基于stm32的厨房燃气管理系统的设计与实现

引言(一)厨房燃气管理系统概述家用燃气作为日常生活中最基础的物资，燃气安全问题也格外引人注目，然而我们却经常在电视等途径看到燃气泄漏导致的火灾等等问题，使得燃气安全在我们的生活中备受关注。伴随着信息技术的进步发展的浪潮，智能家居逐渐普及，智能家居的覆盖面也越来越广泛，智能家居的信息化以及数据的网络化的需求也在不断提高。本设计将单片机通信技术与安全使用厨房燃气紧密结合，是一款适合大多数家庭日常生活中使用的智能简洁可靠安全的燃气报警系统。本系统通过燃气传感器，温度传感器和人体红外传感器获取厨房燃气，温度及人员信息，并将信号发送到单片机微处理器，使受其控制的oled屏上实时的反馈当前数据，当可燃气体传感器所处的环境可燃气体浓度超过用户设定的安全阈值时，蜂鸣器报警电路会自动运行报警来提醒用户注意燃气安全。这不仅大大提高系统可靠性和智能性，也能更好的提醒厨房人员正确安全使用燃气。(二)家用燃气泄露报警研究的目的与意义小时候家里一般是奶奶帮我做饭，但人老了记性不太好，有好几次都差点着了火，于是当要求做毕业设计时就想着用已学的传感器模块组成一个简易的燃气检测装置，该系统由stm32芯片为核心，通过代码实现与各个传感器之间的互动，装有燃气检测模块，温度传感器，蜂鸣器，人体红外传感器等。通过设置不同的判定条件来使传感器和蜂鸣器做出反馈。燃气的不正确使用会对我们造成很大的危害。根据国家数据显示2021年度大大小小的火灾不计其数，而引起火灾的主要原因就是天然气等家用燃气设备。如9月11日0时许，大连市普兰店区一居民家中液化气罐发生泄漏并造成爆炸。截至4时30分许，事故造成8人死亡，另有5人在医院救治。2月11日青岛市市南区一家居民发生疑似燃气爆燃，即使火情很快被扑灭，但任然造成房屋内2人死亡。可见人们对于天然气的使用还存在些许问题，这就需要一个可以用来及时检测及时预防及时提醒及时报警的燃气检测设备。有相关部门的专家经过长时间测试，燃气报警器防止燃气泄露造成事故发生的有效率高达95%以上。相信有了这样的设备以后家用天然气引发火灾造成财产损失,人员伤亡的案列一定会大幅度减少。一.智能厨房管理系统的硬件设计(一)家用厨房燃气管理系统整体设计根据家用燃气管理系统的设计，实现厨房空气中燃气浓度的检测，厨房的温度和湿度的检测以及厨房是否有人员在的检测。家用厨房燃气管理系统选用stm32f103c8t6为核心，系统由DHT11温湿度测量电路，MQ-4天然气检测电路，HC-SR501人体红外检测电路，OLED显示电路和蜂鸣器报警电路组成。通过这些不同的电路配合以及单片机的控制，完成的家用厨房燃气管理系统如图1.0所示图1.0家用厨房燃气管理系统的设计与实现框图家用厨房燃气管理系统的设计与实现中，主要是通过stm32f103c8t6单片机控制系统驱动。智能燃气管理系统中的厨房环境数据信号由温湿度检测电路，天然气检测电路和人体红外检测电路来分别进行环境中的温度，湿度和天然气浓度的检测，等数据检测完成后，人员可以通过oled显示器上看到厨房中的温度，湿度数据以及厨房中的天然气浓度含量。在家用厨房燃气管理系统运行时，若天然气检测电路检测到空气中天然气浓度数据明显变大超过阈值时，蜂鸣器模块进行报警，提醒人员及时对燃气进行处理，若燃气浓度难以控制则应当赶紧疏散人员。(二)stm32f103c8t6单片机介绍及最小系统设计主控电路采用的是STM32F103C8T6单片机，该单片机是基于ARMCortex-M内核的32位微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V~3.6V，工作温度为-40°C~85°C。电源电路，晶振电路，芯片电路和下载电路是设计出一个单片机的最小系统的主要部分。其中下载电路一般根据自己的需要有USB下载或者JTAG下载两种下载方式进行选择。如图1是单片机的最小系统电路图。图1STM32F103C8T6单片机图(三)燃气检测传感器介绍及燃气检测电路设计MQ-4气体检测传感器可以精确有效的通过电导率来检测出甲烷丙烷以及丁烷的浓度变化。MQ-4气体传感器是一个低成本且检测可燃气体数据准确可靠的传感器。而且它的使用限制小，能使用的场合多，大多数的家庭内的环境都可以用到该传感器。