智能厨房安全检测仪的设计与实现.docx
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智能厨房安全检测仪的设计与实现
题目:
智能厨房安全检测仪的设计与实现
摘要
随着时代的进展,科学的进步,人们对于安全方面的关注越来越大,尤其是对于厨房安全方面的重视。
在如今这个厨房安全事故频发的现在,厨房安全是至关重要的一环。
例如厨房内的温度过高,烟雾太大干扰到人体的呼吸功能,可燃气体的泄露导致火灾甚至爆炸事故以及电路电线安全问题等等一系列的隐患事故,尤其是火灾事故频繁发生。
为了防止这些事故的发生,设计了一个系统。
本文通过以STM32F103单片机为核心的系统,主要进行厨房内的温度检测和烟雾浓度检测以及报警功能,与此同时,还能实现自动动作功能来对安全事故进行处理。
系统包含温度检测电路,烟雾检测电路,声光报警电路,按键控制电路,显示电路以及水泵控制电路等。
本系统通过对硬件的电路设计和软件的程序撰写以及设计,将信息的采集处理都通过STM32F103单片机芯片去完成。
当险情马上发生或者将要发生的时候,系统发出警报,准时对厨房内的事故进行处理,保障人们的人生安全以及设备安全,使人能更安全地进入厨房工作。
关键词:
厨房安全,报警器,STM32F103单片机,智能化
Abstract
Withthedevelopmentofthetimesandtheadvancementofscience,peoplepaymoreandmoreattentiontosafety,especiallytheimportanceofkitchensafety.Intoday'skitchensafetyincidents,kitchensafetyisavitalpart.Forexample,thetemperatureinthekitchenistoohigh,thesmokeistoomuchtointerferewiththebreathingfunctionofthehumanbody,theleakageofflammablegascausesfireandevenexplosionaccidents,andthesafetyofcircuitwiresandthelike,andaseriesofhiddenaccidents,especiallyfireaccidentsoccurfrequently.Inordertopreventtheseaccidentsfromhappening,asystemwasdesigned.ThisarticleadoptstheSTM32F103single-chipmicrocomputerasthecoresystem,mainlyfortemperaturedetection,smokeconcentrationdetectionandalarmfunctioninthekitchen.Atthesametime,itcanalsorealizetheautomaticactionfunctiontodealwithsafetyaccidents.Thesystemincludestemperaturedetectioncircuit,smokedetectioncircuit,soundandlightalarmcircuit,buttoncontrolcircuit,displaycircuitandwaterpumpcontrolcircuit.Thesystemthroughthehardwarecircuitdesignandsoftwareprogramminganddesign,theinformationcollectionandprocessingthroughtheSTM32F103microcontrollerchiptocomplete.Whenthedangerisabouttohappenorisabouttohappen,thesystemwillissueanalarmtodealwithaccidentsinthekitchenintimetoensurepeople'slifesafetyandequipmentsafety,sothatpeoplecanenterthekitchensafely.
KeyWords:
Kitchensafety,alarm,STM32F103singlechipmicrocomputer,intelligent
第一章引言
