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智能实验室监管系统
2014年山东科技大学学生科研立项
题目名称：
实验室监管系统
团队成员：
专业：
班级：
指导教师：
电子通信与物理学院
2015年9月12日
摘要
本文设计了一种智能化的实验室管理控制系统，完整系统可由若干个节点组成，每个节点配备了温湿度、光线、烟雾、红外、传感器。
本系统采用STM32处理器作为系统的控制核心，辅助以LCD来显示系统的主要信息，采用SIM900A GSM模块和LED以及蜂鸣器作为向用户进行报警的子系统模块。
借助最可靠、最成熟的GSM移动网络，以最直观的短消息形式，直接将实验室的发生的紧急情况发送到手机上。
本系统具有反应迅速，性能全面，易操作，成本低的特点。
关键词：
STM32;GSM;传感器;UCOSII
前言3
1.1课题的研究背景3
1.2智能化实验室管理控制系统研究的发展及现状3
1.3课题研究目的及意义3
第一章统的组成及工作原理4
1.1系统总体框图4
2.2LED警报模块4
2.2.1主要功能4
2.3蜂鸣器警报模块4
2.4光敏传感器模块5
2.4.1主要功能5
2.5温度湿度传感器模块5
2.5.1主要功能6
2.5.2DHT11数字温湿度传感器简介6
2.6.3主要函数讲解6
2.7TFTLCD显示模块7
2.7.1主要功能7
2.7.2TFTLCD简介7
2.7.3主要函数讲解8
2.8红外遥控模块8
2.8.1主要功能8
2.8.2红外遥控简介8
2.8.3主要函数讲解9
2.9SIM900AGSM模块9
2.9.1主要功能9
2.9.2SIM900AGSM模块简介9
2.9.3重要函数说明10
2.10嵌入UCOSII操作系统10
2.10.1UCOSII操作系统简介10
第三章电路设计10
3.1LED模块10
3.2蜂鸣器模块11
3.3光敏传感器模块11
3.4温度湿度传感器模块11
3.5TFTLCD显示模块12
3.9复位电路模块15
3.10CAN/USB接口16
3.11EEPROM17
3.12SPIFLASH17
3.13电源18
3.14MCU18
第四章实验、调试及测试结果与分析。
20
4.1正常模式20
4.2警报模式20
4.3结果分析20
第五章结论20
第六章参考文献21
第七章附录22
前言
1.1课题的研究背景
随着科学技术的高速发展，实验室在大学的教学中体现的重要性越来越明显，实验室设备的多样化、学生人数的众多，使得实验室的管理异常繁琐，实验室中的各种问题难以及时的解决，有可能会造成众多的潜在问题。
如何提供一种简洁高效的管理系统成为一个迫切的问题。
1.2智能化实验室管理控制系统研究的发展及现状
目前市面上的实验室管理已从简单化、局部化向智能化、网络化发展，企业级的报警系统往往需要架设网络，成本较高，不适合一般工薪实验室使用。
国内的实验室管理系统产品已形成一个成熟、独立的体系，它是由安防主机和各种控制检测装置组成的系统，具有相对独立性、兼容性及可扩展性等特点。
一般把红外热释电传感器探头安装在实验室外的窗口位置，当有非法入侵时，传感器就会触发主机报警。
安装气体泄漏传感器，一旦有气体泄漏，即触发主机报警。
国内外也已经有成熟的突发事件应急安全警报系统，所以我们可以利用上面的案例来发展我们的系统。
1.3课题研究目的及意义
实验室在高等学校的教学与研究中始终起着至关重要的作用，同时也是高等学校中资产密集的地方之一，所以保护好实验室环境显得尤为重要。
为保护好实验室环境选择智能化实验室管理控制系统这一课题进行研究，以提高实验室环境，保护好实验室资产及仪器。
第一章统的组成及工作原理
1.1系统总体框图
系统总体框图
2.2LED警报模块
2.2.1主要功能
该模块实现LED闪烁报警，实现异常报警。
voidLED_Init（void）；
该函数的功能就是用来实现配置PB5和PE5为推挽输出。
这里需要注意的是：
在配置STM32外设的时候，任何时候都要先使能该外设的时钟。
GPIO是挂载在APB2总线上的外设，在固件库中对挂载在APB2总线上的外设时钟使能是通过函数RCC_APB2PeriphClockCmd（）来实现的。
2.3蜂鸣器警报模块
该模块实现蜂鸣器发出高频警报声报警，实现异常报警。
（1）voidBEEP_Init（void）；
该函数的作用就是使能PORTB的时钟，同时配置PB8为推挽输出。
2.4光敏传感器模块
2.4.1主要功能
用到ADC采集，通过ADC采集电压，获取光敏传感器的电阻变化，从而得出环境光线的变化。
光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
