炜杰,徐海洋.气体传感器的问题及解决对策[J].电子技术与软件工程.2019,(10):发展趋势新型传感器的开发与设计；微型化和传统化；气体传感器的智能化、图像化和一体化；研究具有更高识别灵敏度的新型气体敏感材料。2方案论证及选择2.1方案论证本次设计的智能煤气泄漏检测装置主要是STM32F103C8T6为控制端核心，采用MQ-4型和MQ-9型的电阻式半导体传感器作为采集信息模块，另外利用DHT11温湿度传感器进行温湿度采集以及利用光敏传感器对所处环境的光照强度进行采集，而且可以显示在LCD上。系统开始，各传感器检测送来的采集信息，也就是煤气和CO的浓度，将所对应的电压信号送入STM32F103C8T6，在经过单片机的A/D转换，对数据进行线性化处理后将数字电压信号转化为对应的十进制浓度值，最后判断浓度是否超报警值。当煤气浓度和一氧化碳浓度正常时红灯灭绿灯亮，当超出所设定的阈值时蜂鸣器发出声音警报而且红灯亮。再利用DHT11温湿度传感器和光敏传感器将温湿度信号及光照强度送入STM32F103C8T6中进行输出，然后在LCD上显示出来。此过程所有采集的信息可上传云平台在手机APP上实时显示。方案一：基于单片机和ZigBee的设计方案基于单片机和ZigBee的的设计方案，是以ZigBee无线技术为基础。该控制系统的主控芯片使用CC2530芯片，采用点对点通信，由协调器和数个采集终端节点组成。协调器负责进行与终端和主机的通信及数据接收工作。此处的数据处理主机采用STM32单片机，各测量终端负责进行环境参数的采集并将相关的数据发送至协调器，随后通过ZigBee将数据发送至主机，再由单片机处理后进行温室环境参数的显示及机械装置的控制.系统方案原理框图如图2.1所示。图2.1系统方案一原理框图方案二：基于单片机和物联网的设计方案本设计方案主要以单片机和物联网为主。单片机主要是作为处理控制主机，各类传感器作为测量器件采集相应的室内环境参数，通过主机处理后发送数据至物联网平台进行参数的监测。该系统是综合传感器、单片机及物联网平台为一体的基于物联网技术的系统。无线模块将采集到的数据通过WiFi发往手机APP上，可以实现随时随地的参数监控，并且设有调控装置，当观察到环境参数超限，可以使用远程控制装置进行调控。利用WiFi模块进行终端设备与物联网云平台的通信及信息传输，从而实现环境参数的远程监控。整个系统分模块进行工作，能有效地提高工作效率。系统方案原理框图如图2.2所示。图2.2系统方案二原理框图2.2方案选择通过以上两种方案的对比：方案一是一种基于单片机和ZigBee的智能温室环境监测系统，采用的是传统的传感器网络，它具备了很低的功能消耗，简单的结构特征，很高的可靠性能，布线简单，能够进行短距离通信，但是由于技术和设备的成本高，处理速度慢，且易受到地形限制。方案二是基于单片机和物联网技术的温室智能温室环境监测系统设计，采用了近年来新兴的物联网技术，解决掉了距离问题以及高成本问题。在设计过程中，充分考虑如今对室内环境监控的更高要求的情况下，本设计将采用方案二。以STM32作为主控制器，它有丰富的内部资源、处理速度快的特点，能够高效地处理数据使得系统运行速度更快，而且系统可靠性和稳定性高。在数据传输方面使用物联网平台和WiFi技术，克服了地理问题，能实现远距离的通信及数据传输。3.系统硬件设计3.1系统硬件总体设计本系统主要分为五大模块：数据采集端、处理控制主机、网络应用端、控制设备端、无线传输模块。数据采集端是本系统的数据入口，主要负责进行传感器数据的采集，本设计中数据采集端由各类传感器构成，各传感器采集数据后发往主机进行处理。处理控制主机负责接收采集端发送的数据并传输至无线传输模块，而后无线传输模块将数据发送至云平台。其后经由云平台可以接入数据并进行管理，本次设计使用OneNet作为云平台，该平台有着数据认证及保护功能，并且可以提供数据可视化服务，允许用户随时查看传输至平台的数据并接收通知。除此以外，经由网络应用端可以进行远程控制指令的发送，控制指令发送后，无线传输模块对来自于云平台的控制指令进行接收并将指令发往主机进行处理，主机可通过指令实现设备端的控制。主机及无线模块是本系统的核心，承担着数据接收、缓存、处理以及发送任务。在本次的设计中，由于考虑到题目是以室内的环境监控为主，通过多方资料的查阅，最终在数据采集端本次选择了对温湿度、甲烷浓度、光照强度及一氧化碳浓度这几种数据进行采集。而在主机的选择上，由于传统的51单片机无法满足需求，故此次设计选择了性能更为优良的STM32单片机作为处理控制主机。无线模块本次设计选择了ESP8266芯片，它是一款应用范围广泛的物联网芯片，可通过WiFi进行数据的无线发送及接收。网络应用端则使用了我们比较熟悉的OneNet平台，该平台较为开放且资源丰富，可以完成PC端及手机APP端的数据显示及设备控制，非常适合本次的设计。控制设备端主要由控制主机发送指令至电位器从而对风扇进行控制。具体总体系统框图如图3.1所示。图3.1系统硬件总体设计框图3.2主机数据处理模块设计主机数据处理模块主要由一片STM32F103C8T6核心板组成，该款单片机既实用又小巧，有着丰富的资源及I/O口，在多次课程设计中都有过使用，因而对其使用方法有一定了解，而且该款单片机价格低廉，在网上随时可以进行购买，十分适合此处使用。