西安海禄科技-西安建大培训室内气体监控系统总体设计报告总 页 第 1 页 编号1-3-1一、系统概述 1.系统简述采用意法公司推出的STM32单片机作为“室内气体监控系统”的控制核心。

模拟环境时采用气体检测模块MQ-2对气体质量进行检测，利用STM32中的输出电平对电机的启动进行控制。

系统以STM32单片机为控制核心，由烟雾传感器进行数据采集，将采集到的数据交由控制器处理，控制器将数据进行分析处理，若超出设定指标，则通过串口将控制量发送到执行机构控制风扇转速，改善空气流通速度。

同时在烟雾超标时会有报警显示，当风扇将烟雾降到规定指标以下时，报警取消。

上位机实时显示各器件工作状态及当前数据，并通过RS232向STM32发送控制命令。

硬件设计使用塑料收纳盒、风扇，系统整体初始保证平衡，上位机与STM32间的数据通信采用RS232。

基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了模拟环境内气体的监控与平衡控制。

2.系统结构系统整体结构如图1所示。

图 1 系统整体框图项目名称：室内气体监控系统系统实物模拟连接图如图2所示传感器STM32传感器放大器继电器放大器继电器12V 开关电源风扇风扇图 2系统实物模拟连接图2.1系统结构的组成本系统主要由主控制器、烟雾检测模块、放大电路、稳压电路、继电器、风扇、报警电路、开关电源等模块组成。

室内气体监控系统期望的功能是当系统内气体质量发生改变时，安装于模拟环境内的MQ-2气体检测模块实时采集数据，并将采集到的气体浓度相关数据传送至主控制器。

主控制器将数据进行处理，对比设定指标，得出是否需要对该环境气体质量进行改善，换算为输出的0-3.3V电平信号，通过三极管放大后，将该电平信号传送给5V RU继电器，驱动风扇工作，改善空气流通速度。

安装于桶壁上的传感器信号再次反馈到STM32单片机，与设定值相比较，形成一个闭环反馈，从而使桶内气体质量保持一个相对健康的指标。

2.2开关电源开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成，开关电源与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小），功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。

一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。

也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。

他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单2.3烟雾浓度控制分析本系统采用烟雾传感器模块进行检测烟雾浓度并输出相应的电压，当监测数据大于设定值时，风扇启动进行室内气体与外部环境气体交换，直到达到设定值，电风扇停止，达到气体浓度控制的目的。

2.4放大电路本系统采用三极管作为系统的放大电路。

(1)三极管的放大原理三极管特性是基极控制集电极电流,所以一个NPN型三极管的集电极接电源正极,发射极接电源负极,基极不接电源的任何一端,或者接负极时,集电集和发射极没有电流通过。

如集电极和发射极有电流通过,说明三极管漏电或损坏。

基极电流在一定的范围内可以控制集射电流的大小,这个范围就是放大区。

当基极电流再增大,管子集射电流会达到饱和,此时基流的再增加已经不能使集射电流增大了,饱和电流的大小不受基极电流的控制而只受外电路的控制。

当外加电源时,比如信号、直流时,必须和发射极对地电位相同,正电时三极管导通,0.6V以下或负电时截止。

由此得出：NPN型三极管在基极电压达到0.7V时,开始导通有电流,随着基极电压增大,三极管进入放大区,集电极电流增大;基极电流增大到一定值时,三极管进入放大饱和区,此时再增大基极电压,集电极电流增加很小。

而基极电压小于0.7V,或者为0、负电时,三极管没有电流通过,称为截止。

注：任何时候三极管不应该处于最大电流及最大电压(当然也不能在最大功率)下工作,否则极易永久性损坏。

2.5继电器本系统采用HK4100F-DC5V-SHG型继电器。

继电器主要作为系统的驱动电路，继电器引脚的示意图如图3所示。

图3 继电器引脚的示意图2、5为线圈1、6为公共端3、4一个常开一个常闭继电器的三维视图及电气图如图4所示。

图4 继电器三视图模型a 继电器正视图b继电器侧视图c 继电器电气图d 继电器俯视图其驱动原理如下：(1)当STM32单片机的引脚输出低电平时，三极管饱和导通，＋5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示的发光二极管也点亮，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。

(2)当STM32单片机的引脚输出高电平时，三极管截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示的发光二极管也熄灭，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。

注：在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D1的保护作用。

3.系统功能及指标3.1功能指标该系统主要由控制中心，检测装置，驱动装置以及执行装置构成,其各个装置所执行的功能如下：(1)控制中心：采用STM32单片机，主要负责对检测装置信号的接受以及对该信号的处理；(2)检测装置：由烟雾检测传感器组成，主要负责系统内部对于烟雾浓度的检测；(3)驱动装置：由三极管9013NPN构成，主要用于单片机输出电平信号的放大；(4)执行装置：由风扇以及继电器组成，继电器用于控制风扇的启动，风扇用于系统内的排风。

