室内气体检测系统总体设计报告

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室内气体监控系统

总体设计报告

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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