基于stm32的廚房燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言(一)廚房燃氣管理系統(tǒng)概述家用燃氣作為日常生活中最基礎(chǔ)的物資，燃氣安全問題也格外引人注目，然而我們卻經(jīng)常在電視等途徑看到燃氣泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)等等問題，使得燃氣安全在我們的生活中備受關(guān)注。伴隨著信息技術(shù)的進步發(fā)展的浪潮，智能家居逐漸普及，智能家居的覆蓋面也越來越廣泛，智能家居的信息化以及數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化的需求也在不斷提高。本設(shè)計將單片機通信技術(shù)與安全使用廚房燃氣緊密結(jié)合，是一款適合大多數(shù)家庭日常生活中使用的智能簡潔可靠安全的燃氣報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過燃氣傳感器，溫度傳感器和人體紅外傳感器獲取廚房燃氣，溫度及人員信息，并將信號發(fā)送到單片機微處理器，使受其控制的oled屏上實時的反饋當(dāng)前數(shù)據(jù)，當(dāng)可燃氣體傳感器所處的環(huán)境可燃氣體濃度超過用戶設(shè)定的安全閾值時，蜂鳴器報警電路會自動運行報警來提醒用戶注意燃氣安全。這不僅大大提高系統(tǒng)可靠性和智能性，也能更好的提醒廚房人員正確安全使用燃氣。(二)家用燃氣泄露報警研究的目的與意義小時候家里一般是奶奶幫我做飯，但人老了記性不太好，有好幾次都差點著了火，于是當(dāng)要求做畢業(yè)設(shè)計時就想著用已學(xué)的傳感器模塊組成一個簡易的燃氣檢測裝置，該系統(tǒng)由stm32芯片為核心，通過代碼實現(xiàn)與各個傳感器之間的互動，裝有燃氣檢測模塊，溫度傳感器，蜂鳴器，人體紅外傳感器等。通過設(shè)置不同的判定條件來使傳感器和蜂鳴器做出反饋。燃氣的不正確使用會對我們造成很大的危害。根據(jù)國家數(shù)據(jù)顯示2021年度大大小小的火災(zāi)不計其數(shù)，而引起火災(zāi)的主要原因就是天然氣等家用燃氣設(shè)備。如9月11日0時許，大連市普蘭店區(qū)一居民家中液化氣罐發(fā)生泄漏并造成爆炸。截至4時30分許，事故造成8人死亡，另有5人在醫(yī)院救治。2月11日青島市市南區(qū)一家居民發(fā)生疑似燃氣爆燃，即使火情很快被撲滅，但任然造成房屋內(nèi)2人死亡?？梢娙藗儗τ谔烊粴獾氖褂眠€存在些許問題，這就需要一個可以用來及時檢測及時預(yù)防及時提醒及時報警的燃氣檢測設(shè)備。有相關(guān)部門的專家經(jīng)過長時間測試，燃氣報警器防止燃氣泄露造成事故發(fā)生的有效率高達95%以上。相信有了這樣的設(shè)備以后家用天然氣引發(fā)火災(zāi)造成財產(chǎn)損失,人員傷亡的案列一定會大幅度減少。一.智能廚房管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(一)家用廚房燃氣管理系統(tǒng)整體設(shè)計根據(jù)家用燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)廚房空氣中燃氣濃度的檢測，廚房的溫度和濕度的檢測以及廚房是否有人員在的檢測。家用廚房燃氣管理系統(tǒng)選用stm32f103c8t6為核心，系統(tǒng)由DHT11溫濕度測量電路，MQ-4天然氣檢測電路，HC-SR501人體紅外檢測電路，OLED顯示電路和蜂鳴器報警電路組成。通過這些不同的電路配合以及單片機的控制，完成的家用廚房燃氣管理系統(tǒng)如圖1.0所示圖1.0家用廚房燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)框圖家用廚房燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，主要是通過stm32f103c8t6單片機控制系統(tǒng)驅(qū)動。智能燃氣管理系統(tǒng)中的廚房環(huán)境數(shù)據(jù)信號由溫濕度檢測電路，天然氣檢測電路和人體紅外檢測電路來分別進行環(huán)境中的溫度，濕度和天然氣濃度的檢測，等數(shù)據(jù)檢測完成后，人員可以通過oled顯示器上看到廚房中的溫度，濕度數(shù)據(jù)以及廚房中的天然氣濃度含量。在家用廚房燃氣管理系統(tǒng)運行時，若天然氣檢測電路檢測到空氣中天然氣濃度數(shù)據(jù)明顯變大超過閾值時，蜂鳴器模塊進行報警，提醒人員及時對燃氣進行處理，若燃氣濃度難以控制則應(yīng)當(dāng)趕緊疏散人員。