利用这个电流变化，我们串接一个电阻，就可以转换成电压的变化，从而通过ADC读取电压值，判断外部光线的强弱。
主要代码讲解
（1）Lsens_Init（）;
用于初始化光敏传感器，其实就是初始化PF8为模拟输入，然后通过Adc3_Init函数初始化ADC3。
（2）Lsens_Get_Val（）;
用于获取当前光照强度，该函数通过Get_Adc3得到ADC3_CH6转换的电压值，经过简单量化后，处理成0~100的光强值。
0对应最暗，100对应最亮。
2.5温度湿度传感器模块
2.5.1主要功能
使用STM32来读取DHT11数字温湿度传感器，从而得到环境温度和湿度等信息。
2.5.2DHT11数字温湿度传感器简介
DHT11是一款湿温度一体化的数字传感器。
该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。
DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。
传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。
DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。
DHT11的技术参数如下：
工作电压范围：
3.3V-5.5V
工作电流：
平均0.5mA
输出：
单总线数字信号
测量范围：
湿度20~90％RH，温度0~50℃
精度：
湿度±5%，温度±2℃
分辨率：
湿度1%，温度1℃
2.6.3主要函数讲解
（1）DHT11_Rst（void）；复位DHT11。
（2）DHT11_Check（void）；等待DHT11的回应。
（3）DHT11_Read_Bit（void）；DHT11读取一个位。
（4）DHT11_Read_Byte（void）；读取一个字节。
（5）DHT11_Read_Data（u8*temp,u8*humi）；从DHT11读取一次数据。
（6）DHT11_Init（void）；
初始化DHT11的IO口DQ同时检测DHT11的存在。
2.7TFTLCD显示模块
2.7.1主要功能
利用TFTLCD进行实时信息的显示。
2.7.2TFTLCD简介
TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。
其英文全称为：
ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay。
TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。
TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。
一般TFTLCD模块的使用流程如下图所示。
TFTLCD模块的使用流程
2.7.3主要函数讲解
（1）FSMC_NORSRAMInit（）；初始化FSMC。
（2）FSMC_NORSRAMCmd（uint32_tFSMC_Bank,FunctionalStateNewState）;FSMC使能函数。
（3）LCD_WR_REG（u16regval）；写寄存器函数。
（4）LCD_WR_DATA（u16data）；写LCD数据。
（5）LCD_RD_DATA（void）；读LCD数据。
（6）LCD_WriteReg（u16LCD_Reg,u16LCD_RegValue）；写寄存器
（7）LCD_ReadReg（u16LCD_Reg）；读寄存器。
（8）LCD_WriteRAM_Prepare（void）；开始写GRAM
（9）LCD_WriteRAM（u16RGB_Code）；
//LCD写GRAM，RGB_Code:
颜色值
2.8红外遥控模块
2.8.1主要功能
利用红外遥控实现对LCD屏幕的开关，在不用时可以暂时将LCD屏幕关闭，以实现节能，降低功耗。
2.8.2红外遥控简介
红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。
由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套（发射器和接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则，就会隔墙控制或干扰），所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。
这对于大批量生产以及在电器上普及红外线遥控提供了极大的方面。
