【基于单片机的厨房环境监测的火灾自动报警器设计6600字（论文）】

5-一引言（一）研究背景与意义经济在不断的发展，厨房安全的观念不断加深，科学家们也认识到了这一点，于是厨房安全检测系统的研究开始进入新阶段。研究发现，导致厨房安全事故的主要原因就是可燃气体泄漏。当人处于睡眠阶段，未及时对泄漏气体进行处理，导致室内可燃气浓度过高，发生火灾或爆炸等事故，严重影响了人民群众的财产和生命安全。厨房安全检测系统的研发，可以检测这些气体浓度，当浓度达到设定值，便会发生警报，提醒人们注意。另外，当警报后，无人采取行动，该系统会采取必要的动作阻止事故的发生，保证群众的安全，也保证了设备安全。有了此项技术，厨房安全事故将大大减少。（二）国内外现状研究1.国内研究现状中国这几年不断加快对厨房安全检测系统的研究，一些大企业投入大量的资源来进行此方面的研究，例如：海尔、美的、苏宁等电器厂商。经过他们不懈的努力，在厨房安全检测系统这个领域，开始有进展。2.国外研究现状20世纪60年代，日本有一家公司，名字叫做新宇宙电器公司，他们率先研发了第一个接触气体泄漏警报的装置，该装置受到政府的支持。经过一段时间的技术改良，研发出了新的报警器，能检测可燃气气体，此外还能检测一氧化碳等，可使用领域也从厨房扩充到浴室等。1962年初，该项技术在不断革新，日本在一代的基础上，应用半导体技术，研发出新一代的半导体报警器。这一产品研发出来，便火遍整个日本。1981年，日本政府发布了红头文件，明确规定，在居民区、旅馆等地方必须安装煤气泄漏报警器，政策一出，日本的报警器销量大大提升，同时日本气体爆炸事故出现直线式下滑。1983年底，日本有一家餐馆发生了爆炸，此次事故造成了极大的伤亡，轰动一时。纵观日本历史，日本极其注重气体安全事故，这个事故的发生更是加强了政府和人们的关注度。从那以后，日本政府从源头上解决问题，介入相关企业，并对其进行重点监督，并不断推广燃气泄漏装置。1986年中旬，日本制定了一系列基本准则，准则中明确提到要不断推广可燃气泄漏报警装置。时间飞逝，从最初的一代到如今的气体报警检测装置，日本关于此方面的技术在不断蓬勃发展，获得了国际世界的认可，日本的瓦斯爆炸事故发生率居于世界第一，远远低于其他国家。（三）研究内容为保证日常生活的安全，将各种传感器运用于家庭厨房中，传感器先通过对厨房内的温度和气体浓度数据进行采集，再将这些数据进行整理并转换为数字信号输入到芯片中，将数据与预设值进行比对，不符合要求即发出警报。同时控制继电器做出反应实现对事故的解决，从而有效降低有害影响。本设计分为硬件部分设计和软件部分设计两方面，采用STM32和C语言编写程序并输入到主控芯片中，由数据模块读取传感器检测出的数据，再通过AD转换芯片实现信号转化，再输入到主控芯片中，由主控芯片进行数据提取。NRF24L01无线通信模块将数据远程发送给另一块PCB板，接收数据的板子将其接收的数据在OLED屏幕上显示出来，并且，浓度如果超过安全数值，将进行报警。

