智能天然气监控终端的数据显示系统的设计毕业设计论文.doc
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1、 毕业设计(论文)( 2009 届本科) 题 目:智能天然气监控终端的数据显示系统的设计 学 院:电气与电子工程 专 业:电气工程及其自动化 班 级:电气2班 姓 名:沈泽波 学 号:0910321221 指导教师:刘毅2013年 5月智能天然气监控终端的数据显示系统的设计摘要生存环境的舒适与安全是人类永恒追求的物质目标。随着计算机技术、通信技术、控制技术的飞速发展,人们对居住环境提出了更高的要求,希望居住在一个生活现代化,环境舒适化、安全化的生活空间。通过环境监测系统,用户可以实时获得居住环境的信息,如:温湿度、天然气浓度、火灾信息等。并将采集到的环境信息作为其他家庭设备运行时的参数,实现对
2、环境的智能化控制。智能无线天然气烟雾监控终端作为智能家居的一部分,很好地实现了实时监测天然气浓度和烟雾浓度的目标,并且当浓度超过设定阈值时,将通过无线的方式进行报警。智能终端通过各种传感电路检测室内的天然气浓度和烟雾浓度信息等,然后与预置的参数阈值进行比较,智能终端根据比较结果发出相应的报警信息,并且可以实时地显示当前时间室内天然气浓度和烟雾浓度信息等参数值,并且可通过WIFI,GPRS等无线通讯方式及时将各种监控信息通知住户。本文将从ST公司的以Cortex-M3为内核的STM32微处理器STM32F107和嵌入式图形支持系统UCGUI为主要切入点,对智能无线天然气烟雾监控终端所采用的技术进
3、行数据分析、比较、甄别、判断,来证明它在日常生活中的实用性和优越性。关键词 烟雾监控终端 STM32 UCGUI Cortex-M3内核Design of data display system of intelligent gas monitoring terminalAbstractLiving environment is the human eternal pursuit of material comfort and security goals. Along with the computer technology, communication technology, contro
4、l technology rapid development, the living environment of people put forward higher request, want to live life in a modern, comfortable, safe environment of living space. Through the environmental monitoring system, the user can obtain real-time living environment information, such as: temperature a
5、nd humidity and gas concentration, fire information, etc. And will be collected environmental information as other family equipment run time parameter, the realization of intelligent control to the environment. Intelligent wireless gas smoke monitoring terminal as part of the smart home, well realiz
6、e the goal of real-time monitoring of gas concentration and smoke concentration, and when the concentration is more than set threshold, will through the wireless way to call the police.Intelligent terminals through a variety of sensing circuit testing indoor gas concentration and smoke concentration
7、 information, etc., and then compared with the parameters of preset threshold, intelligent terminal sends the corresponding alarm information, according to the results of the comparison and can real-time display the current time indoor parameters such as gas concentration and smoke concentration inf
8、ormation value, and can be through WIFI, GPRS wireless communication mode shall notify residents of various monitoring information in a timely manner.This article will from the STs architecture (M3 as the kernel of STM32 UCGUI STM32F107 microprocessor and embedded graphics support system as the main
9、 entry point, for the smart wireless gas smoke control technology adopted by the terminal for data analysis, comparison, identify, judgment, practicality and superiority to prove it in daily life.Key words: Smoke monitoring terminal STM32 UCGUI Cortex-M3 Kernel目录1绪论11.1选题背景和意义11.2研究范围及技术要求21.3系统设计框架
10、21.4本设计的优越性42烟雾传感器模块52.1烟雾及气体传感器的硬件特性和特点52.1.1烟雾传感器的选择52.1.2烟雾传感器的介绍52.1.3 MQ-2型烟雾传感器的工作原理及特点52.1.4 MQ-4型甲烷、天然气传感器的特点72.2烟雾传感器原理图83 STM32开发板的硬件特性和特点93.1 硬件组成与作用93.2 STM32目前的技术水平和应用领域123.3 ARM Cortex-M3 处理器的优点133.4 STM32与C51单片机的优劣对比144.奋斗STM32开发板V3.1的特点和应用154.1 嵌入式实时操作系统ucosII在奋斗板上的应用164.1.1 特点174.1.