其实物如图3.2所示。图3.2STM32F103C8T6实物图STM32具有如下优势：a.性能强大：高端的Cortex系列内核。b.丰富合理的外设，合理的功耗，合理的价格。c.可靠的软件支持。d.全面丰富的技术文档。e.芯片型号种类多，覆盖面广。f.强大的用户基础：成功应用强大的ARMCortex-M3内核的公司，拥有大批的忠实用户，为其技术及销售市场的领先做好了铺垫。图3.3STM32F103C8T6最小系统电路图该模块的主要作用是将各个传感器采集到的环境参数在此进行处理，并且随后通过串口发往无线模块。STM32F103C8T6的最小系统电路图如图3.3所示。3.3采集终端设计本系统的传感器数据采集部分，主要进行空气温湿度、一氧化碳浓度、甲烷浓度和光照强度的采集。下面就数据采集使用的各个传感器做逐一介绍。3.3.1DHT11空气温湿度传感器DHT11温湿度传感器是测量空气温湿度常用的一款传感器，该传感器具有品质好、响应快、抗干扰性强、性价比高等优点。产品的实物图如图3.4所示。图3.4DHT11空气温湿度传感器实物图DHT11温湿度传感器共有4个管脚：VCC、NC、DATA、GND。其与控制主机的具体电路连接图如图3.5所示。图3.5DHT11与主机电路连接图3.3.2MQ-4气体传感器MQ-4天然气传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号[[]李静，陈金元，徐冰.基于MSP430单片机的宿舍智能防盗防火报警系统设计[J].自动化技术与应用.2014,33(01):104.]。

MQ-4天然气检测传感器对甲烷的灵敏度高，对丙烷、丁烷也有较好的灵敏度[[[]李静，陈金元，徐冰.基于MSP430单片机的宿舍智能防盗防火报警系统设计[J].自动化技术与应用.2014,33(01):104.[]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008．其产品实物图如图3.6所示。图3.6MQ-4气体传感器实物图MQ-4传感器特点：1、对甲烷、天然气有很高的灵敏度；2、对乙醇、烟雾的灵敏度很低；3、快速的响应恢复特性；4、长期的使用寿命和可靠的稳定性；5、简单的驱动电路。MQ-4气体传感器与主机的连接电路图如图3.7所示。图3.7MQ-4与主机电路连接图3.3.3MQ-9气体传感器MQ-9气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳及可燃性的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器[[]陆旭明.[]陆旭明.基于AVR单片机及MCGS软件的可燃气体检测系统[J].实验室研究与探索,2014(12):126-130.其产品实物图如图3.8所示。图3.8MQ-9气体传感器实物图MQ-9气体传感器的特点：对一氧化碳、可燃气体有良好的灵敏度；长寿命、低成本；简单的驱动电路即可。其与主机的连接电路如图3.9所示。图3.9MQ-9与主机电路连接图3.3.4光敏电阻传感器模块特色：采用灵敏型光敏电阻传感器；比较器输出，信号干净，驱动能力强；设有固定螺栓孔，方便安装。其产品实物图如图3.10所示。图3.10光敏电阻传感器实物图其与主机的连接电路如图3.11所示。图3.11光敏电阻传感器与主机电路连接图3.4无线传输模块为了实现终端数据与云平台的数据传输和多种执行器的远程控制，需要无线模块来实现这方面的功能，此处使用ESP8266无线WiFi模块来构建无线传输模块。ESP8266芯片是乐鑫公司出品的一款常用物联网芯片，由于价格低廉且性能稳定等因素一直广为应用[[]杨振国，乔海强.基于STM32和MQTT的智能家居远程控制系统[J].电子世界.2019(12):186.[]杨振国，乔海强.基于STM32和MQTT的智能家居远程控制系统[J].电子世界.2019(12):186.[13]Mei-HuiLiang,Yao-FengHe,Li-JunChen,Shang-FengDu.GreenhouseEnvironmentdynamicMonitoringsystembasedonWIFI[J],IFACPapersOnLine，2018,Vol.51-17,pp.736-740.[14]WangXin,WangYu,ZhangYuanyuan,NiXindong,WangShumao.IntelligentGatewayforHeterogeneousNetworksEnvironmentinRemoteMonitoringofGreenhouseFacilityInformationCollection[J],IFACPapersOnLine,2018,Vol51-17,pp.217-222.[15]FoughaliKarim,FathalahKarim,Alifrihida.Monitoringsystemusingwebofthingsinprecisionagriculture[J].ProcediaComputerScience,2017,Vol.110,pp.402-409.

