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多功能井盖系统设计

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 219次

于沛然,孙秀云,葛汝凡,邢新坤,张朋

(德州学院 机电工程学院,山东 德州253023)

摘要针对城市绿化的需求与国家水资源紧张的问题,本文基于STM32单片机设计了具有雨水收集功能的井盖系统。该系统首先收集并过滤净化雨水,并进行存储,然后根据DHT11温湿度传感器采集的周围环境数据,单片机控制继电器的开关,从而控制水泵是否抽取存储的雨水进行喷洒任务。该系统将整个工作过程的数据由GSM无线模块发送至远程工作人员,实现了远程控制。为了保证工作人员的安全,该系统应用MQ2气体传感器设计了井下气体浓度检测电路,防止甲烷等气体爆炸事故。最后,设计了系统外观模型,并充分考虑了喷洒的高效性和系统防水问题,提高了该系统的工程实用性

关键词:STM32;井盖系统;雨水收集利用;远程监控

Design of Multi-function Sewer Cover System

Yu Pei-ran, Sun Xiu-yun, Ge Ru-fan, Xing Xin-kun, Zhang Peng

School of Mechanical and Electrical Engineering, Dezhou University, Dezhou 253023, China

Abstract: For the demanding of city green and the  short of water resource, this paper design the sewer cover system with the function of collecting the rainwater based on the STM32 single-chip. Firstly, the system collects, filters and stores the rainwater. According to the surrounding data from the temperature and moisture sensor, then the single-chip control the relay, which control the water pump to draw the stored rainwater and perform the spraying the green plants. For remote monitoring the system, the working data is transmitted to the remote working man by GSM model. To protect the safe of working man, the gas sensor MQ2 is applied to detect the concentration of the gas under the cover and to prevent the accident of gas explosion. Lastly, considering the high efficiency of spraying and the problem of water proof, the appearance is designed to improve the engineering value of the sewer cover system.

Keywords: STM32; sewer cover system; collection and using of rain water; remote control


1.设计思路

随着现代社会科技与经济的不段发展与进步,城市生活用水、生态用水和工业用水大幅度增加,因此,水资源匮乏是我国面临的一个重大问题。但是,每年夏季很多地区雨水过多造成的洪涝灾害又十分严重。因此,水资源匮乏和洪涝灾害之间的矛盾,是很多国家都急需解决的一个问题。为了防止洪涝灾害发生,每个城市都会修建复杂的排水系统网络,且会设置很多检查井,以保证排水系统的正常工作和方便维修。如果将这些排到地下的水资源进行回收利用,既可以减轻城市排水系统的负担,也可以解决水资源匮乏的问题[1,2]。因此,在城市中分布广泛的检查井系统网络基础上,本文设计了具有雨水回收和再利用功能的多功能智能井盖系统。

本文设计的具有雨水收集与喷洒功能的井盖系统,它首先收集井盖周围的雨水,过滤除去大颗粒杂质,将净化的水储存于井盖底部的蓄水装置中,当雨量较大时,蓄水池的水可溢出排入下水道;然后温湿度传感器监测周围的绿化带,当周围比较干燥时,启动电动水泵抽取蓄水,来灌溉城市绿化带。另外,检查井下长期累积的可燃和有毒气体(例如一氧化碳、硫化氢),不仅会对检查工作人员造成伤害,而且可能会发生燃烧和爆炸,从而伤及周围居民。针对该问

题,本系统还设计了井下气体检测环节,利用手机通讯系统,实时给监控人员传输井下的环境数据,为工作人员和城市居民提供安全保障。

2.系统硬件电路设计

为了实现上述功能,本文利用单片机设计了多功能井盖系统,其系统总体结构如图1所示。整个系统采用太阳能电池板进行供电,DHT11温湿度传感器和MQ2可燃气体传感器采集系统周围温湿度和气体浓度,并传输给系统控制核心STM32单片机;单片机根据周围环境信息输出控制信号,控制继电器的开关,从而控制水泵的起停。另外,该系统还通过GSM模块进行信息的远程传输和监控。

1  系统总体结构框图

2.1单片机及外围电路

为了完成上述功能,本系统选择意法半导体的STM32单片机。该单片机采用的是Cortex-M3内核,在低功耗、低成本、高性能三方面具有突破性的创新,且具有四组GPIO口,每组16个[3,4]。综上所述,该单片机适合于本文所设计的多功能井盖系统。

 

2 单片机及其外围电路

为了保证单片机正常工作,外围电路设计如图2所示。其中,晶振(Y1、Y2)与启振电容(C13、C14、C15、C16)产生单片机的工作频率,其频率为8MHZ;电容(C17、C18、C09、C10、C11)用来滤除工作电流和电压中的干扰;整流二极管(D1)是为了整流与防反接。上述电路保证了控制核心单片机的正常工作。

2.2电源管理电路

本系统采用太阳能电池板进行供电,其输出电压为12V,功率为100W,而STM32单片机的工作电压是3.3V,传感器DHT11、MQ2和继电器的工作压为5V,因此,本系统分别设计了3.3V和5V电压电路。

2.2.1 5V电压电路设计

 

3  5V电压电路

在图3所示的5V电压电路中,稳压电路的核心原件是LM7805三端稳压器,具有过热保护,短路保护的功能,最高输出电流是1A,输出电压为5V,外围电路中的100UF和47UF电容起到了滤出供电电源中的杂波,减少对单片机的干扰[5]

