智能實驗室監(jiān)管系統(tǒng)資料

2014年山東科技大學(xué)學(xué)生科研立項題目名稱：實驗室監(jiān)管系統(tǒng)團(tuán)隊成員：專業(yè)：班級：指導(dǎo)教師：電子通信與物理學(xué)院2015年摘要本文設(shè)計了一種智能化的實驗室管理控制系統(tǒng)，完整系統(tǒng)可由若干個節(jié)點組成，每個節(jié)點配備了溫濕度、光線、煙霧、紅外、傳感器。本系統(tǒng)采用STM32處理器作為系統(tǒng)的控制核心，輔助以LCD來顯示系統(tǒng)的主要信息，采用SIM900A

GSM模塊和LED以及蜂鳴器作為向用戶進(jìn)行報警的子系統(tǒng)模塊。借助最可靠、最成熟的GSM移動網(wǎng)絡(luò)，以最直觀的短消息形式，直接將實驗室的發(fā)生的緊急情況發(fā)送到手機(jī)上。本系統(tǒng)具有反應(yīng)迅速，性能全面，易操作，成本低的特點。關(guān)鍵詞：STM32;GSM;傳感器;UCOSIITOC\o"1-3"\h\u前言 31.1課題的研究背景 31.2智能化實驗室管理控制系統(tǒng)研究的發(fā)展及現(xiàn)狀 31.3課題研究目的及意義 3第一章統(tǒng)的組成及工作原理 41.1系統(tǒng)總體框圖 42.2LED警報模塊 42.2.1主要功能 42.3蜂鳴器警報模塊 42.4光敏傳感器模塊 52.4.1主要功能 52.5溫度濕度傳感器模塊 52.5.1主要功能 62.5.2DHT11數(shù)字溫濕度傳感器簡介 62.6.3主要函數(shù)講解 62.7TFTLCD顯示模塊 72.7.1主要功能 72.7.2TFTLCD簡介 72.7.3主要函數(shù)講解 82.8紅外遙控模塊 82.8.1主要功能 82.8.2紅外遙控簡介 82.8.3主要函數(shù)講解 92.9SIM900AGSM模塊 92.9.1主要功能 92.9.2SIM900AGSM模塊簡介 92.9.3重要函數(shù)說明 102.10嵌入UCOSII操作系統(tǒng) 102.10.1UCOSII操作系統(tǒng)簡介 10第三章電路設(shè)計 103.1LED模塊 103.2蜂鳴器模塊 113.3光敏傳感器模塊 113.4溫度濕度傳感器模塊 113.5TFTLCD顯示模塊 123.9復(fù)位電路模塊 153.10CAN/USB接口 163.11EEPROM 173.12SPIFLASH 173.13電源 183.14MCU 18第四章實驗、調(diào)試及測試結(jié)果與分析。 204.1正常模式 204.2警報模式 204.3結(jié)果分析 20第五章結(jié)論 20第六章參考文獻(xiàn) 21第七章附錄 22前言1.1課題的研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，實驗室在大學(xué)的教學(xué)中體現(xiàn)的重要性越來越明顯，實驗室設(shè)備的多樣化、學(xué)生人數(shù)的眾多，使得實驗室的管理異常繁瑣，實驗室中的各種問題難以及時的解決，有可能會造成眾多的潛在問題。如何提供一種簡潔高效的管理系統(tǒng)成為一個迫切的問題。1.2智能化實驗室管理控制系統(tǒng)研究的發(fā)展及現(xiàn)狀

目前市面上的實驗室管理已從簡單化、局部化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，企業(yè)級的報警系統(tǒng)往往需要架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，成本較高，不適合一般工薪實驗室使用。

國內(nèi)的實驗室管理系統(tǒng)產(chǎn)品已形成一個成熟、獨立的體系，它是由安防主機(jī)和各種控制檢測裝置組成的系統(tǒng)，具有相對獨立性、兼容性及可擴(kuò)展性等特點。一般把紅外熱釋電傳感器探頭安裝在實驗室外的窗口位置，當(dāng)有非法入侵時，傳感器就會觸發(fā)主機(jī)報警。安裝氣體泄漏傳感器，一旦有氣體泄漏，即觸發(fā)主機(jī)報警。國內(nèi)外也已經(jīng)有成熟的突發(fā)事件應(yīng)急安全警報系統(tǒng)，所以我們可以利用上面的案例來發(fā)展我們的系統(tǒng)。1.3課題研究目的及意義

