论文总字数：16849字

目 录

1引言 1

2小型移动空气检测装置的设计 2

2.1系统方案设计 2

2.2 系统硬件电路设计 2

2.2.1 主控电路设计 3

2.2.2有害气体检测模块设计 4

2.2.3可燃性气体检测模块设计 5

2.2.4有源蜂鸣器报警模块设计 6

2.2.5直流减速电机模块设计 7

2.2.6舵机模块设计 7

2.2.7红外火焰检测模块设计 8

2.2.8超声波距离检测模块设计 9

2.2.9 TFT-LCD显示模块设计 11

3 系统软件程序设计 11

3.1系统开发环境介绍 11

3.2 系统软件设计 12

3.2.1气体检测程序设计 13

3.2.2 超声波测距程序设计 14

3.2.3 红外火焰检测程序设计 15

3.2.4 舵机PWM驱动程序设计 16

4 实验测试及结果分析 17

4.1各功能模块测试 17

4.2整体系统功能测试 18

4.3系统测试误差分析 20

5 总结与展望 20

参考文献 21

附录 22

致谢 26

小型移动空气检测装置的设计

彭明飞

, China

Abstract:

This paper designs a small moving air detection device based on STM32 single chip microcomputer. The system consists of harmful gas detection module, flammable gas detection module, flame detection module, buzzer alarm module, ultrasonic distance measurement module, servo control module, and DC motor. Module, TFT-LCD display circuit and host microcontroller STM32F103ZET6 composition. When the system is working, the intelligent obstacle avoidance trolley is equipped with dangerous gas and flame detection module to enter the danger zone for detection. The steering gear at the front end of the car controls the ultrasonic distance measurement module to rotate 180 degrees to find the forward direction, when harmful gas detection module or flammable gas When the detection data of the detection module exceeds the standard, or the fire detection module detects an open fire, the buzzer module will issue an audible alarm to alert the firefighters..

Key words: Harmful gas detection; combustible gas detection; intelligent obstacle avoidance car; STM32 single chip microcomputer

1引言

当今社会，由于人们的防火、防危险气体泄漏意识比较差，再加上一些特殊建筑物的涌现，譬如，高层、地下建筑与大型的石化企业等。在它们发生险情时，常常需要消防队员亲自进入现场检测灾情。研究出帮消防救援人员远程在有毒和危险（不易燃和爆炸）建筑物，大型建筑物，大型仓库，氧气短缺，烟雾，放射性等其他室内和室外危险灾害现场，进行检测危险气体探测和火灾和危险气体警报的智能小车，以解决有关消防员人身安全，时间限制，数据收集量不足以及无法提供实时反馈的问题，这是非常必要的。设计通过制作智能避障市小车，以超声波避障为基础，实现危险环境下的气体探测的方法。

因为科学技术的快速发展，智能化也随之提出来更多的要求。研究智能化的机器人在实际应用领域中有非常大的进步余地。智能机器人技术是一项非常全面的技术，它里面蕴含了电子科技，智能算法，机械以及计算机等学科的先进知识。智能机器人科技包含了传感科技、调控科技以及信息科技里面的探测技术，它是信息科技和类似科技的良好载体。世界上大部分国家都开始重视智能机器人的能力与对未来科技的畅想，想要通过智能机器人打造未来的高科技社会。我国也已在这一方面做出了一些积极的努力。

危险气体检测和火焰检测机器人就是智能机器人研究应用之一，我国从八十年代末期开始消防机器人的研究。上海消防研究所和公安部等其他单位在这方面取得了很大的成果。在消防机器人的研究领域中，我国依旧处于起步阶段，尚有许多难关没有攻克。很多时候，消防员不能在较短的时间内到达高层建筑发生的火灾地或者是危险气体泄漏造成的危险地点。因为地下建筑的环境潮湿而且烟雾不易扩散，消防队员往往无法知道火灾发生在何处；而当一些石化企业发生火灾或气体泄漏的时候，消防员在其中容易中毒。综上所述，研究出能帮助消防员检测火灾地的空气质量的机器人有着重要的社会意义。

本文设计了一种基于STM32单片机的小型移动空气检测装置，系统的空气检测装置由有害气体检测模块、可燃性气体检测模块、火焰检测模块、蜂鸣器报警模块、TFT-LCD显示电路和主控单片机STM32构成。而智能移动小车则由超声波测距模块、舵机控制模块、直流电机模块构成。以STM32单片机为控制核心的系统可以进行处理和控制的操作，在设计的模拟的环境内，超声波避障传感器对小车的行进路线做出控制和指引，搭载危险气体以及火焰检测模块进入危险区域进行检测和报警，从而达到不需要人进入危险区域的目的。