3.2技术指标本次设计所选箱体大小为70L(620*440*330),气体浓度指标为200ppm,将密封箱体中烟雾快速降到指标以下,假定风扇尺寸为80*80*25，额定电压为12V，转速为180010%rpm，风量为21CFM，10s内将箱体内气体进行一次更换。

二、系统方案设计1.实验对象设计1.1箱体选择：长方体(1)产品材质：聚丙烯原料PP(2)产品尺寸：620×440×330（mm)(3)产品总容量：70L(4)选择理由：与纸箱、铁桶等材质的产品相比较，所选塑料箱子具有以下优点：1)尺寸形状模拟真实房间比列，具有较实际的试验意义；2)价格适合，便于携带，样式美观；3)良好的耐热性、良好的力学性能，其强度和硬度、弹性都比较适宜，后期方便箱子加工、打孔；4)试验后，还可以重复利用，不浪费，收纳一些生活小物品；5)材质无毒、无臭、无味，具有健康的实验环境。

1.2 箱体开口位置及开口尺寸开口位置在箱体的上方，两侧各开一个口安装风扇，分别作为排风口。

对于重力场中的不可压缩均质流体，方程为p+ρgh+(1/2)*ρv^2=c 式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和速度；h为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量。

根据伯努利方程可以看出，流速快压力低压强小，流速慢压力高压强大。

所以选择此方法排风不会在拐角造成气流回旋。

开口形状近似为八边形，故其面积可由风扇的尺寸减去四个边角的面积得到，具体效果如图5所示。

排风口尺寸大小由计算得出为：(1)风扇的面积为：80mm*80mm=64cm2(2)四个边角的面积：1/2*2.67*2.67=3.56cm2(3)单个排风口尺寸的大小：64-3.56=60.44cm2(4)总排风口大小：60.44*2=120.88cm2为确保箱体有足够进风量，在箱体一侧开有进风口，其尺寸大小为：107*94=100.58cm2，箱体总开口尺寸为100.58+120.88=221.46cm226.726.78080图5 风扇开口效果图1.3 风扇的选择根据公式P=Q*P(压力)/60*1000*风机效率*传动效率可得到风扇功率，进而选择合适的风扇。

假设风扇风量为21CFM ，由1CMM=60CMH=35.245CFM=1000LM 可得，风量Q 为0.6CMM 。

由此可大致算出风扇功率为0.9w 。

该风扇的风量可换算为：1000/35.245*21.8=618.53LM 。

将箱体内气体排出的时间为：t=70L/618.53LM*60s=6.8s, 风扇出风口的风速计算公式：V=Q/F (3-1)(V 为风扇的风速，Q 为风扇的风量，F 为箱体的横截面积，代入数据可得，V=0.515m/s)综上选择XFAN80型风扇，该风扇为电压12V ，电流0.08A ，转速为1800npm,风量21.8CFM 。

两个风扇同时工作可在7s 将箱体内气体更换，考虑开口及其他影响时间或许有出入，但满足预期设计要求。

2.控制系统设计2.1电源电路的设计本系统的电源选用S-75-12型开关电源。

开关电源功耗小，效率高；体积小，重量轻；稳压范围宽。

(1)需要供电的器件为：负载风扇12v，继电器、传感器以及STM32单片机各5V，所以电源电路供电分为以下三部分：1)风扇部分：本系统使用外部220V交流供电，利用S-75-12型开关电源将220V交流电压转换为风扇工作的连续直流12V电压。

2)三极管部分：经过L7805CV三端稳压集成电路将12V电压转换为5V电压以供C9013型三极管放大电路工作使用。

3)传感器部分：经过L7805CV三端稳压集成电路将12V电压转换为5V电压同时供MQ-2型烟雾传感器工作使用。

(2)开关电源对器件的供电方式开关电源可以对风扇进行直接供电,对于继电器、传感器以及STM32单片机所需要的5v电压可通过芯片7805将其转换成5v。

这里继电器由相应的三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的端口为高电平，＋5伏电源通过电阻使三极管导通，所以开机后继电器始终处于吸合状态，如果我们在程序中给单片机一条：CLR Pn或者CLR Pn的指令的话，相应三极管的基极就会被拉低到零伏左右，使相应的三极管截至，继电器就会断电释放，每个继电器都有一个常开转常闭的接点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单。

2.2 MCU最小系统的设计本系统采用STM32 PZ6806L型开发板，其中STM32F103ZET为核心板，其管脚图如图6所示。