2.2.2  3.3V电压电路设计

    在图4所示3.3V电压电路中,稳压电路的核心原件是LM117三端稳压器,输出3.3V电压,用于STM32的电源,外围电容C5 、C6、C7、C8起到滤波的作用,避免噪声和杂波对传感器产生干扰[6]

 

4 3.3V电压电路

2.3传感器检测电路设计

2.3.1  可燃气体检测电路设计

 

5  MQ2电路设计

井下环境中可燃有毒气体的主要成分是甲烷,甲烷与空气混合后遇火能引起爆炸的浓度范围为4.9%~16%(低于下限不燃烧,高于上限安静燃烧)最剧烈爆炸浓度约为9.5%。因此,本系统采用MQ2可燃/有害气体监测传感器,它对甲烷的检测范围为5000mg/L-20000mg/L[7]。根据传感器特点和系统功能要求,气体检测电路设计如图5所示。该检测电路包括模拟量和TTL电平两种输出信号形式。其中,模拟量由MQ2的引脚直接输出;TTL电平利用LM393电压比较器进行信号转换并输出。

2.3.2温湿度检测电路设计

经过调查可知,适宜喷洒作业的温度一般是0-50℃,湿度环境是20-90%,该范围基本能够满足全国大部分地区[8]。因此,系统选择集成电路DHT11作为温湿度传感器,该传感器可以直接输出数字信号,可以与单片机直接进行数据通讯,使用方便,且测量精度满足系统需要,分辨率高分辨。与单片机连接电路设计如图6所示。

 

6 DHT11实物与电路设计

2.4无线通信电路设计

GSM通信方式具有成本低,信号好,传输距离不受限制的特点,因此,本系统利用GSM集成模块实现远程数据传输。所设计的多功能井盖系统采用一款高性能工业级的GSM/GPRS模块——SIM900A,工作频段双频-900/1800MHz,且以低功率实现语音、短彩信、GPRS数据的传输,工作电压为8-15V,采用RS232或TTL串口与单片机进行通信[9]

 

7  GSM模块实物

2.5 继电器电路设计

 

8 继电器电路设计

水泵的启动与关闭采用继电器开关电路进行控制,STM32单片机IO口上的最大输出电路仅为25mA无法驱动继电器(K1),因此设计了三极管(Q1)驱动电路,而其中的二极管(D1)的作用是续流,防止继电器关断时产生的反感应电动势对其它器件产生损害,其电路设计如图8所示。本系统采用了NPN型的8050三极管,当单片机输出高电平时,三极管导通,继电器闭合,水泵启动。

3.外形及防水设计

了减小井下潮湿环境对系统械构件和管路的影响,管路采用防水性能好且耐腐蚀的PVC材料,系统电路外壳使用玻璃胶橡胶圈做防水密封处理。中间圆形通孔安装一可伸缩的喷头,周围设有若干窄孔,用于收集雨水,同时内部安装过滤网可防止大块垃圾进入。

 

9  外形实物图

4.系统软件设计

 

10  系统程序流程图

本文所设计的智能井盖系统的温湿度传感器采集井盖周围环境数据,单片机经过分析处理,决定是否打开喷水水泵,系统还设置了井下可燃气体和有毒气体的监测功能,整个过程的系统数据还通过无限通信模块发送给系统管理人员,实现了远程监控。若需要浇灌绿化带时,继电器控制水泵打开,执行浇灌任务,当检测到湿度数据达到要求之后,浇灌任务结束,关闭继电器。根据系统功能,系统程序流程图如图10所示。

4.总结

本文利用STM32单片机设计了智能井盖系统,该系统中温湿度传感器DHT11采集井盖周围环境数据,单片机根据环境数据,应用继电器控制喷水水泵的起停,另外,系统还应用MQ2传感器对井下可燃气体和有毒气体进行监测,保证检查井周围居民和维修人员的安全。系统允许过程中的监控数据还通过无线通信模块发送给系统管理人员,实现远程监控。该系统充分利用雨水资源,在减少政府财政支出、促进经济增长和缓解水资源匮乏等方面都会发挥积极作用。

参考文献

[1] 马爱丽曹梦宇唐玮璇李伟郑黎明.基于智能井盖的物联网+市政一体化系统,物联网技术,2016(3):105-107.

[2] 赵娟. 对道路井盖的安全性设计研究,大众文艺,2015(22):60-61.

[3] 意法电子公司.STM32数据手册[Z].2011.

[4] 刘军,张洋,严汉宇,等.例说STM32[M].北京:北京航空航天大学出版社.2011.

[5] 杜江淮. 一种基于单片机系统的便携式数字稳压电源设计

安徽职业技术学院学报,2016.6,15(2):18-21.

[6] 美国半导体公司,可调三端稳压器,电子质量,2001,12,64-66.

[7] 兰建军,辛红伟,张玉财.气体传感器在液化气泄漏检测中的应用,传感器与微系统,2012,31(9):139-141,145.

[8] 李长有,王文华.基于DHT11温湿度测控系统设计,机床与液压,2013.7,41(13):106-107,97.

[9] 霍涛,贾振堂.基于STM32和SIM900A的无线通信模块设计与实现,电子设计工程,2014.9,22(17):106-110,114.



 

 

 

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