宋 林，黃麒萱

(攀枝花學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

0 引言

目前的燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)在使用的過程中，檢測的種類單一，不便于對CO、煙霧濃度以及室內(nèi)是否有火焰進行檢測，導(dǎo)致燃?xì)庑孤z測系統(tǒng)的功能單一，影響燃?xì)庑孤z測的實用性以及準(zhǔn)確性。并且現(xiàn)有裝置不能通過無線模塊將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)端。針對上述問題，本文設(shè)計了一款可以同時檢測多種燃?xì)庖约皺z測明火的燃?xì)庑孤z測裝置，并且能夠?qū)崟r將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機網(wǎng)絡(luò)端，極大地提高了燃?xì)庑孤z測的實用性以及準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)可以檢測3種有害氣體濃度以及檢測火焰，可通過OLED顯示，并通過WiFi模塊與手機通信。當(dāng)氣體濃度超過設(shè)定閾值、蜂鳴器鳴響、LED燈閃爍、風(fēng)扇開啟時，該系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到手機網(wǎng)絡(luò)端并報警。首先，當(dāng)系統(tǒng)打開時，氣體傳感器和火焰?zhèn)鞲衅髯x取并記錄空氣中的CH4濃度、CO濃度和煙霧濃度參數(shù)在單片機中通過AD轉(zhuǎn)換成電信號，然后由單片機進行處理。其次，通過DT-06無線WiFi透傳模塊與手機完成信息傳遞，并將所得到的信息實時傳輸至手機[1]。最后，通過將測量值與預(yù)設(shè)閾值對比，并根據(jù)所得到的結(jié)果控制相應(yīng)的執(zhí)行器動作。如果煙霧濃度大于預(yù)設(shè)閾值，蜂鳴器報警，LED燈將閃爍，風(fēng)扇將打開。當(dāng)濃度降至預(yù)設(shè)值以下時，風(fēng)扇關(guān)閉，蜂鳴器停止鳴響，LED燈熄滅。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到明火時，LED燈閃爍，手機端顯示異常。系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 系統(tǒng)的功能和特色

該系統(tǒng)的具體功能和特色如下：

(1)該系統(tǒng)能同時檢測多種有害氣體的濃度。該系統(tǒng)針對不同的有害氣使用了3種不同的氣體檢測傳感器，通過多個傳感器的協(xié)同作用，極大地提高了燃?xì)庑孤z測的實用性以及準(zhǔn)確性。

(2)該系統(tǒng)可以手動調(diào)節(jié)每一個檢測數(shù)據(jù)的檢測閾值，使該裝置可以在不同場景、不同環(huán)境下完成檢測任務(wù)。

(3)該系統(tǒng)可以通過無線WiFi透傳模塊與手機完成信息傳遞，并將所得到的信息實時傳輸至手機，可以讓用戶第一時間發(fā)現(xiàn)異常。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 STM32F103C8T6主控芯片

燃?xì)庑孤z測裝置以意法半導(dǎo)體開發(fā)的增強型微控芯片STM32F103C8T6為主控芯片，是ARM一氧化碳rtex-M3的內(nèi)核，具有32位CPU、64KB的存儲容量、72 MHz的系統(tǒng)時鐘、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D。片內(nèi)外設(shè)有存儲器、電機控制脈沖寬度調(diào)制。

3.2 氣體濃度檢測模塊

本系統(tǒng)采用MQ-2煙霧傳感器檢測空氣中的煙霧濃度。MQ-2煙霧傳感器是多種氣體探測器，使用SnO2半導(dǎo)體的氣體傳感器，當(dāng)溫度為200～300 ℃時，SnO2通過和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，降低傳感器中的電子密度，其電阻值上升[2]。當(dāng)與煙霧接觸時，由于煙霧調(diào)節(jié)、晶界勢壘發(fā)生變化，這會讓其內(nèi)部的通電情況發(fā)生變化[3]。同時，MQ-2煙霧傳感器還具有氣體檢測靈敏度高、檢測數(shù)據(jù)平穩(wěn)、耐久度極高、氣體檢測響應(yīng)快、電路不復(fù)雜等優(yōu)點。本系統(tǒng)選擇CH4濃度傳感器MQ-4來檢測CH4濃度。MQ-4的檢測范圍很寬，傳感器的導(dǎo)電性隨著空氣中燃料氣體濃度的增加而增加，其特點是對可燃?xì)怏w(如CH4以及烷烴類物質(zhì))的親和度較高，對C2H6O和NH4NO3的親和度低，檢測速度靈敏，性價比高，誤差很小，驅(qū)動電路易于應(yīng)用。本系統(tǒng)選用MQ-7 CO濃度傳感器檢測CO濃度。MQ-7的檢測范圍廣，采用特色的檢測法檢測低溫(1.50 V條件下進行加熱)下的CO[4]。通過簡單的電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，尤其對CO具有高靈敏度[5]。

