【基于STM32廚房安全環(huán)境監(jiān)測的設計與實現(xiàn)9400字（論文）】

4基于STM32廚房安全環(huán)境監(jiān)測的設計與實現(xiàn)TOC\o"1-3"\h\u269431緒論 [20]。高質(zhì)量，響應速度快，抗干擾能力強，簡單易懂且性價比高，最終考慮選擇了此款的傳感器。圖7為DHT11的模塊原理圖。圖7DHT11原理模塊圖3.3MQ-7煙霧傳感器MQ-7煙霧傳感器的測量性能比較高，工作流程大致為，首先是采集數(shù)據(jù)，然后將采集到的進行傳輸，傳輸過程中經(jīng)過一個放大電路后到STM32單片機，進行數(shù)據(jù)的處理，處理完畢后，把數(shù)據(jù)傳到LOED顯示模塊和報警模塊上，從而實現(xiàn)該課題研究的目的。圖8為MQ-7煙霧傳感器采集的流程圖。圖8MQ-7煙霧傳感器采集流程圖MQ-7煙霧傳感器中是為二氧化錫(SnO2)的氣體敏感材料，傳感器的電導率是隨著空氣中一氧化碳氣體濃度的增加而增加變化的，對一氧化碳的檢測效率特別高，而且在簡單的電路中就可以將電導率的變化轉換為測試到的氣體濃度對應的輸出信號。原理模塊圖如圖9所顯示。

圖9MQ-7煙霧傳感器原理模塊圖3.4OLED 顯示模塊OLED顯示模塊的為0.96OLED。該模塊的器件最大的特點就是核心厚度很薄，小于1mm，其低溫特性好，且不需要背面光源，因為采用的是二極管會自然的發(fā)光，供電電壓可以是3－5V，模塊本身帶由中文字庫芯片，所以使用起來很方便。圖10OLED顯示模塊

3.5報警模塊此報警模塊可以將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機中，經(jīng)過處理，首先我們可以在外設置報警溫度的范圍，如果超過設定的值，微控制器就會自動的進行處理分析，通過蜂鳴器進行報警，發(fā)出警報，從而形成了一個報警模塊。模塊原理圖如圖11所示。圖11報警電路原理模塊圖3.6斷電檢測模塊在本次設計中，查閱資料后發(fā)現(xiàn)C2000DH08型號的模塊是很合適的，此模塊220v就有八個輸入，并且有八路集電極開路輸出?？梢詸z測每一路的暢通狀況，從而可以在0和1之間互相轉換，極大的方便了此設計的過程。模塊原理圖如圖12所示。圖12斷電檢測模塊原理圖3.7WIFI通信模塊在此設計中運用了WIFI模塊，別名為串行WIFI模塊，在OSI參考模型中的傳輸層。是將串行端口或TTL電平轉換為無線網(wǎng)絡通信標準的協(xié)議，IEEE802.11b.gn協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，這樣才能進行網(wǎng)絡傳輸。此模塊可以直接使用無線連接，達到智能的效果。本次的WIFI模塊為ESP8266，能耗低是它的特點，因為它是為了移動設備和軟件而設計，所以可以直接使用，就能聯(lián)網(wǎng)。如圖13。圖13WIFI模塊電路圖4安全廚房環(huán)境檢測系統(tǒng)的電路設計4.1溫度檢測電路STM32單片機與DHT11相連接，就形成了溫度檢測電路，具體連接情況如下圖圖14所示。DHT11的1號引腳連接到VDD上，電源為3.3v，STM32單片機的PB11引腳連接到DHT11的2號引腳，3號不用，最后的引腳用來接地。圖14DHT11與STM32相連電路4.2OLED顯示電路模塊的電源輸入端子為VCC_IN，在被U2降壓后用于U1，U4和其他電路。OLED屏幕驅動器需要7-7.5V的電壓，該電壓由SSD1306的內(nèi)置電荷泵提升SSD1306支持串行協(xié)議，例如并行，SPI和I2C也是支持的。該模塊通過三個引腳BS0-BS2接地，與U4漢字庫芯片共享SPI接口并已設置為SPI協(xié)議，工作時通過芯片的芯片選擇引用。讀寫時，目標芯片的CS引腳應設置為低電平。如圖15所示。圖15OLED顯示電路MQ-7氣體傳感器的內(nèi)部結構如圖所示。煙霧監(jiān)測模塊由三部分組成：煙霧信號采集和放大電路，A/D轉換電路和單片機控制電路。在此電路中，由兩部分組成，分別是采集模塊和模擬放大電路。