基于STM32生产环境监控系统

王晓晶，　赵银花，　宋柏林，　王劭丹，　刘瑛喆

(1.吉林省经济管理干部学院 电子信息技师学院， 吉林 长春　130012;

2.长春工业大学 软件职业技术学院， 吉林 长春　130012;

3.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春　130012)



基于STM32生产环境监控系统

王晓晶1，赵银花2*，宋柏林3，王劭丹3，刘瑛喆3

(1.吉林省经济管理干部学院 电子信息技师学院， 吉林 长春130012;

2.长春工业大学 软件职业技术学院， 吉林 长春130012;

3.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春130012)

摘要：基于STM32微控制器设计了环境监控终端系统，阐述了工作原理及硬件、软件设计过程。系统能够采集温湿度、可燃气体浓度，并具有显示、报警、照明灯亮度调节和无线手持终端控制等功能。

关键词：生产环境； 监控系统； 传感器； 设计

0引言

工业化进程的加快使得各生产领域对环境信息如温度、湿度等的监控提出了更高要求，而生产环境监测是安全生产的基础，需要快速、全面、及时准确地反映环境质量的现状及变化趋势，减少安全隐患，降低生产人员的事故风险[1]。因此，研制可靠性高、功耗低、便于安装且能够实时显示的环境监控系统变得尤为迫切[2]。目前环境监控系统成本较高、方法相对简单，多引用国外设备，对所监测环境只能进行某时间段的监测，实时性较差，检测结果受人为因素影响较大，不能满足人们对生产环境监测的要求[3]。

因此，文中设计开发了基于STM32的生产环境监控系统，实现生产环境中温湿度、可燃气体浓度、光照强度进行采集和实时监测控制，并同步实时显示所测得的多个环境参数具有显示、报警和控制等功能。

1总体方案设计

本系统以STM32微控制器为核心，由温湿度传感器、气体浓度传感器、光照强度传感器、无线接收模块、蜂鸣器、数据显示模块和键盘模块以及加热模块组合而成。通过DHT11数字温湿度传感器对现场温湿度进行实时监测；通过MQ-5气体传感器检测环境内有害气体和可燃气体浓度；通过光照强度控制模块Lxd5528实时检测生产环境中的光照强度；实时检测的数据通过显示模块Nokia5110液晶屏显示结果。

系统整体框图如图1所示。

其中现场主控机能对现场要控制的温湿度、照明灯亮度、可燃气体浓度值进行设置并显示，照明灯亮度分5个挡位，可燃气体报警浓度设定范围20%～100% LEL；还可对喷淋阀、排风机、隔离门等装置进行就地开关控制，并以无线方式将现场环境温湿度、照明灯亮度、可燃气体浓度等信息和喷淋阀、排风机、隔离门装置的开关状态发送给终端手持设备。

终端手持设备能接收现场主控机发出的照明灯亮度、温湿度、可燃气体浓度等参数信息，并能发出控制指令，通过现场主控机完成排风机的排风量、照明灯光亮度，喷淋阀、隔离门的开/闭控制；同时，终端手持设备还具有显示现场设备的工作状态信息，具有存储回放功能。

2硬件设计

2.1　STM32微控制器模块

系统控制器采用意法半导体STM32系列的微控制器-STM32F103VBT6。这款控制器属于增强型系列，使用了高性能的ARMCortexTM-M3 32位的RISC内核，工作频率可达72 MHz，并内置128 KB字节的闪存和20 KB的静态随机存储器。配有多个通信接口以及丰富的片上资源,大大简化了系统硬件的设计，满足系统中采集单元控制和通信的需求[4-5]。STM32F103VBT6微控制器的原理如图2所示。

2.2　温湿度采集模块

温湿度采集模块选用温湿度一体化的DHT11数字温湿度传感器,内部包括1个电阻式测湿元件和1个NTC测温元件，并与1个MCU相连。具有响应速度快、测量精准、体积小、功耗低、信号传输距离远等优点，与STM32微处理器进行简单的电路连接就可实时采集生产环境中的湿度和温度，内部数据可一次性传给主机，有效保证数据传输的准确性，简易快捷[6]。DHT11传感器原理如图3所示。