3.3 火焰檢測模塊

本系統(tǒng)選用火焰?zhèn)鞲衅鱽頇z驗環(huán)境中是否存在明火?；鹧?zhèn)鞲衅鞯募夹g(shù)參數(shù)如下：

(1)工作電壓范圍3.3～5 V；工作溫度范圍-10～50 ℃；

(2)通過調(diào)節(jié)旋鈕來調(diào)節(jié)靈敏度；

(3)當(dāng)探測角度約為60°時，此時傳感器對火焰的檢測靈敏度最高；

(4)以數(shù)字信號輸出，當(dāng)檢測到周圍環(huán)境存在火焰時輸出數(shù)字信號1，否則輸出數(shù)字信號0。

3.4 無線通信模塊

WiFi-TTL模塊可引出多種不同功能的串口引腳。內(nèi)置最新版本的透明串口固件，可完成設(shè)備到端口到WiFi云的透明實時數(shù)據(jù)傳輸，十分節(jié)能、可以輕易獲取當(dāng)前狀態(tài)等功能。該模塊可以直接替代常規(guī)有線接口，以實現(xiàn)嵌入式設(shè)備的運行操作[6]。WiFi-TTL模塊的特點如下：具備很強的兼容性；內(nèi)置透明固件V3 0網(wǎng)絡(luò)接口配置；基于esp-m2的高性能WiFi模塊，總尺寸為4 mm×34 mm×17 mm；電源電壓為4.5～6 V。發(fā)送WiFi數(shù)據(jù)時，支持指令上的串行接口，支持重新編程和OTA固件升級，實時無縫傳輸串行接口和WiFi數(shù)據(jù)。內(nèi)置HTTP Web服務(wù)器，支持各種參數(shù)的網(wǎng)站配置，WiFi支持AP，STA和AP STA模式，支持WiFi STA模式下的自動重新連接，串行接口支持設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位和子訂單時間[7]；支持AP激活、自定義SSID密碼、自定義P和網(wǎng)段等；自動掃描周邊熱點；運行IO4查看WiFi狀態(tài)。工作溫度范圍極其廣泛，可以適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

3.5 其他重要模塊

本系統(tǒng)OLED模塊用于顯示CO、CH4、煙霧濃度的閾值和測量值以及火焰檢測情況，系統(tǒng)采用了0.96寸4針腳設(shè)計的OLED模塊，其接口為接地端GND，VCC電源輸入端3.3～5.0 V，時鐘信號線SCL和雙向數(shù)據(jù)線SDA。按鍵模塊包含3個按鍵。按鍵KEY1連接到主機單片機的P12，按鍵KEY2連接到單片機實物P13，按鍵KEY3連接到單片機的P14，主要利用按鍵按下電路導(dǎo)通、按鍵斷開、電路關(guān)閉的物理原理。風(fēng)扇驅(qū)動模塊采用的S8050NPN三極管驅(qū)動。報警電路模塊通過蜂鳴器實現(xiàn)報警功能，當(dāng)單片機的控制引腳為低電平時，蜂鳴器報警。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計的總體組成為：STM32主控芯片模塊、氣體濃度檢測模塊、火焰檢測模塊、無線通信模塊、OLED顯示模塊、按鍵模塊、風(fēng)扇驅(qū)動模塊、報警電路模塊、電源電路等，詳細(xì)系統(tǒng)實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路

5 結(jié)語

本文基于 STM32F103C8T6 設(shè)計了燃?xì)庑孤z測裝置，對氣體環(huán)境改善和人類安全生活有著重大意義，通過查閱了大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料并結(jié)合實際，成功制作出了一套性價比高、高效快速、多功能的智能燃?xì)鈾z測報警系統(tǒng)?，F(xiàn)在將設(shè)計過程步驟總結(jié)如下：

(1)先從系統(tǒng)的總體出發(fā)，針對每個模塊進行嚴(yán)格的分析和選型。

(2)經(jīng)分析后，采用STM32F103C8T6單片機為控制器、MQ-2、MQ-4、MQ-7電化學(xué)氣體傳感器為氣體檢測元件，并以此為基礎(chǔ)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、液晶顯示、聲光報警、串口通信等電路的設(shè)計。

(3)采用C語言對程序進行編寫。編寫過程中采用模塊化，極大程度上降低了編寫程序的工作量以及檢測程序時所花費的時間和精力。最終各個硬件在程序的控制下按照既定的工作方式正常運作。

(4)將編寫好的整套程序燒錄進單片機中，使用keil 5完成在調(diào)試，并用AD設(shè)計系統(tǒng)PCB完成實物拼裝。