王　東,莫　先

(重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,重慶　400054)

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基于STM32智能家居的燃?xì)鈾z測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王東,莫先

(重慶理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400054)

摘要：針對(duì)廚房中燃?xì)夤艿澜涌?、燃?xì)庠?、燃?xì)鉄崴鞯瓤赡艹霈F(xiàn)的燃?xì)庑孤秵栴}，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于低功耗系列單片機(jī)——STM32L系列的燃?xì)庑孤逗蜏囟葯z測系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了燃?xì)鉂舛群蜏囟鹊膶?shí)時(shí)、連續(xù)、可靠的檢測，測試結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。

關(guān)鍵詞：STM32；燃?xì)鈾z測；溫度檢測；智能家居

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，液化氣和天然氣逐漸成為我國居民的主要燃料。燃?xì)庠跒槿藗兲峁┙?jīng)濟(jì)、快捷、生態(tài)生活的同時(shí)，也會(huì)由于使用不當(dāng)導(dǎo)致燃?xì)庑孤?，因此引發(fā)的事故會(huì)嚴(yán)重?fù)p害人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。液化氣的主要成份是CO，如果發(fā)生泄漏，當(dāng)屋內(nèi)的CO濃度高于0.06%時(shí)，人的身體會(huì)出現(xiàn)頭痛、頭暈、嘔吐、惡心、四肢乏力等癥狀；當(dāng)CO濃度超過0.1%時(shí)，持續(xù)吸入半小時(shí)，人會(huì)昏睡，進(jìn)而昏迷；達(dá)到0.4%時(shí)，持續(xù)吸入1 h就可導(dǎo)致死亡，可見當(dāng)燃?xì)庑孤稌r(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理極為重要。天然氣主要由甲烷組成，不同于CO，天然氣無毒、無害。但如果發(fā)生天然氣泄漏，當(dāng)室內(nèi)天然氣的濃度較高時(shí)，室內(nèi)的O2濃度不能保證正常的O2呼入，也會(huì)致人死亡。無論何種燃?xì)?，將它們用做燃料時(shí)，當(dāng)其泄露在空氣中超過一定濃度，就會(huì)發(fā)生爆炸，造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失[1]。

基于低功耗單片機(jī)STM32L系列的室內(nèi)燃?xì)庑孤侗O(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)掌握室內(nèi)溫度和燃?xì)鉂舛鹊淖兓?，?dāng)在室內(nèi)檢測到可燃?xì)怏w時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒人們發(fā)生室內(nèi)燃?xì)庑孤?，方便人們及時(shí)進(jìn)行處理，為家庭安全提供保障[2]。

1系統(tǒng)總體介紹

本系統(tǒng)主要由MQ-4燃?xì)鈾z測傳感器、DS18B20溫度檢測傳感器、LCD顯示屏、STM32L151單片機(jī)、電源模塊和報(bào)警裝置組成。

1.1MCU 介紹

采用ST低功耗L系列單片機(jī)—STM32L151作為系統(tǒng)的主控芯片。

STM32L處理器的工作模式劃分為6種，使其在任何設(shè)定時(shí)間內(nèi)都能以最低的功耗完成任務(wù)。具體模式如下：

1) 10.4 μA低功耗運(yùn)行模式：32 kHz運(yùn)行頻率；

2) 6.1 μA低功耗睡眠模式：1個(gè)計(jì)時(shí)器工作；

3) 1.3 μA 停機(jī)模式：實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)運(yùn)行，保存上下文，保留RAM內(nèi)容；

4) 0.5 μA 停機(jī)模式：無實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行，保存上下文，保留RAM內(nèi)容；

5) 1.0 μA待機(jī)模式：實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行，保存后備寄存器；

6) 270 nA待機(jī)模式：無實(shí)時(shí)時(shí)鐘運(yùn)行，保存后備寄存器

STM32L根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)6種模式的切換，保證了功耗性。

1.2MQ-4天然氣、甲烷傳感器模塊介紹

MQ-4氣體傳感器使用的氣敏材料是在空氣中電導(dǎo)率較低的 SnO2。當(dāng)MQ-4所在的環(huán)境中有可燃?xì)怏w存在時(shí)，MQ-4的電導(dǎo)率將會(huì)隨周圍可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用較簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)輸出。 MQ-4氣體傳感器對(duì)甲烷的靈敏度較高，對(duì)丙烷、丁烷也有較好的敏感度。MQ-4可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[4]。

