【基于STM32廚房安全環(huán)境監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9400字（論文）】

4基于STM32廚房安全環(huán)境監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)TOC\o"1-3"\h\u269431緒論 [20]。高質(zhì)量，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，簡(jiǎn)單易懂且性價(jià)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(cè)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(jìn)行傳輸，傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路后到STM32單片機(jī)，進(jìn)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(bào)警模塊上，從而實(shí)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(dǎo)率是隨著空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度的增加而增加變化的，對(duì)一氧化碳的檢測(cè)效率特別高，而且在簡(jiǎn)單的電路中就可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為測(cè)試到的氣體濃度對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。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(diǎn)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?yàn)椴捎玫氖嵌O管會(huì)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(kù)芯片，所以使用起來(lái)很方便。圖10OLED顯示模塊

3.5報(bào)警模塊此報(bào)警模塊可以將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)處理，首先我們可以在外設(shè)置報(bào)警溫度的范圍，如果超過(guò)設(shè)定的值，微控制器就會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行處理分析，通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，發(fā)出警報(bào)，從而形成了一個(gè)報(bào)警模塊。模塊原理圖如圖11所示。圖11報(bào)警電路原理模塊圖3.6斷電檢測(cè)模塊在本次設(shè)計(jì)中，查閱資料后發(fā)現(xiàn)C2000DH08型號(hào)的模塊是很合適的，此模塊220v就有八個(gè)輸入，并且有八路集電極開(kāi)路輸出?？梢詸z測(cè)每一路的暢通狀況，從而可以在0和1之間互相轉(zhuǎn)換，極大的方便了此設(shè)計(jì)的過(guò)程。模塊原理圖如圖12所示。圖12斷電檢測(cè)模塊原理圖3.7WIFI通信模塊在此設(shè)計(jì)中運(yùn)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(zhuǎn)換為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，IEEE802.11b.gn協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，這樣才能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。此模塊可以直接使用無(wú)線連接，達(dá)到智能的效果。本次的WIFI模塊為ESP8266，能耗低是它的特點(diǎn)，因?yàn)樗菫榱艘苿?dòng)設(shè)備和軟件而設(shè)計(jì)，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(cè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)4.1溫度檢測(cè)電路STM32單片機(jī)與DHT11相連接，就形成了溫度檢測(cè)電路，具體連接情況如下圖圖14所示。DHT11的1號(hào)引腳連接到VDD上，電源為3.3v，STM32單片機(jī)的PB11引腳連接到DHT11的2號(hào)引腳，3號(hào)不用，最后的引腳用來(lái)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(qū)動(dòng)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(guò)三個(gè)引腳BS0-BS2接地，與U4漢字庫(kù)芯片共享SPI接口并已設(shè)置為SPI協(xié)議，工作時(shí)通過(guò)芯片的芯片選擇引用。讀寫時(shí)，目標(biāo)芯片的CS引腳應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)如圖所示。煙霧監(jiān)測(cè)模塊由三部分組成：煙霧信號(hào)采集和放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的電信號(hào)。