1.1选题依据和意义
伴随着时代的进展,科学的进步,人们对于安全方面的关注越来越大,尤其是对于厨房安全方面的重视。
在如今这个厨房安全事故频发的现在,厨房安全是至关重要的一环。
在此基础上,于是就有了厨房安全检测这一想法的诞生。
目的是通过检测厨房内最简单发生的安全隐患,例如厨房内的温度过高,烟雾太大干扰到人体的呼吸功能,可燃气体的泄露导致火灾甚至爆炸事故以及电路电线安全问题等等一系列的隐患事故,尤其是火灾事故频繁发生。
检测这些的发生与否,从而报警,严峻时候,采取必要的动作去阻止事故发生,从而保障了厨房内的人员安全以及设备安全,令人们在安全事故发生的时候不会全然不知,让人们有个安全保证。
从而使人们能够安心的在厨房内进行工作。
1.2国内外现状研究
1.2.1国内研究现状
近些年来,由于厨房安全事故频发,经常能听闻燃气泄漏,火灾爆炸等事故从厨房内发生,因此,国内对厨房安全的重视越来越大。
开始研究智能厨房安全了,但是由于国内之前对此事关注程度不够大,导致对这些项目的的站站相对落后。
虽然这几年国内奋起直追,各大品牌例如海尔,美的,苏宁等电器厂商纷纷投入人力物力来进行这方面的研究,同时,国内各大研究院也在进行研究进展,在这些方面,总算有点起色。
1.2.2国外研究现状
1963年5月,日本新宇宙电气公司开发了第一个接触气体泄漏警报。
通过18个月的技术改革和改良,除了能够检测气体外,还引入了新一代警报器。
它还能够检测其余气体,如一氧化碳,主要用于厨房和浴室的安全检测。
1969年2月,因为技术的持续进步,日本研制出世界上第一台半导体气体泄漏报警器。
半导体报警器比接触式燃烧装置更灵敏,成本更低,使用寿命更长,因此其应用前景更为辽阔。
1981年2月,为了尽量幸免火灾和爆炸的发生,为了尽量幸免火灾和爆炸的发生,日本制定了一项规定,规定一定在居民区、公寓和旅馆安装煤气泄漏报警器。
1983年11月,日本静冈县一家娱乐场所的一家餐馆发生瓦斯爆炸。
14人死亡,27人受伤。
纵观日本历史,这是一起较为严峻液化石油气爆炸事故,这起事故引起了日本政府和全日本人民的高度关注。
从今以后,日本政府介入了日本的液化石油气企业,对液化石油气的安全进行重点督查。
大力推进燃气泄漏报警。
1986年5月,日本制定了推广使用安全装置的基本准则。
美国16个州的立法还要求在住宅和公寓安装煤气泄漏报警器。
经过50年的蓬勃进展,日本不仅在气体报警性能测试方面更加安全可靠,而且在气体传感器开发技术方面也日益成熟。
在这项技术方面,日本一直站在国际社会的前列。
由于生产企业和日本政府大力提倡使用瓦斯警报,当地的瓦斯爆炸事故率远低于欧美一些发达国家。
1.3设计目标和内容
根据课题的设计要求,本文在次介绍了基于单片机的厨房安全检测系统,在厨房内利用各种传感器去检测温度情况以及烟雾浓度,转化为信号传输到芯片,在和预设值进行对比,从而推断是否报警,在发出警报的同时,将控制继电器实现动作去控制事故或者降低灾害的影响。
本系统具有两个检测功能,一是温度,而是烟雾浓度;同时还具备灯光报警,声音报警以及继电器动作控制水泵元件工作等功能。
本次的设计主要分为两部分,一个是硬件方面的设计,另一个是软件程序上面的设计。
主控芯片采纳STM32和编程语言采纳C语言写的程序。
成品的主体被分成1602液晶显示器,温度检测模块,烟雾浓度检查模块,灯光和蜂鸣报警模块,和按钮控制模块和继电器驱动水泵。
编程通过C语言来编译,接着将生成的HEX文件通过编码下载器下载到STM32芯片中,紧接着,Proteus这个软件可以用来功能的模拟,确保功能正确完成。
1.4设计方案
设计的流程框图如图1.1所示。
最重要的是决定微处理器的型号。
现考虑使用AT89C51芯片或者STM32F103C8T6芯片。
AT89C51芯片与其他芯片相比,他的管脚比较少,能实现的功能数量会变少,储存量也只有4K字节,可能在执行庞大的功能时会导致储存量不足而出现错误现象的发生。
而STM32F103芯片就不会存在这种现象。
而且STM32F103系统列单片机,相比其他系列单片机具有很多优点。
就目前来说,STM32F103单片机的教程和资源相对其他芯片是比较多的,而且功能运行的速度较快;STM32F103系列单片机为程序提供了一个串口,下载起来较为便利;STM32F103单片机内部还专门设置了一个看门狗电路,令它的抗干扰能力变得十分强大。
综合上述种种有点,本设计选用STM32F103芯片。
图1.1
STM32F103C8T6这块芯片是本次设计所使用的芯片,它的里面存在了一个64KFLASH程序存储器。