由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他电器，也不会影响临近的无线电设备。
2.8.3主要函数讲解
（1）voidRemote_Init（void）；
红外遥控初始化，设置IO以及定时器4的输入捕获
（2）TIM4_IRQHandler（void）；
定时器2中断服务程序；
（3）Remote_Scan（void）；//处理红外键盘
2.9SIM900AGSM模块
2.9.1主要功能
当有警报信号传来时，GSM模块自动发送短信进行报警，通知实验室管理员。
2.9.2SIM900AGSM模块简介
ATK-SIM900A-V15（V15是版本号，下面简称ATK-SIM900A）是ALIENTEK推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块（开发板）。
ATK-SIM900A模块板载SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块：
SIM900A，工作频段双频：
900/1800Mhz，可以低功耗实现语音、SMS（短信、彩信）、数据和传真信息的传输。
ATK-SIM900A模块支持RS232串口和LVTTL串口（即支持3.3V/5V系统），并带硬件流控制，支持5V~24V的超宽工作范围，使得本模块可以非常方便的与您的产品进行连接，从而给您的产品提供包括语音、短信和GPRS数据传输等功能。
2.9.3重要函数说明
（1）sim900a_sms_send_test（）;//SIM900A发短信测试
2.10嵌入UCOSII操作系统
2.10.1UCOSII操作系统简介
μC/OS-II由Micrium公司提供，是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核，它适用于多种微处理器，微控制器和数字处理芯片（已经移植到超过100种以上的微处理器应用中）。
同时，该系统源代码开放、整洁、一致，注释详尽，适合系统开发。
μC/OS-II已经通过联邦航空局（FAA）商用航行器认证，符合航空无线电技术委员会（RTCA）DO-178B标准。
第三章电路设计
3.1LED模块
说明：
DS0接PB5，DS1接PE5。
3.2蜂鸣器模块
说明：
蜂鸣器的驱动信号连接在STM32的PB8上。
3.3光敏传感器模块
说明：
图中，LS1是光敏二极管（实物在开发板摄像头接口右侧），R34为其提供反向电压，当环境光线变化时，LS1两端的电压也会随之改变，从而通过ADC3_IN6通道，读取LIGHT_SENSOR（PF8）上面的电压，即可得到环境光线的强弱。
光线越强，电压越低，光线越暗，电压越高。
3.4温度湿度传感器模块
说明：
开机的时候先检测是否有DHT11存在，如果没有，则提示错误。
只有在检测到DHT11之后才开始读取温湿度值，并显示在LCD上，如果发现了DHT11，则程序每隔100ms左右读取一次数据，并把温湿度显示在LCD上。
同样我们也是用DS0来指示程序正在运行。
所要用到的硬件资源如下：
1）指示灯DS0
2）TFTLCD模块
3）DHT11温湿度传感器
这些我们都已经介绍过了，DHT11和DS18B20的接口是共用一个的，不过DHT11有4条腿，需要把U6的4个接口都用上，将DHT11传感器插入到这个上面就可以通过STM32F1来
读取温湿度值了。
连接示意图如图：
这里要注意，将DHT11贴有字的一面朝内，而有很多孔的一面（网面）朝外，然后然后插入如图所示的四个孔内就可以了。
3.5TFTLCD显示模块
LCD模块原理图
LCD接口模块原理图
说明：
在硬件上，TFTLCD模块与STM32的IO口对应关系如下：
LCD_BL（背光控制）对应PB0;
LCD_CS对应PG12即FSMC_NE4;
LCD_RS对应PG0即FSMC_A10;
LCD_WR对应PD5即FSMC_NWE;
LCD_RD对应PD4即FSMC_NOE;
LCD_D[15:
0]则直接连接在FSMC_D15~FSMC_D0;
3.6红外遥控模块
说明：
所要用到的硬件资源如下：
1）指示灯DS0
2）TFTLCD模块（带触摸屏）
3）红外接收头
4）红外遥控器，遥控器属于外部器件，遥控接收头在板子
3.7ADC&DAC模块
说明：
使用DAC通道1输出模拟电压，然后通过ADC1的通道1对该输出电压进行读取，并显示在LCD模块上面，DAC的输出电压，我们通过按键（或USMART）进行设置。
我们需要用到ADC采集DAC的输出电压，所以需要在硬件上把他们短接起来。
3.8SRAM模块
说明：
型号为：
IS62WV51216，容量为1M字节，该芯片挂在STM32的FSMC上。