由智能避障小车搭载危险气体以及火焰检测模块进入危险区域进行检测，小车前端的舵机控制超声波测距模块旋转180度角寻找前进方向，当有害气体检测模块或可燃性气体检测模块检测到的数据超过设定的阈值，或是火焰红外检测模块检测到有明火时，蜂鸣器模块发出声音报警，提醒消防人员，同时随行的工作人员能够根据TFT-LCD屏幕上显示的数据实时了解周围环境中，二氧化硫、烟尘、一氧化碳和甲烷气体的浓度。

2小型移动空气检测装置的设计

2.1系统方案设计

小型移动空气检测装置系统结构主要由信息采集单元和显示执行单元两部分构成。在这里面负责采集数据的模块是由MQ-135伤害气体检验单元、MQ-9可燃烧性气体检验单元、火焰红外检验单元以及超声波测量距离的单元构成的；显示执行部分则是由舵机控制单元、直流电机单元、TFT-LCD显示电路以及蜂鸣器报警模单元构造而成的。两个部分则是由STM32主控单元进行控制的^[1]。系统的总体框架如图2.1所示。

图2.1 小型移动空气检测装置系统框图

由STM32F103ZET6单片机控制各模块收集周围环境中的二氧化硫、烟尘等有害气体浓度以及甲烷和一氧化碳等可燃性气体浓度，同时检测附近有无明火，每个传感器采集到的数据显示在TFT-LCD显示屏幕上，供相关人员实时监测。判断火灾和危险气体含量，及时采取应对措施。小车通过超声波测距不断检测周围有无障碍物，判断其距离并寻找最佳的前进路线。

2.2 系统硬件电路设计

系统硬件电路的主控单元采用STM32F103ZET6单片机，外围传感器由有害气体检测模块电路、可燃性气体检测模块电路、红外火焰检测模块电路、蜂鸣器报警模块电路、TFT-LCD显示电路组成^[2]。

由于工作环境的要求，系统必须达到长时间可靠运行的要求，所以系统硬件电路的设计满足耐高温和低功耗等需要，采取了如下的措施：

1. 选用拥有高运行速度、低能耗且小巧优点的STM32单片机。
2. 系统工作的模式有两种：定时测量和连续测量。可以根据实际情况选择模式。在雨雪天等火灾和危险气体发生概率极低的情况下，采用定时测量模式，减小功耗。在晴天干燥等火灾和危险气体发生概率较高的情况下，采用连续测量模式。
3. 传感器均采用低能耗、高集成类型，延长系统的工作时间。

2.2.1 主控电路设计

系统硬件主控模块采用STM32F103ZET6作为硬件部分的主要控制单元。STM32F1系列属于中低端的32位ARM微控制器，它是一种嵌入式微型处理器。Acorn公司一直以来研究自己的微处理器内核架构，其推出的产品具有精简的CPU架构和高效的处理能力，因此大部分市场都由ARM微处理器所占据。甚至在现在的市场上面，ARM芯片在上网电脑的市场上面也有实力与INTEL的ATOM处理器一较高下。

STM32微控制器的最大工作频率为72MHz，在存储器的周期存取开始时可高达1.25DMips/兆HZ。内置2个12位模数转换器，1us转换时间，读取、写入速度快，可以满足火灾和危险气体检测的需求。程序储存器具有的最多512KB闪存提供了大量的编写代码空间。4-16MHZ晶振振荡器。内嵌出厂调试的8MHz的RC振荡器、可以调准的40KHz和32KHz的两种RC振荡器，内置产生CPU时钟的PLL。有着休眠、待机、关机3种状态，保证了电量的需求。里面存在2个DMA控制器，总用有着12个DMA通道：DMA1有七个通道，DMA2有五个通道。多达112个快速I/O端口。保证了数据的传递。定时器、ADC、SPI、USB、IIC和UART等多种架构都能够被完美的支撑。三个12位ADC的内部集成高效地解决了数字信号和模拟信号之间的转换。

采用STM32系列单片机最主要的优点在于性价比高，体积小，工作稳定，易于大范围地部署和应用，能够实现无人看管、自动检测；泛用性强，在多个平台上都可以自由使用；芯片性能强大，即使是处理大型的数据也没问题。

本系统硬件部分需要在危险环境下工作，可能面对高温和腐蚀性环境，选择STM32系列单片机完全能够满足本系统的设计要求以及技术要求。STM32主控芯片如图2.2所示。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：16849字

相关图片展示：