然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路把已經(jīng)轉(zhuǎn)換模擬的電信號(hào)又轉(zhuǎn)換為為數(shù)字信號(hào)，完成這一過(guò)程后，把數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32單片機(jī)進(jìn)行處理分析，先是通過(guò)濾波，讀寫出一個(gè)完整的數(shù)字信號(hào)，最后呈現(xiàn)在oled上，呈現(xiàn)的數(shù)字要與報(bào)警模塊設(shè)置的值相對(duì)比，一旦超出了所設(shè)定的范圍，報(bào)警電路將會(huì)啟動(dòng)，蜂鳴聲響起，反之則正常運(yùn)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(jī)的輸入輸出的端口連接，而AO端口連接的A/D轉(zhuǎn)換器的2號(hào)端口。當(dāng)煙氣濃度開(kāi)始變高的時(shí)候，輸出電壓升高到閾值電壓時(shí)，就會(huì)報(bào)警。反之，當(dāng)煙霧濃度開(kāi)始降低的時(shí)候，輸出電壓降低到閾值電壓時(shí)，就正常運(yùn)行。所以通過(guò)調(diào)整閾值電壓來(lái)進(jìn)行輸出報(bào)警，此研究的目的就達(dá)到了。4.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路圖17為MQ-2煙霧檢測(cè)AD采集電路圖，經(jīng)過(guò)采集后便能取得每種煙霧濃度數(shù)值。在將收集到的信號(hào)變換為模擬信號(hào)之后，通過(guò)MQ-2的芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)傳送給STM32單片機(jī)進(jìn)行處理分析，最終實(shí)現(xiàn)功能。圖17為MQ-2煙霧檢測(cè)AD采集電路圖，經(jīng)過(guò)該電路轉(zhuǎn)換后就能獲得煙霧濃度數(shù)值。圖17A/D轉(zhuǎn)換電路模塊圖4.3報(bào)警電路此設(shè)計(jì)的報(bào)警電路，它主要是通過(guò)三極管的基極串聯(lián)了一個(gè)電阻，經(jīng)過(guò)電阻連接到STM32單片機(jī)上，這是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的電路，實(shí)驗(yàn)起來(lái)方便易懂。圖18則是報(bào)警電路的原理圖：GNDGNDVCC蜂鳴器R1PA11圖18報(bào)警電路5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)的主流程圖本次基于STM32溫度煙霧傳感器檢測(cè)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(guò)STM32單片機(jī)進(jìn)行分析處理，一直反復(fù)的采集，處理，在oled上顯示。開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化溫度、煙霧采集STM32單片機(jī)OLED顯示結(jié)束 圖19溫度煙霧傳感器檢測(cè)系統(tǒng)流程圖5.2STM32類型單片機(jī)的參數(shù)配置首先，我們配置STM32的時(shí)鐘電路。具體步驟如下：HSI是高速內(nèi)部時(shí)鐘，其頻率要設(shè)置為8MHz，這樣才能穩(wěn)定工作。HSE是高速外部時(shí)鐘，其頻率范圍大概設(shè)置在4-16MHz左右。LSI是低速內(nèi)部時(shí)鐘，40kHz為基本參數(shù)。然后，我們配置ADC1上的通道零來(lái)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換：首先把PA口設(shè)為開(kāi)啟，PA0位設(shè)置為模擬輸入。在設(shè)置PA0之前，要對(duì)PORTA時(shí)鐘進(jìn)行測(cè)試。設(shè)置分頻系數(shù)，設(shè)置ADC1的分頻系數(shù)，為低于12MHz。設(shè)置ADC1的工作模式和規(guī)則序列相關(guān)信息。開(kāi)啟并校準(zhǔn)AD轉(zhuǎn)換器，最后對(duì)ADC的值進(jìn)行讀取。5.3DHT11溫度傳感器與單片機(jī)接口設(shè)置在DHT11上，DATA的功能是使用單一數(shù)據(jù)格式來(lái)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(dāng)正確傳輸溫度數(shù)據(jù)的十進(jìn)制和整數(shù)部分的校驗(yàn)和數(shù)據(jù)時(shí)，校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于溫度數(shù)據(jù)的整數(shù)和十進(jìn)制相加結(jié)果的最后8位。當(dāng)接受到初始信號(hào)時(shí)，DHT11傳感器就會(huì)從原先的低功耗模式調(diào)換到高速的模式。當(dāng)響應(yīng)完成后，就會(huì)發(fā)出一個(gè)為50bit數(shù)據(jù)的響應(yīng)信號(hào)，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(huì)自動(dòng)的從高速模式轉(zhuǎn)換為低耗模式，就是在高速模式下，如果DHT11傳感器沒(méi)有收到初始信號(hào)，那么傳感器將不會(huì)自動(dòng)的收集數(shù)據(jù)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)起目的，所以在這個(gè)地方需要注意。一開(kāi)始的時(shí)候，大部分的總線的狀態(tài)是為高電平，當(dāng)我們向它發(fā)送初始信號(hào)時(shí)，主機(jī)將總線的高電平拉低（大于18ms），并等待DHT11響應(yīng)初始信號(hào)。