这样大大扩展了STM32的内存（芯片本身有64K字节），从而在需要大内存的场合。
3.9复位电路模块
说明：
因为STM32是低电平复位的，所以我们设计的电路也是低电平复位的，这里的R3和C12构成了上电复位电路。
同时，开发板把TFT_LCD的复位引脚也接在RESET上，这样这个复位按钮不仅可以用来复位MCU，还可以复位LCD。
3.10CAN/USB接口
说明：
CAN总线电平也不能直接连接到STM32，同样需要电平转换芯片。
这里我们使用TJA1050来做CAN电平转换，其中R30为终端匹配电阻。
USB_D+/USB_D-连接在MCU的USB口（PA12/PA11）上，同时，因为STM32的USB和CAN共用这组信号，所以我们通过P9来选择使用USB还是CAN。
USB_SLAVE可以用来连接电脑，实现USB读卡器或USB虚拟串口等USB从机实验。
另外，该接口还具有供电功能，VUSB为开发板的USB供电电压，通过这个USB口，就可以给
整个开发板供电了。
3.11EEPROM
说明：
EEPROM芯片我们使用的是24C02，该芯片的容量为2Kb，也就是256个字节，兼容24C02~24C512全系列EEPROM芯片的。
3.12SPIFLASH
说明：
SPIFLASH芯片型号为W25Q128，该芯片的容量为128Mb，也就是16M字节。
该芯片和NRF24L01共用一个SPI（SPI2），通过片选来选择使用某个器件，在使用其中一个器件的时候，请务必禁止另外一个器件的片选信号。
图中F_CS连接MCU的PB12上，SPI2_SCK/SPI2_MOSI/SPI2_MISO则分别连接MCU的PB13/PB15/PB14上。
3.13电源
说明：
图中，总共有3个稳压芯片：
U12/U13/U15，DC_IN用于外部直流电源输入，范围是DC6~24V，输入电压经过U13DC-DC芯片转换为5V电源输出，其中D4是防反接二极管，避免外部直流电源极性搞错的时候，烧坏开发板。
K2为开发板的总电源开关，F1为1000ma自恢复保险丝，用于保护USB。
U12为3.3V稳压芯片，给开发板提供3.3V电源，而U15则是1.8V稳压芯片，供VS1053的CVDD使用。
3.14MCU
说明：
STM32开发板选择的是STM32F103ZETT6作为MCU，该芯片是STM32F103里面配置非常强大的了，它拥有的资源包括：
64KBSRAM、512KBFLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及112个通用IO口。
该芯片的配置十分强悍，并且还带外部总线（FSMC）可以用来外扩SRAM和连接LCD等，通过FSMC驱动LCD，可以显著提高LCD的刷屏速度，是STM32F1家族常用型号里面，最高配置的芯片了。
第四章实验、调试及测试结果与分析。
4.1正常模式
4.2警报模式
4.3结果分析
该系统成功完成了所需要的任务，在正常情况下监视环境的变化，在异常模式可以启用警报功能，进行报警。
第五章结论
本课题考虑到实验室的安全因素，由于在实验室使用电器产品比较多，易产生火灾等灾害严重损害了实验室的财产安全，为此研制一款集检测火灾危险信号、紧急情况信号于一体的报警器。
根据本次设计的功能要求分为硬件电路设计和软件设计两部分，其中硬件电路设计部分主要包括传感器信号采集模块、A/D转换模块、STM32模块、LCD显示模块、GSM模块，警报模块等，系统软件设计部分主要包括：
嵌入UCOSii操作系统，嵌入主程序，中断服务子程序，数据采集子程序，显示子程序等程序设计。
最后经过调试，所设计的报警器能够检测环境中光照、温度、湿度，传给上位机显示，并且当检测的值超过预先设定的上限值时，报警器还会发出声光报警信息。
另外，利用红外遥控也可以进行警报。
针对以上的不足，我提出以下改进的措施：
首先，针对火灾发生的现象，由于火灾发生是伴随有强光，环境湿度下降，同时周围温度大幅度升高，因此可以综合采集这三个参数，当这三个参数都超过上限值时才发出报警信号，这样可以有效的减少误报率。
其次，可以给该报警器配置一些自动的灭火器等，当检测到有危险信号时，报警器不仅能发出报警信号，同时还能自动的进行一些相应的紧急措施处理，使其成为一个定需要人工操作的智能报警器。
第6章参考文献
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第7章附录
7.1元件清单
（1）STM32开发板
（2）光敏二极管
（3）温度湿度传感器DHT11
（4）红外遥控器
（5）SIM900AGSM模块
（6）SIM卡
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