主要是將收集的數(shù)據(jù)信號轉換為模擬的電信號。然后通過A/D轉換電路把已經(jīng)轉換模擬的電信號又轉換為為數(shù)字信號，完成這一過程后，把數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機進行處理分析，先是通過濾波，讀寫出一個完整的數(shù)字信號，最后呈現(xiàn)在oled上，呈現(xiàn)的數(shù)字要與報警模塊設置的值相對比，一旦超出了所設定的范圍，報警電路將會啟動，蜂鳴聲響起，反之則正常運行。為了更加直觀的看到信息，是把數(shù)據(jù)顯示在oled上的。4.2.1煙霧采集放大電路圖16采集電路圖16是MQ-7煙霧采集的電路，此電路的連接方式大致為這樣，煙霧傳感器的的DO端口與單片機的輸入輸出的端口連接，而AO端口連接的A/D轉換器的2號端口。當煙氣濃度開始變高的時候，輸出電壓升高到閾值電壓時，就會報警。反之，當煙霧濃度開始降低的時候，輸出電壓降低到閾值電壓時，就正常運行。所以通過調(diào)整閾值電壓來進行輸出報警，此研究的目的就達到了。4.2.2A/D轉換電路圖17為MQ-2煙霧檢測AD采集電路圖，經(jīng)過采集后便能取得每種煙霧濃度數(shù)值。在將收集到的信號變換為模擬信號之后，通過MQ-2的芯片轉換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號傳送給STM32單片機進行處理分析，最終實現(xiàn)功能。圖17為MQ-2煙霧檢測AD采集電路圖，經(jīng)過該電路轉換后就能獲得煙霧濃度數(shù)值。圖17A/D轉換電路模塊圖4.3報警電路此設計的報警電路，它主要是通過三極管的基極串聯(lián)了一個電阻，經(jīng)過電阻連接到STM32單片機上，這是一個比較簡單的電路，實驗起來方便易懂。圖18則是報警電路的原理圖：GNDGNDVCC蜂鳴器R1PA11圖18報警電路5系統(tǒng)的軟件設計5.1系統(tǒng)的主流程圖本次基于STM32溫度煙霧傳感器檢測系統(tǒng)的流程圖如圖19所示，首先是初始化，然后數(shù)據(jù)采集，通過STM32單片機進行分析處理，一直反復的采集，處理，在oled上顯示。開始開始系統(tǒng)初始化溫度、煙霧采集STM32單片機OLED顯示結束 圖19溫度煙霧傳感器檢測系統(tǒng)流程圖5.2STM32類型單片機的參數(shù)配置首先，我們配置STM32的時鐘電路。具體步驟如下：HSI是高速內(nèi)部時鐘，其頻率要設置為8MHz，這樣才能穩(wěn)定工作。HSE是高速外部時鐘，其頻率范圍大概設置在4-16MHz左右。LSI是低速內(nèi)部時鐘，40kHz為基本參數(shù)。然后，我們配置ADC1上的通道零來進行A/D轉換：首先把PA口設為開啟，PA0位設置為模擬輸入。在設置PA0之前，要對PORTA時鐘進行測試。設置分頻系數(shù)，設置ADC1的分頻系數(shù)，為低于12MHz。設置ADC1的工作模式和規(guī)則序列相關信息。開啟并校準AD轉換器，最后對ADC的值進行讀取。5.3DHT11溫度傳感器與單片機接口設置在DHT11上，DATA的功能是使用單一數(shù)據(jù)格式來完成微處理器與DHT11之間的同步和通信。具體步驟如下： 如果完整的數(shù)據(jù)傳輸為50bit，則采用高階先出法，則數(shù)據(jù)格式為：當正確傳輸溫度數(shù)據(jù)的十進制和整數(shù)部分的校驗和數(shù)據(jù)時，校驗和數(shù)據(jù)等于溫度數(shù)據(jù)的整數(shù)和十進制相加結果的最后8位。當接受到初始信號時，DHT11傳感器就會從原先的低功耗模式調(diào)換到高速的模式。當響應完成后，就會發(fā)出一個為50bit數(shù)據(jù)的響應信號，并完成數(shù)據(jù)收集，這就是一次完整的數(shù)據(jù)采集。在以下情況下會自動的從高速模式轉換為低耗模式，就是在高速模式下，如果DHT11傳感器沒有收到初始信號，那么傳感器將不會自動的收集數(shù)據(jù)，從而無法實現(xiàn)起目的，所以在這個地方需要注意。