(二)stm32f103c8t6單片機介紹及最小系統(tǒng)設(shè)計主控電路采用的是STM32F103C8T6單片機，該單片機是基于ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器，程序存儲器容量是64KB，需要電壓2V~3.6V，工作溫度為-40°C~85°C。電源電路，晶振電路，芯片電路和下載電路是設(shè)計出一個單片機的最小系統(tǒng)的主要部分。其中下載電路一般根據(jù)自己的需要有USB下載或者JTAG下載兩種下載方式進行選擇。如圖1是單片機的最小系統(tǒng)電路圖。圖1STM32F103C8T6單片機圖(三)燃氣檢測傳感器介紹及燃氣檢測電路設(shè)計MQ-4氣體檢測傳感器可以精確有效的通過電導(dǎo)率來檢測出甲烷丙烷以及丁烷的濃度變化。MQ-4氣體傳感器是一個低成本且檢測可燃氣體數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的傳感器。而且它的使用限制小，能使用的場合多，大多數(shù)的家庭內(nèi)的環(huán)境都可以用到該傳感器。MQ-4氣體傳感器的工作原理是它的氣敏材料為二氧化錫，在正常環(huán)境下對于可燃氣體的電導(dǎo)率隨著環(huán)境內(nèi)天然氣甲烷等可燃氣體的濃度變化，可燃氣體的濃度越高，氣敏材料的電導(dǎo)率也會變大，接著輸出的信號也會所變化，在oled上顯示的數(shù)據(jù)也就相應(yīng)的變化，這樣我們就能通過oled看到當(dāng)前環(huán)境的可燃氣體濃度變化了。在廚房環(huán)境檢測系統(tǒng)中，燃氣傳感器實時運行檢測廚房燃氣濃度并采集數(shù)據(jù)，輸出信號給單片機，通過天然氣濃度是否超過閾值來判斷蜂鳴器是否報警，完成的燃氣檢測電路見圖2。圖2燃氣檢測電路(四)人體紅外傳感器介紹及人體紅外檢測電路設(shè)計HC-SR501是基于紅外線感應(yīng)技術(shù)的自動控制模塊，工作模式為低電壓工作靈敏度高，可靠性強。HC-SR501模塊靈敏度高，只要感應(yīng)到附近有物體移動時，他就會產(chǎn)生一個高電。但是它的檢測間隔有大概3s，在這3s內(nèi)無論怎么在傳感器附近移動，都不會使數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化。人體紅外檢測電路在廚房燃氣管理系統(tǒng)中用于檢測人員信息，當(dāng)有人靠近時，人體紅外傳感器持續(xù)輸出信號，并在把采集的信號傳輸給單片機。如圖3為人體紅外檢測電路。圖3人體紅外檢測電路(五)溫濕度傳感器介紹及溫濕度檢測電路設(shè)計DHT11是配有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的傳感器。該傳感器的溫濕度的測量量程廣，適合普通家庭室內(nèi)的所有情況檢測。它又具有極高的可靠性，他的溫濕度測量結(jié)果的精確度數(shù)據(jù)誤差都不超過5%，優(yōu)秀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定的使用壽命來自于它專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。廚房環(huán)境檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，DHT11溫濕度傳感器實時運行監(jiān)測廚房環(huán)境空氣中溫度、濕度數(shù)據(jù)。如圖4為DHT11溫濕度檢測接口電路圖。圖4DHT11溫濕度檢測電路(六)有緣蜂鳴器介紹及報警電路設(shè)計有源蜂鳴器內(nèi)部帶振蕩源，所以相對于無源蜂鳴器而言，有緣蜂鳴器只要插上電源就能產(chǎn)生聲音。在3.3V-5V的區(qū)間內(nèi)的電壓輸入都可以讓它正常工作。并且程序方便控制，單片機任意輸出高低電平都可以使它發(fā)出聲音。家用廚房燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的報警電路中，當(dāng)燃氣檢測傳感器檢測到燃氣值超過閾值時，蜂鳴器發(fā)出報警，提醒人員注意燃氣安全。完成的家用燃氣管理系統(tǒng)的蜂鳴器報警電路如圖5。圖5蜂鳴器報警電路(七)OLED顯示電路設(shè)計家用廚房燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，家用廚房燃氣管理系統(tǒng)進入運行后，系統(tǒng)oled顯示屏開始運行，智能燃氣管理系統(tǒng)中的溫濕度傳感器、天然氣傳感器進入檢測模式，檢測廚房環(huán)境內(nèi)部的各個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完畢并處理后，單片機端口將會發(fā)送廚房環(huán)境的溫濕度、廚房環(huán)境的天然氣濃度數(shù)據(jù)到oled顯示屏的數(shù)據(jù)接收口，oled顯示電路工作并在顯示屏上輸出顯示各個傳感器測量的數(shù)據(jù)信號。