接受到信號(hào)后并發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)，可以將其切換到輸出模式或者為高電平狀態(tài)。當(dāng)然，也有可能總線的狀態(tài)為低電平，那么DHT11就會(huì)不響應(yīng)。這時(shí)，我們就需要檢查線路問(wèn)題，看看接線是否又漏缺的，用萬(wàn)用表檢測(cè)有沒(méi)有虛焊的。最后一位的數(shù)據(jù)傳輸完成后，DHT11就會(huì)將總線拉低到初始值，最終到達(dá)一個(gè)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(guò)程5.4MQ-7煙霧傳感器與單片機(jī)通信流程圖MQ-7煙霧傳感器與單片機(jī)通信流程圖如圖21所示。當(dāng)MQ-2在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，電導(dǎo)率的變化會(huì)隨著煙霧的濃度變化而變化。煙霧的濃度越大，那么導(dǎo)電率就會(huì)越大，成正比，導(dǎo)電率變大了，其電阻值就會(huì)變小，輸出的信號(hào)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(jí)結(jié)束發(fā)出警報(bào)開(kāi)始采集煙霧信息YN圖21MQ-2與單片機(jī)流程圖當(dāng)傳感器采集煙霧時(shí)，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(dǎo)率改變，由于電阻不平衡的分布導(dǎo)致了電壓會(huì)再次的改變。當(dāng)達(dá)到了預(yù)設(shè)數(shù)值的時(shí)候，采集到的數(shù)據(jù)將通過(guò)內(nèi)部放大電路進(jìn)行傳輸，最終實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。該煙霧傳感器是由三部分組成，分別是兩個(gè)電阻線引腳，兩個(gè)輸入引腳和兩個(gè)輸出引腳。其中兩個(gè)輸出引腳端是接在一個(gè)信號(hào)放大器上的，主要功能是信號(hào)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(guò)路由器來(lái)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，可以使用手機(jī)或者計(jì)算機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。AP模式：ESP8266模塊可以成為熱點(diǎn)，供手機(jī)或者計(jì)算機(jī)使用，與模塊之間進(jìn)行直接通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線控制。STA+AP模式：兩種模式共存，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，操作方便。這次該系統(tǒng)使用AP模式來(lái)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)線控制。WIFI模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)與手機(jī)WIFI之間的通訊，以實(shí)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(guò)串口實(shí)現(xiàn)。通過(guò)發(fā)送相關(guān)的AT命令，系統(tǒng)可以完成WIFI模塊的操作和相應(yīng)的控制。其實(shí)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(lán)色、黃藍(lán)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(diǎn)為128*64，性價(jià)比高，容易上手。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器IC是為SSD1306的，通信協(xié)議一般是SPI或I2C。如圖22所示，設(shè)置什么模式主要基于三個(gè)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(shè)置為接地，用它來(lái)作為I2C協(xié)議的7位地址為0111100。將I設(shè)備的7位地址設(shè)置為0111100，可以寫入數(shù)據(jù)，不用讀取數(shù)據(jù)，所以從機(jī)地址為0x78。通信模式如圖23所示。從站地址開(kāi)始發(fā)送命令字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)。但是，主機(jī)必須每次都要等待響應(yīng)。圖23I2C總線數(shù)據(jù)格式5.7OneNET數(shù)據(jù)接收部分設(shè)計(jì)訪問(wèn)ONENET平臺(tái)網(wǎng)址為/，進(jìn)入右上角開(kāi)發(fā)者中心，注冊(cè)用戶并登陸，根據(jù)文檔中心，創(chuàng)建產(chǎn)品，創(chuàng)建設(shè)備，創(chuàng)建數(shù)據(jù)流。然后就是上報(bào)數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，可以在平臺(tái)的WEB界面中的設(shè)備數(shù)據(jù)顯示中查看報(bào)告的數(shù)據(jù)可以在平臺(tái)的WEB界面中的設(shè)備數(shù)據(jù)顯示中查看報(bào)告的數(shù)據(jù)。。