二系统方案设计与器件选择（一）系统方案设计本系统采用STM32F103RCT6为主控芯片，由电源稳压模块，无线通信模块、厨房数据检测模块及OLED液晶显示模块组成。图2.1系统设计框图（二）器件选型1.传感器选型对厨房各种可燃气体的浓度的采集需要借助气体浓度传感器，但是不同的可燃气体有差异，要对市场上的气敏相关性传感器进行筛选，共统计了以下几类：可燃气体检测传感器。这种可以对可燃气体进行探测采集的传感器在工业生产等方面运用广泛，因为大部分的工业厂中的气体很多都是可燃的，所以要对气体的浓度进行随时的监测以防止火灾甚至爆炸的发生，这种传感器在市面上应用最多，它可以在可燃气体浓度达到一定值时自动发出报警。H2和CO传感器。该气敏传感器可以用于工业中对车间生产过程中CO的气体浓度的监测，以及环境环保方面对有害气体的实时监测和报警。除此之外，还能运用于日常的家庭生活中，比如对厨房的管道煤气气体浓度进行监测，可以有效及时发现煤气泄露，达到危害最小化。（3）有害气体传感器。有害气体传感器和可燃气体检测传感器的区别在于它们对所检测的气体的侧重不同，可燃气体浓度传感器主要是检测空气中可燃的气体浓度，而有害气体传感器则侧重于对甲醛、苯类等对人体有害的气体的探测，适用于家用装修等后续检测。除此以外，根据传感器的结构分类传感器也可以分为两类：燃料电池型和半导体型。但是这两种类型的传感器性能有很大的区别，根据多次实验测试并进行大量的数据分析，半导体型的传感器对于外界的气体太过敏感，抗干扰性较差，但是燃料电池较为稳定，测量出的气体浓度的误差较小，误差范围可以接受，并且相对于半导体型传感器，燃料电池型的传感器也更加环保。本设计使用MQ-3型酒精传感器、火焰传感器以及MQ-7一氧化碳传感器。2.通讯模块通讯模块为NRF24L01模块。该模块是低成本低功耗的结构简单配置容易的无线模块，同时具有收发功能。该器件可用频段范围为:2.4GHz～2.5GHz，本次设计选用3.3V供电，上位机为5V供电，通过USB接口，可以完成需求，数据传输是从系统传向接收端。

三系统硬件设计（一）单片机简介目前单片机的种类也有很多，不同型号的单片机的系统配置还有各部分插件也有着很大的区别。针对于本次的实验目的和要求，我们对市面上运用较多的单片机进行了筛选，综合多种因素考虑，选择了STM32F103RCT6型单片机。引脚图如图3-1所示。图3.1STM32F103RCT6系统模块引脚图STM32单片机的主要的组成和相关功能如下：.STM32内部是低功耗的ARM32位的微控制器，最高的工作频率为72MHz。而且很多运算法都可以运用到该单片机中，成本不高且运算速度快，集成度很高。.本系统的芯片有很大优点，其对数据的处理速度和其本身的运行速度都很快，可以提高整个系统的运行效率。而且芯片的集成度高，可以通过对程序的编程来实现多重功能。(二)火焰传感器电路对于厨房中的火焰的检测，我们本次实验采取的是红外火焰传感器，它可以对厨房中的光强进行采集，从而判断厨房中是否有火焰燃烧，可以有效的避免火灾。这种功能是通过LM393双电压比较器来实现的。光线的强弱会直接影响到LM393通道1产生的电压大小，所以可以根据LM393通道1输出的电压来判断周围光线的强弱。原理图如图3.2所示。图3.2火焰传感器原理图（三）设计乙醇检测模块对于厨房中的乙醇的浓度本次实验选用的是MQ-3型乙醇检测传感器,这种传感器目前的技术很成熟，运用也非常广泛，这种传感器的成本很低，功耗低，运行速度也很快，抗干扰能力强，运用于家庭厨房中的经济效益也很可观。MQ-3型乙醇检测传感器的工作原理是利用了SnO2和二氧化锡在不同情况下的对电流的传输能力不同而设计的，当空气中的乙醇浓度增大时，会影响SnO2，二氧化锡对于电流的传输能力，这种影响和空气中乙醇的浓度成反比，控制中心对这种电流信号进行转换，从而判断出空气中的乙醇浓度。MQ-3的灵敏度特性曲线如图3.3所示。图3.3MQ-3灵敏度特性曲线对于这种电流传输效率和乙醇浓度间的变换关系，我们可以运用特定的公式进行转换，空气中乙醇的浓度和该传感器输出电压值的关系的公式为：a（mV）x