一開始的時候，大部分的總線的狀態(tài)是為高電平，當我們向它發(fā)送初始信號時，主機將總線的高電平拉低（大于18ms），并等待DHT11響應初始信號。接受到信號后并發(fā)送一個低電平信號，可以將其切換到輸出模式或者為高電平狀態(tài)。當然，也有可能總線的狀態(tài)為低電平，那么DHT11就會不響應。這時，我們就需要檢查線路問題，看看接線是否又漏缺的，用萬用表檢測有沒有虛焊的。最后一位的數(shù)據(jù)傳輸完成后，DHT11就會將總線拉低到初始值，最終到達一個空閑狀態(tài)，為高電平就是正確的。具體的流程如下圖20所示：圖20DHT11通信過程5.4MQ-7煙霧傳感器與單片機通信流程圖MQ-7煙霧傳感器與單片機通信流程圖如圖21所示。當MQ-2在采集數(shù)據(jù)的時候，電導率的變化會隨著煙霧的濃度變化而變化。煙霧的濃度越大，那么導電率就會越大，成正比，導電率變大了，其電阻值就會變小，輸出的信號變大，最終就得到了清晰的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理判定級結束發(fā)出警報開始采集煙霧信息YN圖21MQ-2與單片機流程圖當傳感器采集煙霧時，將不可避免地改變晶界處的阻擋層。所以，傳感器表面的電導率改變，由于電阻不平衡的分布導致了電壓會再次的改變。當達到了預設數(shù)值的時候，采集到的數(shù)據(jù)將通過內(nèi)部放大電路進行傳輸，最終實現(xiàn)報警功能。該煙霧傳感器是由三部分組成，分別是兩個電阻線引腳，兩個輸入引腳和兩個輸出引腳。其中兩個輸出引腳端是接在一個信號放大器上的，主要功能是信號放大。5.5WIFI模塊ESP8266模塊支持三種工作模式：STA/AP/STA+AP。STA模式：該模塊通過路由器來訪問互聯(lián)網(wǎng)，可以使用手機或者計算機通過互聯(lián)網(wǎng)的方式來實現(xiàn)對設備的遠程控制。AP模式：ESP8266模塊可以成為熱點，供手機或者計算機使用，與模塊之間進行直接通信，進而實現(xiàn)局域網(wǎng)的無線控制。STA+AP模式：兩種模式共存，可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)無縫切換，操作方便。這次該系統(tǒng)使用AP模式來實現(xiàn)局域網(wǎng)的無線控制。WIFI模塊主要負責系統(tǒng)與手機WIFI之間的通訊，以實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。MCU和WIFI之間的通信主要通過串口實現(xiàn)。通過發(fā)送相關的AT命令，系統(tǒng)可以完成WIFI模塊的操作和相應的控制。其實現(xiàn)的部分軟件代碼如圖22：圖22WIFI模塊部分代碼

5.6OLED編程本次使用的OLED屏類性為0.96OLED。此類型顏色有很多，比如有白色、藍色、黃藍雙色等。之所以名字叫0.96OLED，看名字就知道，此屏的大小為0.96寸，其像素點為128*64，性價比高，容易上手。內(nèi)部驅動器IC是為SSD1306的，通信協(xié)議一般是SPI或I2C。如圖22所示，設置什么模式主要基于三個引腳BS0，BS1和BS2的電平邏輯。圖22MCU總線接口引腳的選擇由于DC引腳電平的不同，所以地址通常為0111100和0111101。我們一般將DC引腳設置為接地，用它來作為I2C協(xié)議的7位地址為0111100。將I設備的7位地址設置為0111100，可以寫入數(shù)據(jù)，不用讀取數(shù)據(jù)，所以從機地址為0x78。通信模式如圖23所示。從站地址開始發(fā)送命令字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)。但是，主機必須每次都要等待響應。