图3.12ESP8266芯片实物图这款产品有以下主要特性：a.支持无线802.11b/g/n标准b.支持STA/AP/STA+AP三种工作模式c.内置TCP/IP协议栈，支持多路TCP连接d.支持丰富的SocketAT指令e.支持UART/GPIO数据通信接口f.支持SmartLink智能联网功能g.支持远程固件升级（OTA）h.内置32位单片机，也可用作微型处理器i.超低能耗，适合电池供电应用j.3.3V单电源供电ESP8266通信的最小系统电路图如图3.13所示。此处它的主要工作如下：首先根据程序设置使其与WiFi进行连接，随后与控制主机进行数据的传输，然后将收到的数据进行打包并以固定格式通过天线发往云平台即可。图3.13ESP8266通信最小系统电路图其与主机连接图如图3.14所示。图3.14ESP8266与主机电路连接图3.5整体硬件电路图整体硬件电路图如图3.15所示。图3.15整体硬件电路连接图4.系统软件设计4.1系统主程序设计主程序流程图如图4.1所示。整个程序流程是先进行各部分初始化，初始化完成后主机与各传感器进行连接，传感器采集数据并发送至主机，随后主机与无线模块进行连接，检查是否联网后上传数据至服务器。图4.1系统主程序流程图本设计主程序部分在KeilμVision5中打开如图4.2所示。程序先对系统时钟、各个采集单元和串口总线初始化，接着对ESP8266无线模块初始化，初始化完成后进行网络连接并开始上传数据。图4.2系统主程序图4.2无线模块WIFI连接子程序设计本设计中的无线模块与WiFi的连接主要由ESP8266芯片完成。当通电后ESP8266芯片首先自动复位，系统及串口各部分进行初始化，随后按照预置的WiFi模式开始进行内部自检，随后扫描无线网络对信道进行扫描，接着启动smartconfig功能，按照预置的WiFi账号与密码与对应WiFi进行连接，连接后对端口进行连接并监听端口，检测到数据后接受数据并确认连接。具体流程图如图4.3所示。图4.3无线模块WiFi连接子程序流程图该部分程序在KeilμVision5中打开如图4.4所示。子程序先对ESP8266的连接状态进行检查，设置好WiFi模式，随后进行内部自我检查，再根据预设的账号密码进行WiFi扫描，找到预设WiFi后进行连接并获取其IP地址，接着连接相应数据端口接收数据即可。图4.4无线模块WiFi连接子程序图4.3终端设备与云平台通信子程序设计终端设备与云平台的通信主要由ESP8266完成。首先在程序中提前写好OneNet的服务器地址及端口，并在OneNet云端添加本设计的设备编码及APIkey，随后在联网情况下，ESP8266芯片会自动根据写好的程序查找云端服务器与之相连。首先上电复位后ESP8266对其各部分进行初始化，随后根据预设地址及端口与云端进行连接，然后发送数据透传指令并发送设备连接请求，如果连接成功则发送结束透传指令并返回指令模式。具体流程图如图4.5所示。图4.5终端设备与云平台通信子程序流程图该部分相关程序在KeilμVision5中打开如图4.6所示。本程序首先通过ESP8266及其相关预设设备ID、云服务器地址和端口与云平台建立设备连接，随后发出数据透传指令，然后将连接请求的相关数据发送并完成连接，接着结束透传并使ESP8266返回指令模式。图4.6终端设备与云平台通信子程序图4.4数据上传子程序设计当终端设备完成与云平台的连接后，就可以进行数据的上传发送。数据上传的步骤大体如下：先发送透传指令，然后通过EDP协议打包发送数据。由于数据上传要以json串的格式发送，故此处的数据先要进行格式的转化，先将数据转化为json格式，随后加入http报头，然后获取设备ID及APIkey，然后计算json长度并打包上传即可。上传完毕后在云平台生成本次数据的数据点，随后结束透传。具体流程图如图4.7所示。图4.7数据上传子程序流程图该部分相关程序在KeilμVision5中打开如图4.8所示。该程序主要负责将目前采集的各项数据进行上传。程序首先向ESP8266发送数据透传指令，随后将要发送的数据按照EDP协议打包后向相关数据点上传，完成上传后即可结束透传并使ESP8266返回指令模式。图4.8数据上传子程序图4.5云平台页面设计本次设计采用的云平台是中国移动的OneNet平台，平台的开发者中心的应用管理可以对本次设计的作品进行管理。在应用管理首页可