图2　微控制器的原理

图3　DHT11传感器原理

2.3　可燃气体采集模块

MQ-5气体传感器中的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。可将检测到的可燃性气体体积分数变换为电信号，由连接在其负载上的电阻器将其转换为电压信号送给A/D转换器，通过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[7]。采集原理如图4所示。

图4　气体传感器原理

2.4　光照强度控制模块

光照强度控制模块采用Lxd5528光敏电阻，具有电流小、照度响应低、灵敏度高等优点；光谱响应接近人眼函数曲线；内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、无铅、无镉。传感器模型如图5所示。

图5　光照强度传感器原理

2.5　显示模块

Nokia5110液晶屏是拥有84×48的点阵LCD，可以显示4行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，支持多种串行通信协议。体积小、点阵密、控制简单[8]。液晶屏原理如图6所示。

图6　液晶屏原理

3软件设计

3.1　程序功能要求及程序设计

1)温湿度监测实现功能：监测生产环境的温度和湿度。

2)可燃气体监测实现功能：监测生产环境可燃气体的浓度值。

3)环境照度监控实现功能：对照明灯的亮暗进行控制。

4) 加热装置控制实现功能：对生产环境升温，方便监测。

5)喷淋阀、排风机、隔离门实现功能：对这些装置实现开关控制。

3.2　程序功能设计

STM32采集温湿度流程如图7所示。

图7　STM32采集温湿度流程

4测试方案

4.1　硬件测试

系统硬件测试主要包括逻辑错误调试、开发板中各元器件的调试、系统可靠性调试，以及电源故障调试等，查找系统中是否出现接线错误以及开路、短路、电源故障等情况出现，确保系统中各元器件不发生失效现象，最终对系统的可靠性进行调试，保证系统安全、可靠正常运行。

4.2　软件仿真测试

采用Multisim软件进行仿真，将之前设计好的电路图在该软件中画出，然后逐步进行指示灯逐级亮灭、照明灯亮暗程度、高温报警等功能操作，以达到软件仿真的目的。

软件测试界面如图8所示。

图8　软件测试界面

4.3　硬件软件联调

将测试好的程序写入单片机芯片中，单片机使用最小系统开发板。将测试好的传感器装入自制的箱子内，模拟工厂生产的环境。根据测试要求，对该系统进行全方位的优化。

5结语

介绍了基于STM32单片机的生产车间内环境监测系统设计、环境参数传感器硬件电路和软件设计流程。经过实验测试,验证了该系统工作稳定可靠,可有效实现生产车间内温湿度和可燃气体浓度的监测，以及报警后的各种安全措施。智能化的监控系统适合社会需求，有助于减小安全隐患，保证生产车间内的生产质量，节省财力、物力。

参考文献：

[1]翟阳,姜印平.Cortex-M3平台的分布式车间生产环境智能监测系统的设计[J].天津理工大学学报,2014,30(5):36-40.

[2]李楠,李建义,等.基于STM32的环境监控终端的设计与实现[J].北华航天工业学院学报,2013,23(1):15-19.

[3]马嫚,程铅,陈慧,等.基于信息融合技术的空气质量检测系统[J].电子器件,2013,36(4):554-558.

[4]傅仕杰,张英梅,王乐.基于STM32温室环境测控系统的研究[J].农业网络信息,2010,12:19-22.

[5]严冬,李瑛,李景林.基于STM32的无线光照传感器节点的设计[J].物联网技术,2014(2):16-18.

[6]袁立,吕洪武,王宏志.基于ARM的温湿度监测系统[J].长春工业大学学报:自然科学版,2014,35(2):121-125.

[7]刘竹琴,白泽生.一种高精度可燃气体检测报警器设计[J].传感器与微系统,2013,32(7):71-73.

[8]王通生,贾存良.基于PIC16F877A 的远程煤矿瓦斯监测系统[J].煤矿机械,2011,32(5):209-210.

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.

作者简介：王晓晶(1962-)，女，汉族，吉林长春人，吉林省经济管理干部学院高级讲师，主要从事机械制造自动化方向研究,E-mail:553842335@qq.com. *通讯作者：赵银花(1972-)，女，汉族，吉林长春人，长春工业大学讲师，主要从事环艺设计方向研究,E-mail:zhaoyinhua@ccut.edu.cn.

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目(201410190039)

收稿日期：2014-11-12

中图分类号：TP212.9； TP273.5

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2015)01-0061-05

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