基于STM32F103C8T6的燃气泄漏检测装置设计

来源:用户上传      作者:宋林，黄麒萱

　　摘要： 文章设计了一款燃气泄漏检测装置，以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，由SSD1306显示模块、3种有害气体检测模块、火焰传感器、无线通信模块和报警电路等组成检测系统。当该装置的有害气体检测模块探测到周围环境中的低浓度可燃气体时，可通过采样电路将探测信号传递给控制器。当可燃气体浓度超过控制器中的设定阈值时，控制器通过执行机构发出报警信号，同时开启风扇并实时通过无线通信模块将数据上传至手机。该检测装置可以极大地减少燃气使用过程中可能带来的危害。
　　关键词：STM32F103C8T6；气体检测模块；采样电路；控制器；执行器
　　0引言
　　目前的燃气泄漏检测系统在使用的过程中，检测的种类单一，不便于对CO、烟雾浓度以及室内是否有火焰进行检测，导致燃气泄漏检测系统的功能单一，影响燃气泄漏检测的实用性以及准确性。并且现有装置不能通过无线模块将检测数据发送到网络端。针对上述问题，本文设计了一款可以同时检测多种燃气以及检测明火的燃气泄漏检测装置，并且能够实时将数据发送到手机网络端，极大地提高了燃气泄漏检测的实用性以及准确性。
　　1系统总体设计
　　该系统可以检测3N有害气体浓度以及检测火焰，可通过OLED显示，并通过WiFi模块与手机通信。当气体浓度超过设定阈值、蜂鸣器鸣响、LED灯闪烁、风扇开启时，该系统可将数据实时发送到手机网络端并报警。首先，当系统打开时，气体传感器和火焰传感器读取并记录空气中的CH4浓度、CO浓度和烟雾浓度参数在单片机中通过AD转换成电信号，然后由单片机进行处理。其次，通过DT-06无线WiFi透传模块与手机完成信息传递，并将所得到的信息实时传输至手机［1］。最后，通过将测量值与预设阈值对比，并根据所得到的结果控制相应的执行器动作。如果烟雾浓度大于预设阈值，蜂鸣器报警，LED灯将闪烁，风扇将打开。当浓度降至预设值以下时，风扇关闭，蜂鸣器停止鸣响，LED灯熄灭。当火焰传感器检测到明火时，LED灯闪烁，手机端显示异常。系统设计如图1所示。
　　2系统的功能和特色
　　该系统的具体功能和特色如下：（1）该系统能同时检测多种有害气体的浓度。该系统针对不同的有害气使用了3种不同的气体检测传感器，通过多个传感器的协同作用，极大地提高了燃气泄漏检测的实用性以及准确性。（2）该系统可以手动调节每一个检测数据的检测阈值，使该装置可以在不同场景、不同环境下完成检测任务。（3）该系统可以通过无线WiFi透传模块与手机完成信息传递，并将所得到的信息实时传输至手机，可以让用户第一时间发现异常。
　　3系统硬件设计
　　3.1STM32F103C8T6主控芯片
　　燃气泄漏检测装置以意法半导体开发的增强型微控芯片STM32F103C8T6为主控芯片，是ARM一氧化碳rtex-M3的内核，具有32位CPU、64KB的存储容量、72 MHz的系统时钟、12位模数转换器A/D。片内外设有存储器、电机控制脉冲宽度调制。
　　3.2气体浓度检测模块
　　本系统采用MQ-2烟雾传感器检测空气中的烟雾浓度。MQ-2烟雾传感器是多种气体探测器，使用SnO2半导体的气体传感器，当温度为200～300 ℃时，SnO2通过和氧气发生电化学反应，降低传感器中的电子密度，其电阻值上升［2］。当与烟雾接触时，由于烟雾调节、晶界势垒发生变化，这会让其内部的通电情况发生变化［3］。同时，MQ-2烟雾传感器还具有气体检测灵敏度高、检测数据平稳、耐久度极高、气体检测响应快、电路不复杂等优点。本系统选择CH4浓度传感器MQ-4来检测CH4浓度。MQ-4的检测范围很宽，传感器的导电性随着空气中燃料气体浓度的增加而增加，其特点是对可燃气体（如CH4以及烷烃类物质）的亲和度较高，对C2H6O和NH4NO3的亲和度低，检测速度灵敏，性价比高，误差很小，驱动电路易于应用。本系统选用MQ-7 CO浓度传感器检测CO浓度。MQ-7的检测范围广，采用特色的检测法检测低温（1.50 V条件下进行加热）下的CO［4］。通过简单的电路将电导率的变化转换成与气体浓度相对应的输出信号，尤其对CO具有高灵敏度［5］。
　　3.3火焰检测模块
　　本系统选用火焰传感器来检验环境中是否存在明火。火焰传感器的技术参数如下：
　　（1）工作电压范围3.3～5 V；工作温度范围-10～50 ℃；
　　（2）通过调节旋钮来调节灵敏度；
　　（3）当探测角度约为60°时，此时传感器对火焰的检测灵敏度最高；
　　（4）以数字信号输出，当检测到周围环境存在火焰时输出数字信号1，否则输出数字信号0。
　　3.4无线通信模块
　　WiFi-TTL模块可引出多种不同功能的串口引脚。内置最新版本的透明串口固件，可完成设备到端口到WiFi云的透明实时数据传输，十分节能、可以轻易获取当前状态等功能。该模块可以直接替代常规有线接口，以实现嵌入式设备的运行操作［6］。WiFi-TTL模块的特点如下：具备很强的兼容性；内置透明固件V3 0网络接口配置；基于esp-m2的高性能WiFi模块，总尺寸为4 mm×34 mm×17 mm；电源电压为4.5～6 V。发送WiFi数据时，支持指令上的串行接口，支持重新编程和OTA固件升级，实时无缝传输串行接口和WiFi数据。内置HTTP Web服务器，支持各种参数的网站配置，WiFi支持AP，STA和AP STA模式，支持WiFi STA模式下的自动重新连接，串行接口支持设置波特率、数据位、奇偶校验、停止位和子订单时间［7］；支持AP激活、自定义SSID密码、自定义P和网段等；自动扫描周边热点；运行IO4查看WiFi状态。工作温度范围极其广泛，可以适应各种恶劣环境。
　　3.5其他重要模块