OLED顯示電路如圖6。圖6OLED顯示電路二．系統(tǒng)軟件設(shè)計(一)整體流程圖家用廚房燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，完成的家用燃氣管理系統(tǒng)主程序如圖7所示。圖7程序流程圖本設(shè)計采用的是stm32f103c8t6單片機為主控，mq-4氣體傳感器來檢測可燃氣體濃度，dht11溫濕度傳感器來檢測溫濕度，人體紅外傳感器來判斷附近人員情況，蜂鳴器進行報警提示以及一塊oled屏用來顯示檢測的數(shù)據(jù)。天然氣傳感器通過電導(dǎo)率來檢測當(dāng)前環(huán)境的天然氣濃度，接著將數(shù)據(jù)進行處理后，將數(shù)據(jù)通過oled屏顯示出來并發(fā)送給單片機進行判斷是否需要發(fā)出警報。dht11溫濕度傳感器，可以實時準(zhǔn)確的反應(yīng)當(dāng)前環(huán)境內(nèi)的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)處理后在oled屏上顯示。采用人體紅外傳感器，通過人體紅外傳感器的檢測可以在oled屏幕上顯示是否認(rèn)人員在附近。蜂鳴器報警電路則只有當(dāng)燃氣濃度超過設(shè)定的閾值時，才會運行并發(fā)出警報；當(dāng)燃氣濃度數(shù)據(jù)恢復(fù)正常后，蜂鳴器報警電路停止報警。(二)OLED流程圖廚房燃氣檢測管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，溫濕度傳感器和天然氣傳感器通過OLED屏實現(xiàn)廚房溫濕度數(shù)據(jù)、天然氣濃度數(shù)據(jù)的輸出顯示。圖8為完成的OLED顯示流程圖，系統(tǒng)正常啟動后，廚房內(nèi)的溫濕度傳感器模塊自動初始化，人體紅外傳感器模塊自動初始化，天然氣傳感器模塊也自動初始化，等待系統(tǒng)正式運行后，顯示器的數(shù)據(jù)傳輸口等待檢測，當(dāng)溫濕度傳感器模塊，天然氣傳感器模塊，人體紅外傳感器模塊采集的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)，天然氣濃度數(shù)據(jù)，人員情況數(shù)據(jù)被傳輸后，會在顯示屏中寫入具體的地址，然后開始將廚房燃氣管理系統(tǒng)檢測到的廚房內(nèi)當(dāng)前的溫度、濕度、天然氣濃度數(shù)據(jù)信號輸出。圖8Oled流程圖(三)溫濕度檢測流程家用燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，廚房內(nèi)濕度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)都是來自于dht11溫濕度傳感器模塊的檢測。系統(tǒng)啟動運行后，濕度傳感器進行初始化，初始化完成后開始對當(dāng)前環(huán)境的數(shù)據(jù)進行檢測，將溫度端口和濕度端口檢測到的溫度數(shù)據(jù)信號、濕度數(shù)據(jù)信號延時后輸出，并將檢測到的數(shù)據(jù)的不同電平信號經(jīng)過單片機的處理后輸出。系統(tǒng)中完成的溫濕度檢測流程如圖9所示。圖9溫濕度檢測流程圖三.系統(tǒng)調(diào)試與實現(xiàn)(一)編譯燒錄程序本設(shè)計采用的是Keil進行軟件編程，因此對程序的編寫需要經(jīng)過驗證才能正常在單片機中去執(zhí)行，根據(jù)流程圖的編程要求，在設(shè)計完成單片機程序之后，需要對程序進行不斷的調(diào)試，首先調(diào)試的是程序是否有語法以及書寫的錯誤，Keil提供了方便了編譯和調(diào)試功能，程序編寫完成后就可以點擊編譯與調(diào)試按鈕實現(xiàn)程序編譯，如果程序出現(xiàn)語法或者書寫錯誤，則在下面的調(diào)試框可以顯示具體的編譯信息，以及對應(yīng)出現(xiàn)錯誤的行，我們可以根據(jù)定位，在具體出現(xiàn)錯誤的行進行程序的修改。