實驗室在高等學(xué)校的教學(xué)與研究中始終起著至關(guān)重要的作用，同時也是高等學(xué)校中資產(chǎn)密集的地方之一，所以保護(hù)好實驗室環(huán)境顯得尤為重要。為保護(hù)好實驗室環(huán)境選擇智能化實驗室管理控制系統(tǒng)這一課題進(jìn)行研究，以提高實驗室環(huán)境，保護(hù)好實驗室資產(chǎn)及儀器。第一章統(tǒng)的組成及工作原理1.1系統(tǒng)總體框圖煙霧煙霧傳感器光照傳感器CPU溫度傳感器溫濕度傳感器LCD實時信息顯示異常異常異常異常警報模塊，包括GSM模塊，LED警報模塊，蜂鳴器警報模塊紅外遙控器異常開關(guān)系統(tǒng)總體框圖 2.2LED警報模塊2.2.1主要功能該模塊實現(xiàn)LED閃爍報警，實現(xiàn)異常報警。voidLED_Init(void)；該函數(shù)的功能就是用來實現(xiàn)配置PB5和PE5為推挽輸出。這里需要注意的是：在配置STM32外設(shè)的時候，任何時候都要先使能該外設(shè)的時鐘。GPIO是掛載在APB2總線上的外設(shè)，在固件庫中對掛載在APB2總線上的外設(shè)時鐘使能是通過函數(shù)RCC_APB2PeriphClockCmd()來實現(xiàn)的。2.3蜂鳴器警報模塊該模塊實現(xiàn)蜂鳴器發(fā)出高頻警報聲報警，實現(xiàn)異常報警。（1）voidBEEP_Init(void)；該函數(shù)的作用就是使能PORTB的時鐘，同時配置PB8為推挽輸出。2.4光敏傳感器模塊2.4.1主要功能用到ADC采集，通過ADC采集電壓，獲取光敏傳感器的電阻變化，從而得出環(huán)境光線的變化。光敏二極管也叫光電二極管。光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時,飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來改變電路中的電流。利用這個電流變化，我們串接一個電阻，就可以轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從而通過ADC讀取電壓值，判斷外部光線的強(qiáng)弱。主要代碼講解（1）Lsens_Init();用于初始化光敏傳感器，其實就是初始化PF8為模擬輸入，然后通過Adc3_Init函數(shù)初始化ADC3。（2）Lsens_Get_Val();用于獲取當(dāng)前光照強(qiáng)度，該函數(shù)通過Get_Adc3得到ADC3_CH6轉(zhuǎn)換的電壓值，經(jīng)過簡單量化后，處理成0~100的光強(qiáng)值。0對應(yīng)最暗，100對應(yīng)最亮。2.5溫度濕度傳感器模塊2.5.1主要功能使用STM32來讀取DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，從而得到環(huán)境溫度和濕度等信息。2.5.2DHT11數(shù)字溫濕度傳感器簡介DHT11是一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。通過單片機(jī)等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。DHT11與單片機(jī)之間能采用簡單的單總線進(jìn)行通信，僅僅需要一個I/O口。傳感器內(nèi)部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī)，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進(jìn)行校驗，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT11功耗很低，5V電源電壓下，工作平均最大電流0.5mA。DHT11的技術(shù)參數(shù)如下：工作電壓范圍：3.3V-5.5V工作電流：平均0.5mA輸出：單總線數(shù)字信號測量范圍：濕度20~90％RH，溫度0~50精度：濕度±5%，溫度±2分辨率：濕度1%，溫度1℃2.6.3主要函數(shù)講解（1）DHT11_Rst(void)；復(fù)位DHT11。（2）DHT11_Check(void)；等待DHT11的回應(yīng)。（3）DHT11_Read_Bit(void)；DHT11讀取一個位。