MQ-4適用于家庭或工廠的甲烷氣體、天然氣氣體等的檢測，可測試天然氣、甲烷的濃度范圍為(300 ～10 000)×10-6。

圖1　MQ-4模塊

1.3DS18B20溫度傳感器介紹

溫度檢測時(shí)一般選用熱敏電阻作為傳感器，可檢測溫度范圍為40～90 ℃。熱敏電阻同其他檢測方法相比其穩(wěn)定性不高，準(zhǔn)確度較低，對(duì)于1 ℃ 以下的溫度檢測適用性不大，它必須經(jīng)過傳感器內(nèi)部專門的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能由MCU進(jìn)行讀取[6]。

目前，通常使用的MCU與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的串行總線方式主要有spi總線、i2c總線等。i2c以串行方式通過1條數(shù)據(jù)線和1條時(shí)鐘線與外部設(shè)備進(jìn)行通信，SPI則以串行方式通過1條數(shù)據(jù)發(fā)送線、1條數(shù)據(jù)接收線、1條時(shí)鐘線的三線方式與外部設(shè)備進(jìn)行通信。DS18B20使用1條總線的方式與外部設(shè)備進(jìn)行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都在一條總線上面進(jìn)行。 MCU只需要1個(gè)IO口就可以和掛在上面的許多外部設(shè)備進(jìn)行通信，從而簡化邏輯電路和減少IO口的使用。這種單總線通信方式與其他通信方式相比具有極大的優(yōu)勢[7]。單總線通信方式只使用一根總線實(shí)現(xiàn)MCU與外部設(shè)備的通信，數(shù)據(jù)和控制信號(hào)傳輸?shù)榷纪ㄟ^這根總線分時(shí)完成[8-9]。MCU或從機(jī)通過1個(gè)三態(tài)端口或漏極開路接到該總線。當(dāng)設(shè)備不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，釋放總線，把總線分配給其他外部設(shè)備使用。由于IO口驅(qū)動(dòng)能力有限，因此要在單總線上接1個(gè)外部上拉電阻，當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)為高。

DS18B20數(shù)字信號(hào)輸出溫度檢測傳感器與傳統(tǒng)溫度傳感器的不同之處在于使用單總線與MCU通信，采用直接數(shù)字輸出，轉(zhuǎn)換速度快，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

1.4系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)包括前端2個(gè)MQ-4和2個(gè)DS18B20溫度傳感器，可分別采集廚房和燃?xì)鉄崴鳉夤芴幍娜細(xì)鉂舛群蜏囟?。MQ-4有AO和DO輸出，DO直接輸出至蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，AO輸出至STM32L151 PA0 ADC口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，結(jié)果通過LCD和串口顯示。DS18B20使用PA1口進(jìn)行單總線數(shù)據(jù)傳輸，溫度結(jié)果通過LCD和串口打印顯示。當(dāng)用戶需要溫度和濃度數(shù)據(jù)時(shí)，可以發(fā)送一條指令給GSM系統(tǒng)，系統(tǒng)收到指令時(shí)，會(huì)把溫度信息和燃?xì)鉂舛刃畔l(fā)送到手機(jī)。當(dāng)燃?xì)鉂舛雀哂谝欢ㄖ禃r(shí)，系統(tǒng)也會(huì)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)信息到手機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)采用聚合物鋰電池供電，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1燃?xì)鈾z測硬件設(shè)計(jì)

圖3為MQ-4的基本電路。MQ-4傳感器施加了2個(gè)電壓：加熱電壓(VH)和測試傳感器電壓(VC)。其中，VH電壓用于加熱傳感器，為其提供工作所需的溫度,可采用AC或者DC。 VRL是傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻(RL)上的電壓。VC是為負(fù)載電阻RL提供測試的電壓，須采用DC。