芯片的数据处理功能主要由数字温度传感器DS18B20和MQ-2烟雾传感器来完成。
两个传感器收集数据进行分析推断和处理,再根据数据的特定条件下,传送至到电源指示灯,蜂鸣器和继电器,随后判定是否动作。
整个系统的设计分为两个大块,第一个方面是硬件的电路图设计,第二个方面是软件程序语言的编程设计。
硬件的电路图设计里面有灯光蜂鸣报警控制电路,温度和烟雾浓度收集电路,实时数据显示电路,操作电路,动作控制电路。
程序语言的编程设计包括主体的总控制程序,温度和烟雾情况的收集程序,电源指示器显示程序和驱动输出的动作程序,均由基础的C语言系统来编程实现。
第二章硬件设计部分
硬件电路系统工作的载体,主要有单芯片微型计算机的最小系统,灯光蜂鸣报警控制电路,温度和烟雾浓度收集电路,实时数据显示电路,操作电路,动作控制电路等。
烟检测采集电路和温度采集电路实现信号采集,并且显示模块,水泵控制,声光报警和按钮控制电路实现人机对话。
2.1单片机最小系统
本次设计采纳的单片机最小系统如下图
图2.1单片机
本次设计在经过多方面的选择与修改之后,选择了STM32F103C8T6这个比较完善的芯片。
stm32f103c8t6mcu是一个32位元的微控制器,有512k位元组的快闪记忆体,基于手臂核心。
SRAM的容量可以达到64KB之大,供电的正常电压范围在2.0V-3.6V里面,内含复位键,可以拥有睡眠、停机和待机等一些的省电模式来实现芯片的低功耗的要求。
其中,复位电路是在芯片工作状态出现问题的时候,可以保证回到最原始的状态的电路。
首先,复位信号在单片机通电的时候就产生了;然后,该信号进行传输,复位电路开始启动;最终,芯片被还原为最开始的工作状态。
当芯片正在运行和工作的过程中,假如在外界因素的干扰下出现出错情况或者执行的程序出现故障的时候,人工按下复位按钮,这个时候,单片机就会自己重新开始执行自原始的程序。
在时钟结束工作以后,2个周期的高电平信号就会从RESET端输出,在这个时候复位成功。
一般来说,复位模式有两种,第一种是通电即可自动复位模式,第二种是可以通过一个按键来人工复位。
人工按键复位电路是本此的设计使用的,所以在电路板上存在一个专门用来复位的按键。
单片机也就是微控制器包含一个40千赫的RC振荡器,工厂调谐8MHz的RC振荡器,以校准的32kHz的RTC振荡器,以及提供CPU时钟的PLL。
它存在待机,睡眠和关机三种不同的模式。
这三种模式可以保证芯片较低的功率损耗。
此外,STM32MCU还具有三个12位模数转换器,电压的变换范围是0至3.6V,具有三倍采样性能和保持功能。
MCU具备51个多功能的5V兼容I/O端口。
一切I/O端口都可以通过16个外部来进行中断。
同时,MCU还具有11个不同功能定时器,其中4个是16位的平常定时器,2个16位6通道高级控制定时器,2个看门狗定时器,1个系统定时器和2个16位基本定时器。
本次设计所选用的单片机的STM32F103的硬件资源:
1、STM32F103C8主芯片一片
2、贴片8M晶振(通过芯片内部PLL最高达72M)ST官方标准参数
3、LM1117-3.3V稳压芯片,可以提供电流,最大数值为800mA
4、一个USB接口,可以给系统版供电
5、复位按钮
6、标准JTAG下载口一个,支持JLink,STLink
7、BOOT选择端口
8、IO扩展排针20pinx2
9、电源指示灯1个
10、一个功能指示灯,可以验证IO口基本功能
11、串口下载接口,便利和5V开发板连接,用串口即可下载程序
12、尺寸:
64mmX36.4mm
13、高性能爱普生32768H晶振,价格是直插晶振的10倍价格,易起
振
14、20KRAM,64KROM,TQFP48封装
2.2烟雾检测采集电路
MQ-2传感器最主要的功能是可以用来检测烟雾,通过信息的采集后就可以收集到各种不同烟雾浓度下的电压值,这样,就可以很便利地设置自己所需要烟
浓度报警值。
电路图如图2.2所示。
图2.2烟雾浓度采集电路
MQ-2烟雾传感器能在5V直流电压的环境下正常使用。
MQ-2传感器有一个特别的双路信号输出,第一是TTL电平输出,二是模拟量输出,模拟量输出范围是0至5V,电压是和烟雾浓度成正比关系的;TTL输出显示为低电平的时候是有效信号,具有快速恢复的特性,对燃气,烟雾浓度等有十分良好的灵敏度,与其他传感器相比,与其他传感器相比来说MQ-2传感器的使用寿命比较长,可靠性更加稳定,探测范围也十分广泛,驱动十分简洁便利。
2.3温度采集电路