（4）DHT11_Read_Byte(void)；讀取一個字節(jié)。（5）DHT11_Read_Data(u8*temp,u8*humi)；從DHT11讀取一次數(shù)據(jù)。（6）DHT11_Init(void)；初始化DHT11的IO口DQ同時檢測DHT11的存在。2.7TFTLCD顯示模塊2.7.1主要功能利用TFTLCD進(jìn)行實時信息的顯示。2.7.2TFTLCD簡介TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器。其英文全稱為：ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay。TFT-LCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個象素上都設(shè)置有一個薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶顯示器。一般TFTLCD模塊的使用流程如下圖所示。TFTLCD模塊的使用流程2.7.3主要函數(shù)講解（1）FSMC_NORSRAMInit()；初始化FSMC。（2）FSMC_NORSRAMCmd(uint32_tFSMC_Bank,FunctionalStateNewState);FSMC使能函數(shù)。（3）LCD_WR_REG(u16regval)；寫寄存器函數(shù)。（4）LCD_WR_DATA(u16data)；寫LCD數(shù)據(jù)。（5）LCD_RD_DATA(void)；讀LCD數(shù)據(jù)。（6）LCD_WriteReg(u16LCD_Reg,u16LCD_RegValue)；寫寄存器（7）LCD_ReadReg(u16LCD_Reg)；讀寄存器。（8）LCD_WriteRAM_Prepare(void)；開始寫GRAM（9）LCD_WriteRAM(u16RGB_Code)；//LCD寫GRAM，RGB_Code:顏色值2.8紅外遙控模塊2.8.1主要功能利用紅外遙控實現(xiàn)對LCD屏幕的開關(guān)，在不用時可以暫時將LCD屏幕關(guān)閉，以實現(xiàn)節(jié)能，降低功耗。2.8.2紅外遙控簡介紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，易實現(xiàn)等顯著優(yōu)點，被諸多電子設(shè)備特別是電器廣泛采用，并越來越多的應(yīng)用到計算機(jī)系統(tǒng)中。由于紅外線遙控不具有像無線電遙控那樣穿過障礙物去控制被控對象的能力，所以，在設(shè)計紅外線遙控器時，不必要像無線電遙控器那樣，每套(發(fā)射器和接收器)要有不同的遙控頻率或編碼(否則，就會隔墻控制或干擾)，所以同類產(chǎn)品的紅外線遙控器，可以有相同的遙控頻率或編碼，而不會出現(xiàn)遙控信號“串門”的情況。這對于大批量生產(chǎn)以及在電器上普及紅外線遙控提供了極大的方面。由于紅外線為不可見光，因此對環(huán)境影響很小，再由紅外光波動波長遠(yuǎn)小于無線電波的波長，所以紅外線遙控不會影響其他電器，也不會影響臨近的無線電設(shè)備。2.8.3主要函數(shù)講解（1）voidRemote_Init(void)；紅外遙控初始化，設(shè)置IO以及定時器4的輸入捕獲（2）TIM4_IRQHandler(void)；定時器2中斷服務(wù)程序；（3）Remote_Scan(void)；//處理紅外鍵盤2.9SIM900AGSM模塊2.9.1主要功能當(dāng)有警報信號傳來時，GSM模塊自動發(fā)送短信進(jìn)行報警，通知實驗室管理員。2.9.2SIM900AGSM模塊簡介ATK-SIM900A-V15（V15是版本號，下面簡稱ATK-SIM900A）是ALIENTEK推出的一款高性能工業(yè)級GSM/GPRS模塊（開發(fā)板）。ATK-SIM900A模塊板載SIMCOM公司的工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊：SIM900A，工作頻段雙頻：900/1800Mhz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS（短信、彩信）、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。