圖2　系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖3　 MQ-4基本電路

圖4為MQ-4接口，由上到下分別有4個(gè)接口。前面2個(gè)分別為電源正、負(fù)級(jí)接口；第3個(gè)為D0輸出接口。當(dāng)檢測到有燃?xì)庑孤稌r(shí)，輸出低電平，否則輸出高電平，此接口直接接蜂鳴器，當(dāng)有燃?xì)庑孤稌r(shí)可以進(jìn)行報(bào)警；最后一個(gè)接口為AO輸出接口，相對(duì)無污染狀態(tài)下輸出0.1～0.3 V，最高濃度電壓為4 V左右，因此接MCU的ADC接口直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到燃?xì)鉂舛鹊木_值。

圖4　MQ-4接口

2.2溫度檢測硬件設(shè)計(jì)

溫度傳感器復(fù)位及應(yīng)答時(shí)序流程：溫度傳感器在進(jìn)行復(fù)位和應(yīng)答時(shí)，首先是MCU釋放總線；然后將總線拉為低電平，延時(shí)480 μs后，把總線拉為高電平；等待15～60 μs，溫度傳感器將返回MCU一個(gè)低電平信號(hào)，該信號(hào)即存在信號(hào)，MCU檢測到存在信號(hào)后，釋放總線；最后，MCU與溫度傳感器達(dá)成通信協(xié)議以進(jìn)行通信。DS18B20復(fù)位及應(yīng)答示意圖如圖5。

圖5　DS18B20 復(fù)位及應(yīng)答示意圖

寫數(shù)據(jù)時(shí)，MCU首先將總線拉低，之后芯片會(huì)對(duì)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。具體操作方法為：MCU先將總線拉為低電平保持15 μs，如果寫0，延時(shí)至少45 μs，之后再將其拉高；如果寫1，先將其拉高，延時(shí)至少45 μs。DS18B20寫時(shí)間隙見圖6。

圖6　DS18B20 寫時(shí)間隙

讀數(shù)據(jù)時(shí)， MCU首先釋放總線，然后把總線拉為低電平，延時(shí)保持1 μs以上，該信號(hào)表示即將開始讀，然后釋放總線，溫度傳感器發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位給總線，MCU會(huì)在15 μs內(nèi)讀完總線上的數(shù)據(jù)，讀完后不解除對(duì)總線的控制權(quán)，保持45 μs的延時(shí)以保證數(shù)據(jù)讀取所需時(shí)間。DS18B20讀時(shí)間隙見圖7。

MCU與溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸主要依靠MCU 根據(jù)單總線協(xié)議在一條總線上面產(chǎn)生各種時(shí)序?qū)崿F(xiàn)。

圖7　DS18B20讀時(shí)間隙

2.3LCD硬件設(shè)計(jì)

LCD采用四線SPI協(xié)議與MCU進(jìn)行通信。 SPI 接口一般由4根數(shù)據(jù)線組成，包括CS片選信號(hào)線，SCLK時(shí)鐘信號(hào)線，MISO主機(jī)輸入、從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線和MOSI主機(jī)輸出、從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線。其中，CS為使能信號(hào)，只有當(dāng)使能信號(hào)為低時(shí)，該設(shè)備才被選中。選中后，MOSI和MISO可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[10]。

讀操作為：在前8個(gè)時(shí)鐘主機(jī)發(fā)送地址給從機(jī)，后8個(gè)時(shí)鐘從機(jī)接收到地址后返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送地址給從機(jī)時(shí)，會(huì)在地址的最高位加0以表示讀，其余后7位為從機(jī)內(nèi)部寄存器地址，從機(jī)接收到高位讀標(biāo)志和后面的7位寄存器地址后，會(huì)在后面返回寄存器的值給主機(jī)，完成1次讀操作。讀操作時(shí)序圖見圖8。