DS18B20温度传感器是温度采集电路用来来实现功能的,该传感器的第一引脚是用来接地,第二引脚是用来进行数据输入输出的功能,接一个4.7K的上拉电阻,第三引脚用来接一个电源VCC.电路如图1.3所示
图2.3温度测量电路
DS18B20数字温度计提供9-12摄氏度的温度测量。
可编程报警由高电平和低电平触发,不会因功率损耗而发生改变。
DS18B20传输信息是利用单线接口来进行的,因此和CPU之间只存在一个接地连接。
温度测量范围为-40~+120°C,误差为百分之五,最精确的范围是-10°C至+85℃。
此外,DS18B20并不需要外部电源供电。
每个DS18B2064位序列号都是不重复的,所以一个单总线上连接着多个DS18B20这个想法可行的;因此,这可以很简洁使用单片机控制穿前期进行大范围的检测。
利用这一点,我们在建筑物,HVAC环境控制,仪器和机械的温度检测等等一系列方面都有着良好的使用。
图2.4DS18B20
图2.4是DS18B20的框架图。
其中,有两个字节温度寄存器是在高速寄器里的,这是用来存储输出数据的。
此外,高速寄存器能够给予对应的温度报警值寄存器(th和tl)以及字节配置寄存器。
配置寄存器设定了4个精度,也就是
位。
TH,TL属于非易失性可擦除程序寄存器(
的),因此即便出现突发情况,存储在里面的数据还是一直存在的。
DS18B20适用于12位温度数据的采集转换,其中16位数据补码定义为2,在芯片中是使用
代表,将字母S看作是字符位。
其余的\\R\\n是在完成12位数据转换之后,在温度传感器中储存备份,之后缓存在RAM中等待下一步调用。
在二进制的数据表示中,将前面5位数据表征位字符位,若采集的温度超过0,则全部写入0,若采集的温度在0以下,该5位数字全是1,之后再借助0.0625完成真实值的计算。
DS18B20的工作过程
●对DS18B20进行初始化配置;
●利用运存指令完成数据交互调用;
●功能指令相关采集温度数据。
主控单元借助于
存储模块对温度传感器采集的数据进行读取以及调用,还可以使用功能指令完成数据格式的调整。
a.初始化:
温度传感器所采集到的数据起始节点是初始化序列。
在运行状态下,DS18B20对输入的脉冲响应进行应答,则主控模块也同样会有反馈,确保数据收发的准确性。
b.ROM命令:
将传感器在所有周期内运行的代码信息定义为ROM指令,以便主机和设备可以与之通信。
c.功能命令:
主控单元借助于功能指令对
存储模块的数据进行读取以及调用,还可以使用功能指令完成数据格式的调整。
2.4显示电路
显示屏为1602LCD。
LCD1602的意思是LCD模块可以显示两行的数据,每行16个字符。
它是一个点阵LCD模块,可以用来显示字母,数字和一些符号等。
它由5*7或5*11的几个点阵字符位所构成,一个点阵字符位即表示着一个字符显示。
并且,使用的字符模块与其它模块,如重量轻,体积小,功耗低,强命令功能,简洁,便利的接口,宽工作温度和高可靠性相比具有许多优点。
图2.5
1602LCD技术参数:
显示容量:
个字符
芯片工作电压:
工作电流:
模块最佳工作电压:
字符尺寸:
引脚功能说明
第1脚:
为地电源。
第2脚:
与5V正电源连接。
第3脚:
VL是LCD用以调节对比度的一个端口。
对比度最高的时候是在接地的时候,反之,最低的时候是接正电源时。
当对比度太高时会会导致重影现象的发生,所以用以控制对比度,我们选择加入一个10K电位器用来控制对比度。
第4脚:
rs是寄存器的选择。
第5脚:
R/W是一条读写信号线,高电平代表读取,低电平表示写入。
当RS和R/W较低时,它们可以写指令或显示地址。
当rs低,/w高,它们可以读取信号。
当RS值较高时,R/W值较低,它们可以写入数据。
第6脚:
使能端为E端。
在其电平由高变低之后,LCD模块就会工作。
第7-14脚:
d0-d7是一条8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
指令功能说明
1602液晶模块所包含的字符可以显示点阵。
而字符不仅涵盖一些数字,还包含有字母或者符号等。
如,A代表01000001B,该字符被发送到显示模块。
显示模块收到01000001B字符后,则最终在液晶显示器上会输出A。
1602显示单元包含11个控制指令,具体如表2:
指令1:
对显示内容进行清空处理;
指令2:
显示光标的复位操作;
指令3:
液晶显示调整为I/D模式;
指令4:
对线路开关显示;
指令5:
对数据移位进行读取操作;
指令6:
功能指令DL;
指令7:
运存指针设定;
指令8:
DDRAM;
指令9:
完成信号读取,显示BF;
指令10:
采集信号的写入;
指令11:
采集信号的读取;
LCD1602的使用注意事项
1.请勿弯曲金属框架的定位销,否则会影响LCD与驱动电路之间的接触而导致故障。
2.请勿按金属框架,否则导电橡胶会变形无效。
3.cmos电路的防静电损伤模块,在环境湿度45ccrh以上才能有效工作;
4.用软布和溶剂(异丙醇、乙醇)轻轻擦拭清洗模块。
代替水,酮和芳烃。
5.在存储和使用的时候,不能将LCD置于高湿,高温柔阳光环境下。
6.超出参数时不应使用模块。
2.5声光报警电路
2.5.1蜂鸣器报警电路
蜂鸣器的报警电路的功能实现很简洁,蜂鸣器1端连接VCC,2端通过连接一个三极管接地,所述三极管的基极被连接到连接到微控制器STM32的PB0控制蜂鸣器是否具有报警的电阻器。
也就是说,当PB0为高电平,三极管处于导通状态,此时,两端相当于直接接地,并循环形成,使蜂鸣器开始工作;反之,当PB0的传输信号是低电平时,三极管为截止状态,无法形成回路,蜂鸣器无法工作。
图2.6声音报警电路图
2.5.2指示灯报警电路
指示灯报警电路通过3.3V电源连接指示灯等同时串联限流电阻,再通过PB11和PB12两个端口检测温度和烟雾浓度,将采集的信息通过单片机反馈与预设值进行比较,在决定两个电路指示灯是否报警发光。
当PB11被连接到低电平时,指示灯工作正常。
当它被连接到高电平,左端也是高电平,且指示灯不能工作;同理,PB12端与PB11端一样的工作原理。
图2.7光报警电路图
2.6按键电路
按键电路十分简洁明白,使用三个按键(一个是增加键,一个是减少键,最终一个是设置键)这三个键位分别与单片机芯片的PB13,PB14,PB15口相连接,从
而控制数值的改变与调节。
图2.8按键控制电路图
2.7水泵控制电路
水泵的开关是由继电器控制的,当PB10的输出信号是高电平时三极管截止,此时继电器线圈是处于常闭端口,继电器不动作。
当PB10的输出信号是低电平时三极管导通,相当于一个开关闭合,此时继电器动作。
继电器常闭端断开,水泵开始工作。
其中,电阻R8时一个限流电阻;电容C2是用以爱护水泵的。
图2.9水泵控制电路
继电器的基本原理;铁芯,线圈,衔铁,接触弹簧等可以基本构成电磁继电器。
新泉两侧只要存在一点的电压,这个时候,线圈内将会出现一定的电流,这将产生电磁作用。
电枢将克服复位弹簧的针对下电磁吸引力的核心中的张力,从而驱动电枢的动态接触以接合所述固定触点(通常为开放式接触)。
一旦切断线圈的,电磁的吸引力就会马上消逝,此时弹电枢会返回其初始位置由于弹簧的反作用力下,从而释放移动触点和原始静触点(常闭触点)。
通过这种方式,我们可以在电路中实现导通和断开的目的。
2.8本章小结
本章主要介绍了厨房智能安全检测在硬件设计中所使用到的电路,以及各个点图所实现的功能。
硬件的电路是确保厨房智能安全检测正常运行的基础,通过显示电路,烟雾和温度检测电路,按键控制电路,声光报警电路,水泵控制电路以及电源电路等统筹工作,来实现厨房安全智能检测仪的温度检测,检测烟雾以及驱动水泵工作等功能。
第三章软件设计部分
3.1软件介绍
3.1.1KeilC51的介绍
是美国
所制造出的51系列兼容C语言变成的开发软件。
和汇编比较,它具有灵活性强,简洁易学等优点,也正因此易于学习和使用。
Keil提供完整的开发解决方案,包括C编译器,宏组件,链接器,库治理和强大的仿真器调试器,它们通过集成开发环境(μVision)进行组合。
keilc51软件提供了丰富的库功能和强大的集成开发调试工具,全窗口接口。
另一个重要的问题是,只需查看编译后的汇编代码,就可以看到Keil的优点。
KeilC51开发系统的各个部分的功能和用法在下面详细描述。
该工具包C51的整体结构,和的μVision是ISHELLC51forWindows和DOS下的集成开发环境(IDE),它可以完成编辑的整个进展过程,编译,连接,调试和仿真。
开发者可以与IDE本身或与其他编辑编辑C或汇编源文件。
然后分别生成由C51和C51的编译器的对象文件(的obj)。
目标文件可以通过LIB51被创建来产生库文件,或它可以与经由L51连接库文件被定位,以生成肯定目标文件(。
腹肌)。
abs文件从oh51转换为标准的十六进制文件,供调试器dspie51或tspie51用于源代码级调试。
它也可
- 配套讲稿:
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