ATK-SIM900A模塊支持RS232串口和LVTTL串口（即支持3.3V/5V系統(tǒng)），并帶硬件流控制，支持5V~24V的超寬工作范圍，使得本模塊可以非常方便的與您的產(chǎn)品進(jìn)行連接，從而給您的產(chǎn)品提供包括語音、短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?.9.3重要函數(shù)說明（1）sim900a_sms_send_test();//SIM900A發(fā)短信測試2.10嵌入UCOSII操作系統(tǒng)2.10.1UCOSII操作系統(tǒng)簡介μC/OS-II由Micrium公司提供，是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務(wù)實時內(nèi)核，它適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片（已經(jīng)移植到超過100種以上的微處理器應(yīng)用中）。同時，該系統(tǒng)源代碼開放、整潔、一致，注釋詳盡，適合系統(tǒng)開發(fā)。μC/OS-II已經(jīng)通過聯(lián)邦航空局（FAA）商用航行器認(rèn)證，符合航空無線電技術(shù)委員會（RTCA）DO-178B標(biāo)準(zhǔn)。第三章電路設(shè)計3.1LED模塊說明：DS0接PB5，DS1接PE5。3.2蜂鳴器模塊說明：蜂鳴器的驅(qū)動信號連接在STM32的PB8上。3.3光敏傳感器模塊說明：圖中，LS1是光敏二極管（實物在開發(fā)板攝像頭接口右側(cè)），R34為其提供反向電壓，當(dāng)環(huán)境光線變化時，LS1兩端的電壓也會隨之改變，從而通過ADC3_IN6通道，讀取LIGHT_SENSOR（PF8）上面的電壓，即可得到環(huán)境光線的強(qiáng)弱。光線越強(qiáng)，電壓越低，光線越暗，電壓越高。3.4溫度濕度傳感器模塊說明：開機(jī)的時候先檢測是否有DHT11存在，如果沒有，則提示錯誤。只有在檢測到DHT11之后才開始讀取溫濕度值，并顯示在LCD上，如果發(fā)現(xiàn)了DHT11，則程序每隔100ms左右讀取一次數(shù)據(jù)，并把溫濕度顯示在LCD上。同樣我們也是用DS0來指示程序正在運行。所要用到的硬件資源如下：1）指示燈DS02）TFTLCD模塊3）DHT11溫濕度傳感器這些我們都已經(jīng)介紹過了，DHT11和DS18B20的接口是共用一個的，不過DHT11有4條腿，需要把U6的4個接口都用上，將DHT11傳感器插入到這個上面就可以通過STM32F1來讀取溫濕度值了。連接示意圖如圖：這里要注意，將DHT11貼有字的一面朝內(nèi)，而有很多孔的一面(網(wǎng)面)朝外，然后然后插入如圖所示的四個孔內(nèi)就可以了。3.5TFTLCD顯示模塊LCD模塊原理圖LCD接口模塊原理圖說明：在硬件上，TFTLCD模塊與STM32的IO口對應(yīng)關(guān)系如下：LCD_BL(背光控制)對應(yīng)PB0;LCD_CS對應(yīng)PG12即FSMC_NE4;LCD_RS對應(yīng)PG0即FSMC_A10;LCD_WR對應(yīng)PD5即FSMC_NWE;LCD_RD對應(yīng)PD4即FSMC_NOE;LCD_D[15:0]則直接連接在FSMC_D15~FSMC_D0;3.6紅外遙控模塊說明：所要用到的硬件資源如下：1）指示燈DS02）TFTLCD模塊（帶觸摸屏）3）紅外接收頭4）紅外遙控器，遙控器屬于外部器件，遙控接收頭在板子3.7ADC&DAC模塊說明：使用DAC通道1輸出模擬電壓，然后通過ADC1的通道1對該輸出電壓進(jìn)行讀取，并顯示在LCD模塊上面，DAC的輸出電壓，我們通過按鍵（或USMART）進(jìn)行設(shè)置。我們需要用到ADC采集DAC的輸出電壓，所以需要在硬件上把他們短接起來。3.8SRAM模塊說明：型號為：IS62WV51216，容量為1M字節(jié)，該芯片掛在STM32的FSMC上。這樣大大擴(kuò)展了STM32的內(nèi)存（芯片本身有64K字節(jié)），從而在需要大內(nèi)存的場合。3.9復(fù)位電路模塊說明：因為STM32是低電平復(fù)位的，所以我們設(shè)計的電路也是低電平復(fù)位的，這里的R3和C12構(gòu)成了上電復(fù)位電路。