0.2=b（mg/L），其中字母a表示传感器输出的电压值，而字母b代表的是传感器所采集的空气中乙醇的浓度。利用该公式我们就可以很有效的实现对实验数据的分析。其中该部分传感器的电路图如图3.4所示。图3.4MQ-3检测电路如图所示，MQ-3传感器敏感元件的两个极分别为A-A、B-B，这两个极之间的电阻会根据H-H加热极的加热过程而发生改变，加热初期A、B之间电阻会从大于2*104Ω时慢慢降低到1*104Ω以下又逐渐升高，一直到1.2*104Ω时又会趋于稳定。此时就可以用该传感器空气中的乙醇浓度进行检测。（四）一氧化碳电路MQ-7一氧化碳传感器，该款传感器可以根据不同的烟雾浓度输出0~5伏的模拟电压，对一氧化碳具有很高的精度和灵敏性，广泛适用于家庭环境的一氧化碳检测。原理图如下所示：图3.4MQ-7管脚图（五）显示模块1.OLED介绍OLED显示屏每个点都能自己发光，它没有背光这说法，可显示汉字、ASCII、图案等，0.96寸OLED显示屏的驱动芯片为SSD1306。接口类型：IIC。OLED显示屏编程简单，价格低廉，可同时显示32个字符，因此应用范围广。模块只支持写数据，所以只需发送SPI，把OLED的引脚配置为输出，板子输出引脚可以用外接引脚，没有其他要求。2.显示电路连接OLED显示模块管脚图如下所示：图3.5OLED管脚图（六）无线传输模块本设计采用的是NRF24L01无线收发模块，实现无线数据的传输。本设计主要是用于传输检测到的火焰、乙醇和一氧化碳浓度信息，并且传到另一块单片机的接收端，实现无线数据传输的功能。该模块的管脚图如下图所示：图3.6无线模块管脚图（七）电源模块电源模块是整个检测系统最基础的，它为整个系统的其他各个模块提供安全稳定的工作电压。该系统采用直流电源插口进行连接，通过USB数据连接，采取USB供电的方式，两段再接入VCC电源，如此便可实现对电源回路的监测与控制。如图3.7所示。图3.7电源模块

四系统软件设计（一）编程环境KeiluVision5是用来编译程序的工具，程序编辑功能强大，是一款集编辑、翻译、项目管理为一体的开发环境。它具有以下特征：其编译环境如图4-1所示：图4.1KeiluVision5编译环境开发时效率高，方便理解，所以采用其进行编译。（二）主程序设计系统采用STM32F103RCT6作为主要芯片，功能包括控制I/O口，逻辑判断，外部中断及应用，外部模块的驱动，通讯‌传输，报警控制，看门狗等。本系统主要包括总体程序设计、检测信号、显示控制、无线传输等。图4.2系统主程序设计（三）电源管理1.电源控制STM32单片机中接入了上电复位电路，这种直接连接电源的复位方式会根据供电电压的大小进行复位，当供电电压低于2V时系统就会复位，否则就会进入工作状态。2.低功耗模式为了尽可能节约能源，STM32还自带了低功耗的模式，它可以进行分频设置，使系统处于睡眠、停止或者待机三种低功耗模式。（四）显示模块显示设计1.OLED显示原理OLED液晶显示屏两端的电极，在一定电压下驱动，载流子注入到电子和空穴传输层，然后迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子，而且发光分子被激发，通过辐射弛豫的方式发出可见光。2.显示电路定义通过定义管脚，显示模块可以跟芯片直接连接。以下为液晶初始化代码（五）无线传输模块系统运行前，必须对系统的所有数据进行初始化，在经过此操作后，传感器可开始正常工作，对外界的数据进行采集读取，然后将模拟信号发送给ADC0832数模转换器转化为数字信号，这一过程可以完成对可燃气体浓度的数据收集。其整体流程如图4.3所示。图4.3NRF24L01流程图

