基于stm32的廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言(一)廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)概述家用燃?xì)庾鳛槿粘Ｉ钪凶罨A(chǔ)的物資，燃?xì)獍踩珕栴}也格外引人注目，然而我們卻經(jīng)常在電視等途徑看到燃?xì)庑孤?dǎo)致的火災(zāi)等等問題，使得燃?xì)獍踩谖覀兊纳钪袀涫荜P(guān)注。伴隨著信息技術(shù)的進(jìn)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(jī)通信技術(shù)與安全使用廚房燃?xì)饩o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?xì)鈭缶到y(tǒng)。本系統(tǒng)通過燃?xì)鈧鞲衅鳎瑴囟葌鞲衅骱腿梭w紅外傳感器獲取廚房燃?xì)?，溫度及人員信息，并將信號發(fā)送到單片機(jī)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?xì)怏w傳感器所處的環(huán)境可燃?xì)怏w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(yùn)行報警來提醒用戶注意燃?xì)獍踩?。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?xì)狻?二)家用燃?xì)庑孤秷缶芯康哪康呐c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?xì)鈾z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?xì)鈾z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?xì)獾牟徽_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?xì)庠O(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?xì)獗迹词够鹎楹芸毂粨錅?，但任然造成房屋?nèi)2人死亡。可見人們對于天然氣的使用還存在些許問題，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?xì)鈾z測設(shè)備。有相關(guān)部門的專家經(jīng)過長時間測試，燃?xì)鈭缶鞣乐谷細(xì)庑孤对斐墒鹿拾l(fā)生的有效率高達(dá)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?xì)夤芾硐到y(tǒng)整體設(shè)計根據(jù)家用燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)廚房空氣中燃?xì)鉂舛鹊臋z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?xì)夤芾硐到y(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(jī)的控制，完成的家用廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)如圖1.0所示圖1.0家用廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)框圖家用廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，主要是通過stm32f103c8t6單片機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動。智能燃?xì)夤芾硐到y(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(jìn)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?xì)夤芾硐到y(tǒng)運(yùn)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(jìn)行報警，提醒人員及時對燃?xì)膺M(jìn)行處理，若燃?xì)鉂舛入y以控制則應(yīng)當(dāng)趕緊疏散人員。(二)stm32f103c8t6單片機(jī)介紹及最小系統(tǒng)設(shè)計主控電路采用的是STM32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)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(jī)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(jìn)行選擇。如圖1是單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。圖1STM32F103C8T6單片機(jī)圖(三)燃?xì)鈾z測傳感器介紹及燃?xì)鈾z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?xì)怏w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?xì)怏w的電導(dǎo)率隨著環(huán)境內(nèi)天然氣甲烷等可燃?xì)怏w的濃度變化，可燃?xì)怏w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?xì)怏w濃度變化了。在廚房環(huán)境檢測系統(tǒng)中，燃?xì)鈧鞲衅鲗崟r運(yùn)行檢測廚房燃?xì)鉂舛炔⒉杉瘮?shù)據(jù)，輸出信號給單片機(jī)，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?xì)鈾z測電路見圖2。圖2燃?xì)鈾z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(qiáng)。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?xì)夤芾硐到y(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(jī)。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(yùn)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(jī)任意輸出高低電平都可以使它發(fā)出聲音。家用廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)的報警電路中，當(dāng)燃?xì)鈾z測傳感器檢測到燃?xì)庵党^閾值時，蜂鳴器發(fā)出報警，提醒人員注意燃?xì)獍踩?。完成的家用燃?xì)夤芾硐到y(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?xì)夤芾硐到y(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，家用廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行后，系統(tǒng)oled顯示屏開始運(yùn)行，智能燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)中的溫濕度傳感器、天然氣傳感器進(jìn)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(jī)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?xì)夤芾硐到y(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中，完成的家用燃?xì)夤芾硐到y(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(jī)為主控，mq-4氣體傳感器來檢測可燃?xì)怏w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(jìn)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(jìn)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(jī)進(jìn)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?xì)鉂舛瘸^設(shè)定的閾值時，才會運(yùn)行并發(fā)出警報；當(dāng)燃?xì)鉂舛葦?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?xì)鈾z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(yùn)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?xì)夤芾硐到y(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?xì)夤芾硐到y(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(yùn)行后，濕度傳感器進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)程序之后，需要對程序進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行燒錄，加載到單片機(jī)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(jìn)行一系列的調(diào)整測試。家用廚房燃?xì)夤芾硐到y(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?xì)夤芾硐到y(tǒng)組裝家用廚房燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)，接通電源進(jìn)入到運(yùn)行檢測界面。家用燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)通電后的實物如下圖11所示。圖11系統(tǒng)通電廚房燃?xì)夤芾硐到y(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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行測試初始數(shù)據(jù)如圖12所示，“H”濕度傳感器正常運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行時檢測到的附近人員信息為無人在附近。接著進(jìn)行各個傳感器的調(diào)試圖12系統(tǒng)運(yùn)行測試(三)人體紅外傳感器調(diào)試通過遠(yuǎn)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(yùn)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?xì)鈾z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?xì)夤芾硐到y(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(xiàn)，火災(zāi)報道以及燃?xì)鈧鞲衅髻徺I網(wǎng)站查閱了相關(guān)的文獻(xiàn)，對燃?xì)鈾z測器的背景以及目前市場的應(yīng)用前景進(jìn)行了基本的了解，根據(jù)家用燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)的需求，完成了家用燃?xì)夤芾硐到y(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(jī)最小系統(tǒng)電路、傳感器電路、報警指示電路等家用燃?xì)夤芾硐到y(tǒng)的硬件部分電路。根據(jù)硬件的設(shè)計以及單片機(jī)IO資源分配，在Keil環(huán)境下完成了家用燃?xì)夤芾硐到y(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(jī)，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?xì)饪刂葡到y(tǒng)的設(shè)計。本課題是對家用廚房燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)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(jī)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(jìn)行燃?xì)獾臋z測，溫濕度的檢測，人員情況的檢測,做到實