同時，開發(fā)板把TFT_LCD的復(fù)位引腳也接在RESET上，這樣這個復(fù)位按鈕不僅可以用來復(fù)位MCU，還可以復(fù)位LCD。3.10CAN/USB接口說明：CAN總線電平也不能直接連接到STM32，同樣需要電平轉(zhuǎn)換芯片。這里我們使用TJA1050來做CAN電平轉(zhuǎn)換，其中R30為終端匹配電阻。USB_D+/USB_D-連接在MCU的USB口（PA12/PA11）上，同時，因為STM32的USB和CAN共用這組信號，所以我們通過P9來選擇使用USB還是CAN。USB_SLAVE可以用來連接電腦，實現(xiàn)USB讀卡器或USB虛擬串口等USB從機(jī)實驗。另外，該接口還具有供電功能，VUSB為開發(fā)板的USB供電電壓，通過這個USB口，就可以給整個開發(fā)板供電了。3.11EEPROM說明：EEPROM芯片我們使用的是24C02，該芯片的容量為2Kb，也就是256個字節(jié)，兼容24C02~24C512全系列EEPROM芯片的。3.12SPIFLASH說明：SPIFLASH芯片型號為W25Q128，該芯片的容量為128Mb，也就是16M字節(jié)。該芯片和NRF24L01共用一個SPI（SPI2），通過片選來選擇使用某個器件，在使用其中一個器件的時候，請務(wù)必禁止另外一個器件的片選信號。圖中F_CS連接MCU的PB12上，SPI2_SCK/SPI2_MOSI/SPI2_MISO則分別連接MCU的PB13/PB15/PB14上。3.13電源說明：圖中，總共有3個穩(wěn)壓芯片：U12/U13/U15，DC_IN用于外部直流電源輸入，范圍是DC6~24V，輸入電壓經(jīng)過U13DC-DC芯片轉(zhuǎn)換為5V電源輸出，其中D4是防反接二極管，避免外部直流電源極性搞錯的時候，燒壞開發(fā)板。K2為開發(fā)板的總電源開關(guān)，F(xiàn)1為1000ma自恢復(fù)保險絲，用于保護(hù)USB。U12為3.3V穩(wěn)壓芯片，給開發(fā)板提供3.3V電源，而U15則是1.8V穩(wěn)壓芯片，供VS1053的CVDD使用。3.14MCU說明：STM32開發(fā)板選擇的是STM32F103ZETT6作為MCU，該芯片是STM32F103里面配置非常強(qiáng)大的了，它擁有的資源包括：64KBSRAM、512KBFLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。該芯片的配置十分強(qiáng)悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴(kuò)SRAM和連接LCD等，通過FSMC驅(qū)動LCD，可以顯著提高LCD的刷屏速度，是STM32F1家族常用型號里面，最高配置的芯片了。第四章實驗、調(diào)試及測試結(jié)果與分析。4.1正常模式4.2警報模式4.3結(jié)果分析該系統(tǒng)成功完成了所需要的任務(wù)，在正常情況下監(jiān)視環(huán)境的變化，在異常模式可以啟用警報功能，進(jìn)行報警。第五章結(jié)論本課題考慮到實驗室的安全因素，由于在實驗室使用電器產(chǎn)品比較多，易產(chǎn)生火災(zāi)等災(zāi)害嚴(yán)重?fù)p害了實驗室的財產(chǎn)安全，為此研制一款集檢測火災(zāi)危險信號、緊急情況信號于一體的報警器。

根據(jù)本次設(shè)計的功能要求分為硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，其中硬件電路設(shè)計部分主要包括傳感器信號采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、STM32模塊、LCD顯示模塊、GSM模塊，警報模塊等，系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括：嵌入UCOSii操作系統(tǒng)，嵌入主程序，中斷服務(wù)子程序，數(shù)據(jù)采集子程序，顯示子程序等程序設(shè)計。最后經(jīng)過調(diào)試，所設(shè)計的報警器能夠檢測環(huán)境中光照、溫度、濕度，傳給上位機(jī)顯示，并且當(dāng)檢測的值超過預(yù)先設(shè)定的上限值時，報警器還會發(fā)出聲光報警信息。另外，利用紅外遙控也可以進(jìn)行警報。針對以上的不足