當(dāng)所有的錯誤修改完成后，點擊程序編譯按鍵，調(diào)試框中會顯示0Error，說明程序的沒有錯誤，如果顯示有Warmings，可以先不看，但是具體的邏輯是否正確需要再后續(xù)中驗證調(diào)試，并且需要將寫好的程序生成單片機的可執(zhí)行文件，即勾選output中的生成.hex的文件并將.Hex文件用flymcu軟件進行燒錄，加載到單片機中去執(zhí)行，當(dāng)燒錄程序在界面顯示燒錄完成之后，后續(xù)我們就可以對實物進行一系列的調(diào)整測試。家用廚房燃氣管理系統(tǒng)組裝完成如圖10，在驗證功能之前，需要分析測試焊接的電路板走線是否正確，接下來通電測試。圖10廚房燃氣管理系統(tǒng)組裝家用廚房燃氣管理系統(tǒng)，接通電源進入到運行檢測界面。家用燃氣管理系統(tǒng)通電后的實物如下圖11所示。圖11系統(tǒng)通電廚房燃氣管理系統(tǒng)啟動后，指示燈點亮，左下角的oled屏幕上顯示出對應(yīng)的傳感器檢測數(shù)據(jù)：“H:38.0”表示濕度傳感器正常運行時檢測到的當(dāng)前環(huán)境下的濕度數(shù)據(jù)為38%，“T:19.5”表示溫度傳感器正常運行時檢測到的當(dāng)前環(huán)境溫度數(shù)據(jù)為19.5℃，“CH4”表示的是天然氣傳感器正常運行時檢測到的當(dāng)前環(huán)境下的天然氣濃度為270Nm，“NO”表示的是人體紅外傳感器正常運行時檢測到的附近人員信息為無人在附近。(二)系統(tǒng)功能運行測試初始數(shù)據(jù)如圖12所示，“H”濕度傳感器正常運行時檢測到的當(dāng)前環(huán)境下的濕度數(shù)據(jù)為35%，“T”表示溫度傳感器正常運行時檢測到的當(dāng)前環(huán)境溫度數(shù)據(jù)為19.6℃，“CH4”表示的是天然氣傳感器正常運行時檢測到的當(dāng)前環(huán)境下的天然氣濃度為180Nm，“no”表示的是人體紅外傳感器正常運行時檢測到的附近人員信息為無人在附近。接著進行各個傳感器的調(diào)試圖12系統(tǒng)運行測試(三)人體紅外傳感器調(diào)試通過遠離人體紅外傳感器的識別口，人體紅外傳感器每3s識別一次人員信息，來看是否能檢測到人員靠近或離開。如圖13可以看到把手移到人體紅外傳感器附近時，可以看到oled最后一欄顯示從初始數(shù)據(jù)no變?yōu)閥es表示人體紅外傳感器檢測到有人在附近。圖13人體紅外傳感器調(diào)試(四)溫濕度傳感器調(diào)試溫濕度傳感器正常運行后顯示的初始數(shù)據(jù)如圖12，用手或者熱的物體捂住溫濕度傳感器一段時間后，其數(shù)值明顯發(fā)生變化如圖14,“H”濕度檢測數(shù)據(jù)變?yōu)?7%，“T”溫度檢測數(shù)據(jù)變?yōu)?1.0℃，“CH4”天然氣濃度檢測數(shù)據(jù)變?yōu)?80Nm。圖14溫濕度傳感器調(diào)試(五)蜂鳴器傳感器報警調(diào)試插上蜂鳴器和天然氣檢測模塊，上電初始化，oled顯示檢測的數(shù)據(jù)如圖15，“CH4”天然氣濃度是273Nm，天然氣設(shè)定閾值為200，所以此時蜂鳴器報警；把燃氣檢測模塊放到天然氣濃度小于200的環(huán)境下，蜂鳴器停止報警。圖15蜂鳴器報警調(diào)試總結(jié)家用燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，在開始選題時完成的主要工作是，通過查閱知網(wǎng)文獻，火災(zāi)報道以及燃氣傳感器購買網(wǎng)站查閱了相關(guān)的文獻，對燃氣檢測器的背景以及目前市場的應(yīng)用前景進行了基本的了解，根據(jù)家用燃氣管理系統(tǒng)的需求，完成了家用燃氣管理系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)設(shè)計并充分考慮了家庭廚房的環(huán)境對模塊各個功能的實現(xiàn)選擇了合適的元器件。然后，根據(jù)流程設(shè)計圖，大致的完成了單片機最小系統(tǒng)電路、傳感器電路、報警指示電路等家用燃氣管理系統(tǒng)的硬件部分電路。根據(jù)硬件的設(shè)計以及單片機IO資源分配，在Keil環(huán)境下完成了家用燃氣管理系統(tǒng)的程序設(shè)計，完成了系統(tǒng)程序的開發(fā)。最后購買對應(yīng)的傳感器實物和stm32單片機，以及燒錄線和杜邦線。參照電路原理圖接線并燒錄后，測試不同情況下的結(jié)果，并測試顯示數(shù)據(jù)是否有誤，最終完成了家用燃氣控制系統(tǒng)的設(shè)計。本課題是對家用廚房燃氣系統(tǒng)進行的初步的研究與設(shè)計,本系統(tǒng)主要設(shè)計是編譯了stm32的單片機程序，使其與溫濕度傳感器，蜂鳴器，氣體傳感器和人體紅外傳感器的組合相互配合之后可以有效進行燃氣的檢測，溫濕度的檢測，人員情況的檢測,做到實