圖23I2C總線數(shù)據(jù)格式5.7OneNET數(shù)據(jù)接收部分設計訪問ONENET平臺網(wǎng)址為/，進入右上角開發(fā)者中心，注冊用戶并登陸，根據(jù)文檔中心，創(chuàng)建產(chǎn)品，創(chuàng)建設備，創(chuàng)建數(shù)據(jù)流。然后就是上報數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)上傳到云平臺，可以在平臺的WEB界面中的設備數(shù)據(jù)顯示中查看報告的數(shù)據(jù)可以在平臺的WEB界面中的設備數(shù)據(jù)顯示中查看報告的數(shù)據(jù)。。6安全廚房環(huán)境檢測系統(tǒng)的電路調(diào)試與檢測6.1硬件系統(tǒng)總體的調(diào)試一開始，按著設計好的電路連接方式進行焊接與接線，完成后，就要對其進行檢測，檢測有沒有虛焊的，接線錯誤的情況，來防止在測試功能的時候導致功能無法正常實現(xiàn)，避免做無用功。首先是用我們的肉眼來觀察，根據(jù)畫的電路圖進行檢查線有沒有接錯，有沒有虛焊。再確認每個電路模塊的型號，規(guī)格和極性，以及元器件有沒有損壞，比如有根引腳斷了等問題。最后就是最科學的方法，就是用萬能表進行檢測，檢測整個電路是否通常，有無短路的情況，有的話就要一個個的模塊，部分進行檢查。我在調(diào)試的時候就遇到了一些困難，在快要完成檢查的時候，可能因為覺得沒啥問題了，就忽略了LED的極性，在測試的時候，發(fā)現(xiàn)報警燈不亮，最后再認真地檢查后，發(fā)現(xiàn)LED燈裝反了，最后改了下，就完成了調(diào)試，感覺細心還是挺重要的，不到最后一刻堅決不放松。當然，在運行的過程中也要觀察電路，元器件的情況，防止發(fā)熱，冒煙等特殊情況，最后，整個系統(tǒng)的功能是滿足了要求的，電路板以及元器件符合要求。6.2軟件系統(tǒng)總體調(diào)試軟件某些功能是依附在硬件的基礎上的，所以，在調(diào)試軟件之前，先把硬件給調(diào)試好，只有硬件和軟件都調(diào)試好了，在進行全面的調(diào)試，，即進行全面的調(diào)試，才能反饋整個系統(tǒng)的功能是否成功了。硬件調(diào)試成功后，就要對軟件進行檢測，尤其是有沒有語法錯誤，或者某些接口程序沒有編寫，導致功能無法實現(xiàn)，我用的是Keil編程軟件進行編寫程序，因為在學校也學習過此軟件，所以上手的快。編寫完成后需要編譯運行，如果有錯誤的話，上面會報錯，導致無法編譯運行，這有可能是語法錯誤或者無效的參數(shù)，需要仔細的檢查。當編譯運行完成后，再通過ISP下載口將程序燒錄到單片機中。因為沒有一氧化碳的設備來模擬，因此在測試的時候，使用打火機來模擬一氧化碳和火焰，來測試顯示功能，最終，完成了功能的實現(xiàn)。7總結人們對環(huán)境能夠進行實時檢測和掌握，這樣人們的居住的舒適度將會大大的提升，幸福感將會提升一大截，因而在此次的設計項目中，就設計出以STM32單片機為核心對環(huán)境監(jiān)控和報警系統(tǒng)，主要用于家庭廚房里，能降低家庭廚房里面因煤氣泄漏而引起的火災事故。此系統(tǒng)有溫度顯示，火焰和煤氣值的顯示，當煤氣超過設置的值時，就會報警，把信息發(fā)給用戶的郵箱里，進行報警提醒，從而用戶提前做出相對應的措施。且該系統(tǒng)相對簡單，易于理解，維修也簡單，可以廣泛應用于家庭，工廠，大棚等場所里，發(fā)展前景廣。在查閱了許多的資料后，主要是在網(wǎng)上，圖書館查閱資料和向老師請教，最終確認了這一研究方向，在設計過程中還是遇到了很多的困難，但也收獲了很多，除了在學校學以的51單片機，現(xiàn)在又了解使用了STM32的單片機，鍛煉了自己的自我學校能力以及獨自解決問題的方法，為后面的工作實習中奠定了基礎。此次設計中還有很多的不足，因為自身的經(jīng)驗及專業(yè)知識的不足。所以希望以后能在老師的指導下，不斷的完善此次的設計，我的愿望是能夠作用于社會，能對社會做出貢獻，讓生活更加智能，讓社會更加安全。

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