MQ-4气体传感器的工作原理是它的气敏材料为二氧化锡，在正常环境下对于可燃气体的电导率随着环境内天然气甲烷等可燃气体的浓度变化，可燃气体的浓度越高，气敏材料的电导率也会变大，接着输出的信号也会所变化，在oled上显示的数据也就相应的变化，这样我们就能通过oled看到当前环境的可燃气体浓度变化了。在厨房环境检测系统中，燃气传感器实时运行检测厨房燃气浓度并采集数据，输出信号给单片机，通过天然气浓度是否超过阈值来判断蜂鸣器是否报警，完成的燃气检测电路见图2。图2燃气检测电路(四)人体红外传感器介绍及人体红外检测电路设计HC-SR501是基于红外线感应技术的自动控制模块，工作模式为低电压工作灵敏度高，可靠性强。HC-SR501模块灵敏度高，只要感应到附近有物体移动时，他就会产生一个高电。但是它的检测间隔有大概3s，在这3s内无论怎么在传感器附近移动，都不会使数据产生变化。人体红外检测电路在厨房燃气管理系统中用于检测人员信息，当有人靠近时，人体红外传感器持续输出信号，并在把采集的信号传输给单片机。如图3为人体红外检测电路。图3人体红外检测电路(五)温湿度传感器介绍及温湿度检测电路设计DHT11是配有已校准数字信号输出的传感器。该传感器的温湿度的测量量程广，适合普通家庭室内的所有情况检测。它又具有极高的可靠性，他的温湿度测量结果的精确度数据误差都不超过5%，优秀的数据准确度和长期稳定的使用寿命来自于它专用数字模块采集技术和温湿度传感技术。厨房环境检测系统的设计与实现中，DHT11温湿度传感器实时运行监测厨房环境空气中温度、湿度数据。如图4为DHT11温湿度检测接口电路图。图4DHT11温湿度检测电路(六)有缘蜂鸣器介绍及报警电路设计有源蜂鸣器内部带振荡源，所以相对于无源蜂鸣器而言，有缘蜂鸣器只要插上电源就能产生声音。在3.3V-5V的区间内的电压输入都可以让它正常工作。并且程序方便控制，单片机任意输出高低电平都可以使它发出声音。家用厨房燃气管理系统的设计与实现的报警电路中，当燃气检测传感器检测到燃气值超过阈值时，蜂鸣器发出报警，提醒人员注意燃气安全。完成的家用燃气管理系统的蜂鸣器报警电路如图5。图5蜂鸣器报警电路(七)OLED显示电路设计家用厨房燃气管理系统的设计与实现中，家用厨房燃气管理系统进入运行后，系统oled显示屏开始运行，智能燃气管理系统中的温湿度传感器、天然气传感器进入检测模式，检测厨房环境内部的各个数据，数据采集完毕并处理后，单片机端口将会发送厨房环境的温湿度、厨房环境的天然气浓度数据到oled显示屏的数据接收口，oled显示电路工作并在显示屏上输出显示各个传感器测量的数据信号。OLED显示电路如图6。图6OLED显示电路二．系统软件设计(一)整体流程图家用厨房燃气管理系统的设计与实现中，完成的家用燃气管理系统主程序如图7所示。图7程序流程图本设计采用的是stm32f103c8t6单片机为主控，mq-4气体传感器来检测可燃气体浓度，dht11温湿度传感器来检测温湿度，人体红外传感器来判断附近人员情况，蜂鸣器进行报警提示以及一块oled屏用来显示检测的数据。天然气传感器通过电导率来检测当前环境的天然气浓度，接着将数据进行处理后，将数据通过oled屏显示出来并发送给单片机进行判断是否需要发出警报。dht11温湿度传感器，可以实时准确的反应当前环境内的温度和湿度，并将数据处理后在oled屏上显示。采用人体红外传感器，通过人体红外传感器的检测可以在oled屏幕上显示是否认人员在附近。蜂鸣器报警电路则只有当燃气浓度超过设定的阈值时，才会运行并发出警报；当燃气浓度数据恢复正常后，蜂鸣器报警电路停止报警。(二)OLED流程图厨房燃气检测管理系统的设计与实现中，温湿度传感器和天然气传感器通过OLED屏实现厨房温湿度数据、天然气浓度数据的输出显示。图8为完成的OLED显示流程图，系统正常启动后，厨房内的温湿度传感器模块自动初始化，人体红外传感器模块自动初始化，天然气传感器模块也自动初始化，等待系统正式运行后，显示器的数据传输口等待检测，当温湿度传感器模块，天然气传感器模块，人体红外传感器模块采集的温度数据、湿度数据，天然气浓度数据，人员情况数据被传输后，会在显示屏中写入具体的地址，然后开始将厨房燃气管理系统检测到的厨房内当前的温度、湿度、天然气浓度数据信号输出。图8Oled流程图(三)温湿度检测流程家用燃气管理系统的设计与实现中，厨房内湿度数据、温度数据都是来自于dht11温湿度传感器模块的检测。系统启动运行后，湿度传感器进行初始化，初始化完成后开始对当前环境的数据进行检测，将温度端口和湿度端口检测到的温度数据信号、湿度数据信号延时后输出，并将检测到的数据的不同电平信号经过单片机的处理后输出。