智能实验室监管系统.docx

1、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SIM900AGSM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

2、本低的特点。关键词：STM32;GSM;传感器; UCOS II前言 31.1课题的研究背景 31.2智能化实验室管理控制系统研究的发展及现状 31.3课题研究目的及意义 3第一章 统的组成及工作原理 41.1 系统总体框图 42.2 LED警报模块 42.2.1 主要功能 42.3蜂鸣器警报模块 42.4 光敏传感器模块 52.4.1 主要功能 52.5 温度湿度传感器模块 52.5.1 主要功能 62.5.2 DHT11 数字温湿度传感器简介 62.6.3 主要函数讲解 62.7 TFTLCD显示模块 72.7.1 主要功能 72.7.2 TFTLCD简介 72.7.3 主要函数讲解 82

3、.8 红外遥控模块 82.8.1 主要功能 82.8.2 红外遥控简介 82.8.3 主要函数讲解 92.9 SIM900A GSM模块 92.9.1 主要功能 92.9.2 SIM900A GSM模块简介 92.9.3 重要函数说明 102.10 嵌入UCOS II 操作系统 102.10.1 UCOS II 操作系统简介 10第三章 电路设计 103.1 LED模块 103.2 蜂鸣器模块 113.3 光敏传感器模块 113.4 温度湿度传感器模块 113.5 TFTLCD显示模块 123.9 复位电路模块 153.10 CAN/USB 接口 163.11 EEPROM 173.12 SP

4、I FLASH 173.13 电源 183.14 MCU 18第四章 实验、调试及测试结果与分析。 204.1 正常模式 204.2 警报模式 204.3 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

5、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

6、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 2.2 LED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。void LED_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

7、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）void BEEP_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

8、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 01

9、00 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。2.5.2 DHT11 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

10、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 2090RH，温度 050 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。（

11、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。2.7 TFTLCD显示模块2.7.1 主要功能利用TFTLCD进行实时信息的显示。2.7.2 TFTLCD简介TFT -LCD 即薄膜晶体管液晶显示器。其英文全称为：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。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

12、），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_t FSMC_Bank, FunctionalState NewState); FSMC使能函数。（3）LCD_WR_REG(u16 regval)；写寄存器函数。（4）LCD_WR_DATA(u16 data)；写 LCD 数据。（5）LCD_RD_D

13、ATA(void)；读 LCD 数据。（6）LCD_WriteReg(u16 LCD_Reg, u16 LCD_RegValue)；写寄存器（7）LCD_ReadReg(u16 LCD_Reg)；读寄存器。（8）LCD_WriteRAM_Prepare(void)；开始写 GRAM（9）LCD_WriteRAM(u16 RGB_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，

14、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

15、备。2.8.3 主要函数讲解（1）void Remote_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2.9 SIM900A GSM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。2.9.2 SIM900A GSM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）。AT

16、K-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 5V24V 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UCOS II 操

17、作系统2.10.1 UCOS II 操作系统简介C/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。 C/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3.1 LED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

18、，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

19、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。3.5 TFTLCD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_

20、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 _D15:0则直接连接在 FSMC_D15FSMC_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3.7 ADC&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

21、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。3.8 SRAM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

22、按钮不仅可以用来复位 MCU，还可以复位 LCD。3.10 CAN/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，

23、通过这个 USB 口，就可以给整个开发板供电了。 3.11 EEPROM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 24C0224C512 全系列 EEPROM 芯片的。3.12 SPI FLASH说明：SPI FLASH 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_MI

24、SO 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DC624V，输入电压经过 U13 DC-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。3.14 MCU说明：STM32 开发板选择的是 S

25、TM32F103ZETT6 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：64KB SRAM、512KB FLASH、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 LC

26、D 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

27、块等，系统软件设计部分主要包括：嵌入UCOS ii 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

28、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1罗维平,向阳,吴雨川.基于单片机的GPS/GSM车辆监控系统的移动单元J.武汉科技学院学报,2007(4):189-195.2谢卫华,宋蛰存.基于单片机的家庭智能防火防盗系统的设计J.机电产品开发与创新,2009(6):24-29.3王觅蕤,马维金,万晓飞.家庭厨房安全综合报警系统J.电子设计工程,2011,(13):34-38.4SIEMENS.ATCommandSetSiemensCellularEngineM.German:SIEMENS2002:3-11.5J.A.V

29、asconcelos,J.H.R.D.Maciel,R.O.Parreiras.ScattersearchtechniquesappliedtoelectromagneticproblemsJ.IEEETransactionsonMagnetics,2005(5):1804-1807.6刘海锋.基于GSM的远程报警系统J.鄂州大学学报,2009,(5):174-180.7王骐,何嘉斌.单片机控制GSM模块实现短信收发的软件设计J.单片机与嵌入式系统应用,2005,(01):57-65.8杨照.开关、报警电子小制作入门M.杭州:浙江科学技术出版社,2005.9许兴在.传感器近代应用技术M.上海:

30、同济大学出版社,1994.10樊振方,彭爱华,周健.基于GSM网络的汽车防盗报警系统设计J.电子技术应用,2006(3):96-113.11俞竹青,潘全胜.一种光电编码器用可编程计数电路的设计J.传感器技术,2002,(10):22-24.12AkyildizIF,WeilianS,andSankarasubramaniamY.ASur-veyonSensorNetworksJ.IEEECommunicationsMaga-zine,2002,40(8):102-114.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）SIM900A GSM模块（6）SIM卡