11、2 应用174.1.3 uCosII概念解释175 UCOSII操作系统上的图形显示界面UCGUI185.1 UCGUI的特性185.1.1 运行要求195.1.2 UCGUI的一般特性195.2 UCGUI的操作界面及配置195.2.1 UCGUI的界面操作效果215.2.2 UCGUI的配置225.3 UCGUI的性能与资源225.3.1 内存占用需求236.系统总体方案设计236.1 系统设计框架236.1.1天然气烟雾监控的显示流程256.1.2天然气烟雾实时监控的呈现功能实现26 6.1.3 主程序(见附录)356.1.4实验的过程及效果357结语408参考文献419谢辞43附录:主
12、程序部分4458智能无线天然气烟雾监控终端的数据显示系统的设计1绪论1.1 选题背景和意义天然气,主要存在于油田、气田、煤层和页岩层。天然气燃烧后无废渣、废水产生,相较煤炭、石油等能源有使用安全、热值高、洁净等优势。随着燃料节能性要求的提出,天然气在家庭燃料结构中所占的比例也愈发重要起来。天然气是较为安全的燃气之一,它不含一氧化碳,也比空气轻,一旦泄漏,立即会向上扩散,不易积聚形成爆炸性气体,安全性较高。采用天然气作为能源,可减少煤和石油的用量,因而大大改善环境污染问题;天然气作为一种清洁能源,能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%,减少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%,并有助于减少
13、酸雨形成,舒缓地球温室效应,从根本上改善环境质量。与此同时,计算机技术、通信技术、控制技术飞速发展,通过环境监测系统,用户可以实时获得居住环境的信息,如:温湿度、天然气浓度、火灾信息等。并将采集到的环境信息作为其他家庭设备运行时的参数,实现对环境的智能化控制。智能无线天然气烟雾监控终端作为智能家居的一部分,很好地实现了实时监测天然气浓度和烟雾浓度的目标,并且当浓度超过设定阈值时,将通过无线的方式进行报警。智能终端通过各种传感电路检测室内的天然气浓度和烟雾浓度信息等,然后与预置的参数阈值进行比较,智能终端根据比较结果发出相应的报警信息,并且可以实时地显示当前时间室内天然气浓度和烟雾浓度信息等参数
14、值,并且可通过WIFI,GPRS等无线通讯方式及时将各种监控信息通知住户。无疑,这种装置为人们安全、舒适的生活作出了非凡的尝试,将减少因天然气泄露而导致的生命损失,并且维护了社会和私人财产的损失,降低意外事故的频发而引起的社会情绪不稳定。就此控制终端为研究对象,不仅切合当前工业化要求以趋向安全性第一的实际,而且也是非常贴合人们的生活需求,不是为了研究而研究,把艰深难懂的知识一一罗列,而是为了简明陈述、悉心疏通,来提供一种化繁为简的可能,使其成为生活中的必需品,而非自诞生起就束之高阁。1.2 研究范围及技术要求智能无线天然气烟雾控制终端可以通过各种传感电路检测室内的天然气浓度和烟雾浓度信息等,然
15、后与预置的参数阈值进行比较,智能终端根据比较结果发出相应的报警信息,实时地显示当前时间室内天然气浓度和烟雾浓度信息等参数值,并且可通过WIFI,GPRS等无线通讯方式及时将各种监控信息通知住户。在技术上必须实现便于接入、易于扩展、安全有效、经济实惠、灵活设置业务流程等特点。在硬件系统要求、软件系统要求、功能要求、性能要求、安全要求、环境要求方面务必精益求精。系统总体方案的设计应该全面考虑系统的总体功能进行硬件的初步选型,之后确定一个硬件实现的可行方案,经过反复对比考虑到节约整体成本,系统终端采用了ST公司的Cortex-M3内核的STM32微处理器STM32F107。该芯片属于STM32系列的
16、增强型,提供多达256KB的片内Flah、64KB的RAM和丰富的外设接口。Cortex-M3内核在设计上专门考虑了满足集功耗低、实时性强的工业级嵌入式产品领域的特点。在性能相同的条件下,STM32产品功耗比同级别产品要低75%,工作环境温度达105。本文将从ST公司的以Cortex-M3为内核的STM32微处理器STM32F107和在UCOSII操作系统上加上的图形界面显示嵌入式图形支持系统UCGUI为主要切入点,同时简略介绍TFT液晶屏的发展史和STM32相较于C51单片机体现出的卓越性能。STM32的硬件组成和技术特点、效用以及硬件驱动和软件性能,STM32开发板程序的开发、STM32程
17、序采用UCOSII操作系统也是笔者研究的重要方向。1.3系统设计框架系统的设计采用了框架结构将整个系统分为两个部分分别为监控终端部分和手机监控部分。智能监控终端主要负责实时采集烟雾浓度和天然气浓度信息,可实时把监控信息通过WIFI模块传输到智能手机上,还可通过WEB网页查看实时数据以及设置传感器参数等。另外,智能监控终端在监测到烟雾或者天然气浓度超过阈值时,不仅有声光报警,还可以通过GPRS模块呼叫预设的报警电话。ANDROID智能手机可通过WIFI模块与监控终端进行无线通讯。可以实时获取到烟雾和天然气的浓度数据,并且可记录数据,显示数据,并且可设置传感器的报警阈值等参数。另外在产生超阈值报警