系统中完成的温湿度检测流程如图9所示。图9温湿度检测流程图三.系统调试与实现(一)编译烧录程序本设计采用的是Keil进行软件编程，因此对程序的编写需要经过验证才能正常在单片机中去执行，根据流程图的编程要求，在设计完成单片机程序之后，需要对程序进行不断的调试，首先调试的是程序是否有语法以及书写的错误，Keil提供了方便了编译和调试功能，程序编写完成后就可以点击编译与调试按钮实现程序编译，如果程序出现语法或者书写错误，则在下面的调试框可以显示具体的编译信息，以及对应出现错误的行，我们可以根据定位，在具体出现错误的行进行程序的修改。当所有的错误修改完成后，点击程序编译按键，调试框中会显示0Error，说明程序的没有错误，如果显示有Warmings，可以先不看，但是具体的逻辑是否正确需要再后续中验证调试，并且需要将写好的程序生成单片机的可执行文件，即勾选output中的生成.hex的文件并将.Hex文件用flymcu软件进行烧录，加载到单片机中去执行，当烧录程序在界面显示烧录完成之后，后续我们就可以对实物进行一系列的调整测试。家用厨房燃气管理系统组装完成如图10，在验证功能之前，需要分析测试焊接的电路板走线是否正确，接下来通电测试。图10厨房燃气管理系统组装家用厨房燃气管理系统，接通电源进入到运行检测界面。家用燃气管理系统通电后的实物如下图11所示。图11系统通电厨房燃气管理系统启动后，指示灯点亮，左下角的oled屏幕上显示出对应的传感器检测数据：“H:38.0”表示湿度传感器正常运行时检测到的当前环境下的湿度数据为38%，“T:19.5”表示温度传感器正常运行时检测到的当前环境温度数据为19.5℃，“CH4”表示的是天然气传感器正常运行时检测到的当前环境下的天然气浓度为270Nm，“NO”表示的是人体红外传感器正常运行时检测到的附近人员信息为无人在附近。(二)系统功能运行测试初始数据如图12所示，“H”湿度传感器正常运行时检测到的当前环境下的湿度数据为35%，“T”表示温度传感器正常运行时检测到的当前环境温度数据为19.6℃，“CH4”表示的是天然气传感器正常运行时检测到的当前环境下的天然气浓度为180Nm，“no”表示的是人体红外传感器正常运行时检测到的附近人员信息为无人在附近。接着进行各个传感器的调试图12系统运行测试(三)人体红外传感器调试通过远离人体红外传感器的识别口，人体红外传感器每3s识别一次人员信息，来看是否能检测到人员靠近或离开。如图13可以看到把手移到人体红外传感器附近时，可以看到oled最后一栏显示从初始数据no变为yes表示人体红外传感器检测到有人在附近。图13人体红外传感器调试(四)温湿度传感器调试温湿度传感器正常运行后显示的初始数据如图12，用手或者热的物体捂住温湿度传感器一段时间后，其数值明显发生变化如图14,“H”湿度检测数据变为57%，“T”温度检测数据变为21.0℃，“CH4”天然气浓度检测数据变为180Nm。图14温湿度传感器调试(五)蜂鸣器传感器报警调试插上蜂鸣器和天然气检测模块，上电初始化，oled显示检测的数据如图15，“CH4”天然气浓度是273Nm，天然气设定阈值为200，所以此时蜂鸣器报警；把燃气检测模块放到天然气浓度小于200的环境下，蜂鸣器停止报警。图15蜂鸣器报警调试总结家用燃气管理系统的设计与实现中，在开始选题时完成的主要工作是，通过查阅知网文献，火灾报道以及燃气传感器购买网站查阅了相关的文献，对燃气检测器的背景以及目前市场的应用前景进行了基本的了解，根据家用燃气管理系统的需求，完成了家用燃气管理系统的设计，根据设计并充分考虑了家庭厨房的环境对模块各个功能的实现选择了合适的元器件。然后，根据流程设计图，大致的完成了单片机最小系统电路、传感器电路、报警指示电路等家用燃气管理系统的硬件部分电路。根据硬件的设计以及单片机IO资源分配，在Keil环境下完成了家用燃气管理系统的程序设计，完成了系统程序的开发。最后购买对应的传感器实物和stm32单片机，以及烧录线和杜邦线。参照电路原理图接线并烧录后，测试不同情况下的结果，并测试显示数据是否有误，最终完成了家用燃气控制系统的设计。本课题是对家用厨房燃气系统进行的初步的研究与设计,本系统主要设计是编译了stm32的单片机程序，使其与温湿度传感器，蜂鸣器，气体传感器和人体红外传感器的组合相互配合之后可以有效进行燃气的检测，温湿度的检测，人员情况的检测,做到实