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　　本系yOLED模块用于显示CO、CH4、烟雾浓度的阈值和测量值以及火焰检测情况，系统采用了0.96寸4针脚设计的OLED模块，其接口为接地端GND，VCC电源输入端3.3～5.0 V，时钟信号线SCL和双向数据线SDA。按键模块包含3个按键。按键KEY1连接到主机单片机的P12，按键KEY2连接到单片机实物P13，按键KEY3连接到单片机的P14，主要利用按键按下电路导通、按键断开、电路关闭的物理原理。风扇驱动模块采用的S8050NPN三极管驱动。报警电路模块通过蜂鸣器实现报警功能，当单片机的控制引脚为低电平时，蜂鸣器报警。
　　4系统实现
　　本系统设计的总体组成为：STM32主控芯片模块、气体浓度检测模块、火焰检测模块、无线通信模块、OLED显示模块、按键模块、风扇驱动模块、报警电路模块、电源电路等，详细系统实现如图2所示。
　　5结语
　　本文基于 STM32F103C8T6 设计了燃气泄漏检测装置，对气体环境改善和人类安全生活有着重大意义，通过查阅了大量的国内外相关文献资料并结合实际，成功制作出了一套性价比高、高效快速、多功能的智能燃气检测报警系统。现在将设计过程步骤总结如下：（1）先从系统的总体出发，针对每个模块进行严格的分析和选型。（2）经分析后，采用STM32F103C8T6单片机为控制器、MQ-2、MQ-4、MQ-7电化学气体传感器为气体检测元件，并以此为基础完成模数转换、液晶显示、声光报警、串口通信等电路的设计。（3）采用C语言对程序进行编写。编写过程中采用模块化，极大程度上降低了编写程序的工作量以及检测程序时所花费的时间和精力。最终各个硬件在程序的控制下按照既定的工作方式正常运作。（4）将编写好的整套程序烧录进单片机中，使用keil 5完成在调试，并用AD设计系统PCB完成实物拼装。
　　［参考文献］
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　　［2］蔡燕敏，郑少锋.基于Arduino的开放式实验室智能管理系统的研究［J］.实验室科学，2016（5）：49-52.
　　［3］周熊.基于AT89C52单片机的烟雾报警器设计［J］.电子设计工程，2013（1）：164-165，169.
　　［4］包子建.基于IoT的污染监测系统的设计与实现［J］.电脑知识与技术，2019（6）：255-256.
　　［5］单吉明.两轮自平衡巡检机器人的设计与实现［D］.兰州：西北师范大学，2013.
　　［6］马慧，杭潇，沈胥.智能空气检测与控制系统的设计与实现［J］.信息通信，2018（8）：82-84.
　　［7］韩朋朋.基于ZigBee的中国林蛙养殖大棚监测系统的研究与开发［D］.上海：东华大学，2012.
　　（编辑王雪芬）
　　Design of gas leakage detection device based on STM32F103C8T6
　　Song Lin， Huang Qixuan
　　（Panzhihua University， Panzhihua 617000， China）
　　Abstract： This paper designs a gas leak detection device with STM32F103C8T6 microcontroller as the main controller chip， combined with SSD1306 display module， three kinds of harmful gas detection module， flame sensor， wireless communication module and alarm circuit to form a detection system. When the harmful gas detection module of the device detects the low concentration of combustible gas in the surrounding environment through the sampling circuit， the detection signal is transmitted to the controller. When the concentration of combustible gas exceeds the set threshold value in the controller， the controller sends an alarm signal through the actuator and turns on the fan and uploads the data to the cell phone through the wireless communication module in real time. This detection device can greatly reduce the possible hazards of gas use.
　　Key words： STM32F103C8T6; gas detection module; sampling circuit; controller; actuator

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