18、时,手机有多种提醒方式。智能监控终端实现功能如下:(1) 实时获取烟雾,天然气传感器数据。(2)传感器数据实时显示在LCD屏上。(3)实时通过WIFI传输传感器数据。(4)内嵌WEB服务器,可通过网页查看传感器数据,并且可以设置传感器阈值参数。(5)具有声光报警提示方式。(6)可通过GPRS模块呼叫指定电话或者发短消息。 ANDROID智能手机实现以下功能:(1)实现以表格和文本方式显示传感器数据。(2)可设置传感器阈值等参数。(3)当有超阈值报警时,可播放警示音。 那对于本设计而言,其最主要的目的是通过烟雾传感器的接收的模拟电压信号再到ADC(12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。它有
19、18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中)的转换数据后得到数字信号通过UCOSII操作系统上的图形显示系统UCGUI来实现实时监控显示。1.4 本设计的优越性 国外从20世纪30年代开始研究及发展烟雾传感器,且发展迅速,一方面是因为人们安全意识增强,对于环境安全和生活舒适性要求的提高;另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的行为。据有关统计,美国1996-2002年烟雾传感器年均增长率为27%-30%。随着传感器生产工艺水品逐步提高,传感器日益小型化、集成度不断增大,使得
20、烟雾检测仪器的体积也逐渐变得小而实用,提高了烟雾检测仪器的便携性,更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月,日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器,次年12月其改良产品问世,改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体,可以安装在浴室或者采用集中监视。 我国在70年代初期开始研制烟雾报警器,生产型号多样、品种较安全,应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器,产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上,进行研究与开发形成自己的特色。进年来,在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。随着科技的不断发展,越来越多的适应各种工作环境
21、的报警电路在不断的开发和出现以满足人们的需求。笔者查阅中国知网,发现探讨天然气监控终端的论文数量众多,关键词涉及“天然气监控”的文献数量甚至达到了10424条搜索结果。但是其所使用的处理器分别涵盖了SPACE061A、CAN总线、PLC、SCADA、MCGS等,统共涉及到加气站的网络监控设计、配输站的远程计量、运输管道中的安全监控、天然气净化厂的监控、液化天然气厂的监控等,而探讨以STM32处理器为搭载且目标受众主要为普通家庭的天然气烟雾监控系统的文献,则少之又少。本设计运用的基于STM32F103开发板的天然气以及烟雾监控可以说是目前市面上较为先进的技术,STM32系列基于专为要求高性能、低
22、成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。它相对于目前别的处理器有: (1) 兼容性好(2) 速度快:代码运行、中断相应、位操作(3) 代码小:16位/32位Thumb2指令(4) 功能全:IC2/SPI/UART、USB/CAN(5) 价格低:一般在十多元四十多元人名币2烟雾传感器模块2.1烟雾传感器的硬件特性和特点2.1.1烟雾传感器的选择 烟雾传感器属于气敏传感器,是气-电变换器,它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转换成电压或者电流信号,通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机,进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。转换器作为烟雾检测报
23、警器的信号采集部分,是仪表的核心组成部分之一。由此可见,传感器的选型是非常重要的。2.1.2烟雾传感器的介绍 烟雾传感器种类繁多,从检测原理上可分为三大类:(1)利用物理化学性质的烟雾传感器:如半导体烟雾传感器、接触器烧烟雾传感器等。(2)利用物理性质的烟雾传感器:如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。(3)利用电化学性质的烟雾传感器:如电流型烟雾传感器、光势型气体传感器等。 烟雾传感器满足的基本条件一个烟雾传感器可以是单功能的,也可以是多功能的;可以是单一的实体,也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是。任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件:(1)能选择性地检测某种单一
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