寫操作同樣由16個(gè)時(shí)鐘組成，前8個(gè)時(shí)鐘主機(jī)發(fā)送8位將要寫的地址到從機(jī)，后8個(gè)時(shí)鐘主機(jī)發(fā)送8位要寫入的數(shù)據(jù)。當(dāng)寫操作開始時(shí)，首位表示寫標(biāo)志位，SPI協(xié)議寫操作規(guī)定首位為1，因此，在寫操作時(shí)，8位數(shù)據(jù)由1位寫標(biāo)志位和7位地址組成。當(dāng)從機(jī)接收到由1位寫標(biāo)志位和7位地址組成的數(shù)據(jù)后，從機(jī)等待第2次發(fā)送的數(shù)據(jù)，將第2次發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入剛剛的地址寄存器，完成1次寫操作。寫操作時(shí)序圖見圖9。

圖8　讀操作時(shí)序圖

圖9　寫操作時(shí)序圖

LCD液晶顯示屏主要用于室內(nèi)燃?xì)鉂舛雀邥r(shí)的實(shí)時(shí)顯示和溫度的實(shí)時(shí)顯示。圖10為LCD詳細(xì)電路。

圖10　LCD詳細(xì)電路

2.4電源管理

系統(tǒng)采用鋰電池供電。充電器輸出5 V電壓直接提供管理鋰電池的充電芯片，使用管理芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充電管理。鋰電池充電電壓為5 V，容量為500 mAh。由于鋰電池在放電過程中輸出電壓會(huì)下降，而系統(tǒng)工作在3.3V，因此需要增加1個(gè)穩(wěn)壓器以保證系統(tǒng)正常工作。穩(wěn)壓芯片的輸出電壓穩(wěn)定在3.3 V，可以輸出500 mA的電流，壓差最低可達(dá)70 mV，外圍電路簡單，滿足電源要求。電源管理電路見圖11。

圖11　電源管理電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1燃?xì)鈾z測軟件設(shè)計(jì)

由于MQ-4會(huì)根據(jù)檢測氣體濃度狀態(tài)的不同直接輸出模擬信號(hào)，輸出的信號(hào)實(shí)時(shí)更新，因此燃?xì)鈾z測采用ADC和DMA方式進(jìn)行傳送。ADC能把模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，便于存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和傳送。軟件設(shè)計(jì)流程如下：首先初始化ADC和DMA，使ADC工作于DMA方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；ADC獲得總線上的電壓值后，自動(dòng)將電壓轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號(hào)，此時(shí)DMA把ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳送到內(nèi)存，期間無需CPU干預(yù)，可節(jié)約CPU資源；將內(nèi)存的值除以4 096后再乘以4獲得當(dāng)前電壓值(ADC為12，所以除以4 096，濃度最高時(shí)電壓為4 V，所以乘以4)，將電壓值乘25獲得濃度(傳感器特性是電壓線性變化)，最后送顯示。按照該流程循環(huán)得到實(shí)時(shí)燃?xì)鉂舛戎?，如圖12所示。

3.2溫度檢測軟件設(shè)計(jì)

首先，MCU發(fā)送指令初始化DS18B20，讓通信雙方達(dá)成基本通信協(xié)議。由于總線上只掛了一個(gè)DS18B20溫度傳感器，因此直接跳過ROM發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令0x44h，DS18B20接收指令后準(zhǔn)備好溫度數(shù)據(jù)，在讀溫度前至少等待750 μs，之后重新初始化讀取存儲(chǔ)器中已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過計(jì)算獲得準(zhǔn)確溫度值，最后將計(jì)算出來的溫度值傳送到串口和LCD上面顯示以方便測試。由于溫度在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的變化，因此采用定時(shí)器中斷方式執(zhí)行中斷程序。程序設(shè)計(jì)每2 s中斷1次讀取溫度傳感器，即每2 s執(zhí)行1次溫度獲取流程(見圖13)。

圖13　溫度獲取流程

4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)測試軟件設(shè)計(jì)

采用定時(shí)器中斷方式獲取溫度值，每2 s獲取1次。在這2 s內(nèi)，CPU可執(zhí)行其他程序以節(jié)約CPU資源，也可實(shí)時(shí)獲得最新溫度值滿足實(shí)際需要。燃?xì)鈧鞲衅?00 ms中斷1次獲得當(dāng)前濃度信息，并將所有信息傳送到LCD和串口進(jìn)行顯示。系統(tǒng)測試流程見圖14。