6安全廚房環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的電路調(diào)試與檢測(cè)6.1硬件系統(tǒng)總體的調(diào)試一開(kāi)始，按著設(shè)計(jì)好的電路連接方式進(jìn)行焊接與接線，完成后，就要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)有沒(méi)有虛焊的，接線錯(cuò)誤的情況，來(lái)防止在測(cè)試功能的時(shí)候?qū)е鹿δ軣o(wú)法正常實(shí)現(xiàn)，避免做無(wú)用功。首先是用我們的肉眼來(lái)觀察，根據(jù)畫的電路圖進(jìn)行檢查線有沒(méi)有接錯(cuò)，有沒(méi)有虛焊。再確認(rèn)每個(gè)電路模塊的型號(hào)，規(guī)格和極性，以及元器件有沒(méi)有損壞，比如有根引腳斷了等問(wèn)題。最后就是最科學(xué)的方法，就是用萬(wàn)能表進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)整個(gè)電路是否通常，有無(wú)短路的情況，有的話就要一個(gè)個(gè)的模塊，部分進(jìn)行檢查。我在調(diào)試的時(shí)候就遇到了一些困難，在快要完成檢查的時(shí)候，可能因?yàn)橛X(jué)得沒(méi)啥問(wèn)題了，就忽略了LED的極性，在測(cè)試的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)報(bào)警燈不亮，最后再認(rèn)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(jué)細(xì)心還是挺重要的，不到最后一刻堅(jiān)決不放松。當(dāng)然，在運(yùn)行的過(guò)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(gè)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(chǔ)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(jìn)行全面的調(diào)試，，即進(jìn)行全面的調(diào)試，才能反饋整個(gè)系統(tǒng)的功能是否成功了。硬件調(diào)試成功后，就要對(duì)軟件進(jìn)行檢測(cè)，尤其是有沒(méi)有語(yǔ)法錯(cuò)誤，或者某些接口程序沒(méi)有編寫，導(dǎo)致功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，我用的是Keil編程軟件進(jìn)行編寫程序，因?yàn)樵趯W(xué)校也學(xué)習(xí)過(guò)此軟件，所以上手的快。編寫完成后需要編譯運(yùn)行，如果有錯(cuò)誤的話，上面會(huì)報(bào)錯(cuò)，導(dǎo)致無(wú)法編譯運(yùn)行，這有可能是語(yǔ)法錯(cuò)誤或者無(wú)效的參數(shù)，需要仔細(xì)的檢查。當(dāng)編譯運(yùn)行完成后，再通過(guò)ISP下載口將程序燒錄到單片機(jī)中。因?yàn)闆](méi)有一氧化碳的設(shè)備來(lái)模擬，因此在測(cè)試的時(shí)候，使用打火機(jī)來(lái)模擬一氧化碳和火焰，來(lái)測(cè)試顯示功能，最終，完成了功能的實(shí)現(xiàn)。7總結(jié)人們對(duì)環(huán)境能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和掌握，這樣人們的居住的舒適度將會(huì)大大的提升，幸福感將會(huì)提升一大截，因而在此次的設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，就設(shè)計(jì)出以STM32單片機(jī)為核心對(duì)環(huán)境監(jiān)控和報(bào)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(zāi)事故。此系統(tǒng)有溫度顯示，火焰和煤氣值的顯示，當(dāng)煤氣超過(guò)設(shè)置的值時(shí)，就會(huì)報(bào)警，把信息發(fā)給用戶的郵箱里，進(jìn)行報(bào)警提醒，從而用戶提前做出相對(duì)應(yīng)的措施。且該系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于理解，維修也簡(jiǎn)單，可以廣泛應(yīng)用于家庭，工廠，大棚等場(chǎng)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(qǐng)教，最終確認(rèn)了這一研究方向，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還是遇到了很多的困難，但也收獲了很多，除了在學(xué)校學(xué)以的51單片機(jī)，現(xiàn)在又了解使用了STM32的單片機(jī)，鍛煉了自己的自我學(xué)校能力以及獨(dú)自解決問(wèn)題的方法，為后面的工作實(shí)習(xí)中奠定了基礎(chǔ)。此次設(shè)計(jì)中還有很多的不足，因?yàn)樽陨淼慕?jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)的不足。所以希望以后能在老師的指導(dǎo)下，不斷的完善此次的設(shè)計(jì)，我的愿望是能夠作用于社會(huì)，能對(duì)社會(huì)做出貢獻(xiàn)，讓生活更加智能，讓社會(huì)更加安全。

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