五系统测试（一）硬件调试根据控制系统的原理图设计实物，进行控制系统的设计与焊接，完成系统程序的编写，下载程序到芯片，上电检测系统的运行状况，并进行调试，调试过程如下：（1）需要对整个系统的电路元器件进行排查，剔除掉已经损坏的元器件。（2）借用万用表对系统各个元件两端的电压值进行测量，对系统输入输出信号进行检测，判断系统的工作情况。（3）借助电路示波器对系统的输出电压和电流脉冲进行检测，将实验具体显示的波形进行对比，判断是否达到了实验目的。（4）将系统的软件调试和硬件调试结合在一起，进行联机调试，对控制系统的自动传输功能进行评估。在调试过程中，我遇到一些难题。元器件焊接成功后，进行调试的时候，发现正负极引脚距离太近，不容易接到电源上。这是由于没有认真检查而导致的，所以我们在做事的时候要认真对待，不然会出现很多错误。（二）整体效果展示经过一段实践的调试，两块板子的功能基本实现，其上电效果图如图5.1所示厨房环境监测系统启动后，主板上的电源指示灯亮起，火焰，乙醇，一氧化碳检测传感器指示灯亮起，此时OLED显示屏上显示三行数据，分别为乙醇，一氧化碳，火光图5.1系统上电实物图首先我们使用打火机模拟火源对传感器进行测试，当有火焰时可以看到显示屏幕上接收的数据显示有火焰，并且此时蜂鸣器会发出警报声，提醒有火光出现。如下图5.2所示。图5.2火光检测实物图其次我们使用纸巾蘸取一些酒精围绕乙醇浓度检测传感器，模拟乙醇泄露的现象，测试传感器，可以看到显示屏幕上接收到的乙醇浓度数据在不断上升，并且当乙醇浓度超过百分之四十时蜂鸣器会发出警报声。如图5.3所示。图5.3乙醇浓度检测实物图

结论现如今商品房的普及使得家庭厨房的安全智能检测系统成为安全保障的必要手段，否则会造成不可估量的伤亡和损失。燃气爆炸和电线老化的隐患很大，所以关于厨房的安全问题必须得到重视。本次设计的重点是对于厨房可燃气体的浓度进行探测以及及时的发出警报，在最高的经济效益下也使得厨房的安全智能检测系统更稳定可靠。现在居民的生活水平逐渐提高，个人安全和财产安全的意识也愈发强烈，所以对于厨房的智能安全检测系统来说，无疑是有非常好的发展前景。本次设计对厨房智能安全系统提出了大的框架和检测意见，也做了较为具体的设计。（1）可以在基础功能的基础上加入更多智能化的功能。比如可以增加对厨房气体供应的控制，当厨房的可燃气体泄露时，可以自动切断气体的供应。（2）可以在厨房内加装总电源测试系统，当厨房安全检测系统检测到气体泄露时，就会对厨房的所有电源进行切断。（3）将厨房安全检测的信息可以通过无线网络连接到用户的家中，并将厨房的数据信息发送到用户的手机上，方便用户随时查看，发生危险时可以向手机发出警报，以提醒用户。（4）另外该厨房安全检测系统还可以添加语音互通功能，方便不懂操作的老人进行语音求助，还可以加装指令系统，对具体的操作进行指导。参考文献[1]赵妍.智能厨房接受行为及个性化需求研究[D].南京邮电大学,2020.[2]申明乐.基于人机交互的智能厨房设计研究[D].青岛大学,2020.[3]张静.基于ROS的智能家居机器人系统设计[D].辽宁工业大学,2020.[4]付云峥.基于ZigBee的智慧消防预警系统的设计与实现[D].青岛大学,2020.[5]徐欣.基