圖14　系統(tǒng)測試流程

4.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

4.2.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)物圖

為了測試系統(tǒng)性能，本文分別給出了燃?xì)庑孤肚昂蟮膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并使用普通打火機(jī)進(jìn)行測試，系統(tǒng)實(shí)物如圖15所示。

圖15　系統(tǒng)實(shí)物

在無燃?xì)庑孤肚闆r下，可以看到LCD和串口溫度顯示都是26℃，即當(dāng)前室溫，測試結(jié)果正確。MQ-4在沒有檢測到燃?xì)獾臅r(shí)候，AO口也會(huì)輸出0.1～0.6 V電壓，故濃度顯示在15%左右，測試結(jié)果正確。

圖16　無燃?xì)馇癓CD數(shù)據(jù)

圖17　無燃?xì)馇按跀?shù)據(jù)

圖18　施加燃?xì)?/p>

在有燃?xì)庑孤兜那闆r下，溫度顯示為26 ℃，室內(nèi)溫度沒有變化，溫度顯示正確。燃?xì)鉂舛扔?9.98%變?yōu)?4.54%，原因是：當(dāng)燃?xì)饨咏鼈鞲衅鲿r(shí)，濃度達(dá)到最大，故此時(shí)燃?xì)鉂舛蕊@示99.98%，一旦燃?xì)庑孤吨兄?，空氣中的燃?xì)鉂舛葘⒙迪聛恚驗(yàn)榭諝鈺?huì)稀釋燃?xì)鉂舛?，因此燃?xì)鉂舛蕊@示結(jié)果為24.54%，如串口和LCD顯示。

圖19　施加燃?xì)夂驦CD數(shù)據(jù)

圖20　施加燃?xì)夂蟠跀?shù)據(jù)

4.2.2系統(tǒng)測試分析

實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度為20 ℃左右。經(jīng)過100次測試，顯示平均溫度為19.9 ℃，方差為0.3，證明溫度系統(tǒng)具有穩(wěn)定性(見圖21)。

圖21　溫度測試數(shù)據(jù)

圖22是施加燃?xì)馇昂蟮?00次數(shù)據(jù)。由于每次施加燃?xì)鈺r(shí)都存在之前余留的一定濃度的燃?xì)?，因此?shí)際濃度有所上升。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：施加燃?xì)馇捌骄鶟舛葹?3.4%，方差為0.005；施加燃?xì)夂笃骄鶟舛葹?0.8%，方差為0.15，測試數(shù)據(jù)證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖22　燃?xì)鉂舛葴y試數(shù)據(jù)

5結(jié)束語

本文從測量準(zhǔn)確性、功耗、家庭實(shí)用性等角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)了燃?xì)鉂舛群蜏囟葯z測系統(tǒng)。所選用芯片和模塊符合低功耗的原則，具有體積小、可靠性高、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，可用于家庭燃?xì)鉂舛群蜏囟鹊膶?shí)時(shí)、連續(xù)檢測，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Design and Implementation Smart Home of Gas Detection System Based on STM32

WANG Dong, MO Xian

(College of Computer Science and Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:In the family kitchen, gas pipeline interface, kitchen burning gas, gas water heater may have gas leak problems. The detection gas leakage and temperature detection system was designed and implemented based on low power consumption MCU-STM32L series. The overall design, system hardware design, system software design of the system were introduced in detail, and the system realized the real-time, continuous and reliable detection of the gas concentration and temperature. The test result verifies the practicability and effectiveness of the system.

Key words:STM32; gas detection; temperature detection; smart home

文章編號(hào)：1674-8425(2016)04-0108-08

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.019

作者簡介：王東(1969—)，男，江蘇人，副教授,主要從事嵌入式技術(shù)研究； 莫先(1990—)，男，四川南充人，碩士研究生，主要從事嵌入式技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目 (KJ1400907); 重慶市自然科學(xué)基金計(jì)劃資助項(xiàng)目(cstc2011jjA40026)

收稿日期：2015-12-10

引用格式：王東,莫先.基于STM32智能家居的燃?xì)鈾z測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(4):108-115.

Citation format：WANG Dong, MO Xian.Design and Implementation Smart Home of Gas Detection System Based on STM32 [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):108-115.