基于STM32 的家庭廚房助手設(shè)計與實現(xiàn)

李新超，黃子立

（廣東石油化工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東茂名 525000）

城市燃?xì)夤艿澜尤肓饲Ъ胰f戶，為人們的生活帶來了便利，但同時可燃?xì)怏w的泄露也成為人們生活中的安全隱患[1]。在使用燃?xì)?、天然氣過程中若操作不當(dāng)或管道老化，會導(dǎo)致燃?xì)庑孤?。?dāng)空氣中危險可燃?xì)怏w濃度達(dá)到某一界限時，人體吸入一定量氣體會導(dǎo)致中毒、窒息等，遇到明火或者靜電會發(fā)生爆炸起火最終導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生[2-3]。有關(guān)數(shù)據(jù)表明，居民住宅區(qū)發(fā)生的火災(zāi)事故眾多，約占火災(zāi)總量的三分之一[4]，而廚房是發(fā)生火災(zāi)和發(fā)生中毒事件的高危地帶，需要引起重視[5]。通過在家庭廚房中安裝氣體檢測報警裝置，實時監(jiān)測廚房中危險氣體的濃度值，當(dāng)監(jiān)測的濃度達(dá)到用戶設(shè)定的報警閾值時，裝置會發(fā)出報警信號并且驅(qū)動廚房排氣扇運轉(zhuǎn)，降低危險氣體濃度，以提醒用戶及時處理，減少危險氣體泄漏帶來的危害，避免造成更大的財產(chǎn)損失和傷亡事故[6-10]。

目前，市場上大部分的燃?xì)鈭缶髦痪哂形ｋU氣體濃度監(jiān)測報警功能，為了增加燃?xì)鈭缶到y(tǒng)的實用性、方便性，設(shè)計了一款既具有燃?xì)庑孤?、煙霧超標(biāo)報警，又具有智能開啟排氣扇的排期防護，并具有烹飪定時提醒、健康菜譜與詳細(xì)操作步驟語音提示等功能的家庭廚房助手，相比傳統(tǒng)燃?xì)鈭缶?，該助手功能更加豐富也更加實用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)在傳統(tǒng)危險氣體濃度監(jiān)測、煙霧報警的基礎(chǔ)上，增加了排氣扇防護、烹飪定時提醒、輔助烹飪的菜譜語音提示功能。當(dāng)煙霧傳感器或氣體檢測傳感器監(jiān)測到廚房中對應(yīng)位置的危險氣體濃度和煙霧濃度達(dá)到預(yù)先規(guī)定的閥值時，單片機就會控制排氣扇轉(zhuǎn)動，同時有源蜂鳴器發(fā)聲和LED 燈閃爍，對廚房人員進行報警提醒，且在LCD 液晶屏幕上實時顯示一氧化碳等危險氣體的濃度。

在用戶做菜過程中，可以使用該系統(tǒng)的菜譜功能，其中收錄了一些常見菜式做法的詳細(xì)步驟。通過按鍵進行菜式的選擇后，LCD 液晶顯示屏將顯示該菜式的簡介、所需食材和制作時間，按下確定鍵后，進入烹飪輔助程序，系統(tǒng)開始計時并顯示該菜式的操作步驟，同時進行語音播報提示，在第一步完成后,自動進行下一步操作提示和計時提示，直到整個菜式制作完成。

整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用STM32 單片機作為主控芯片，采用MQ-2 煙霧傳感器、MQ-7 氣體傳感器作為氣體泄露、煙霧檢測傳感器，并設(shè)計信號處理模塊，使用LED 燈、蜂鳴器、LCD 顯示屏作為報警提示模塊，利用排風(fēng)扇作為防護模塊實現(xiàn)對廚房環(huán)境的實時監(jiān)測與防護，采用DY-SV17F 模塊作為語音播放提示模塊，提示菜譜操作步驟。

2 硬件的設(shè)計與實現(xiàn)

硬件電路設(shè)計主要包括主控模塊電路設(shè)計、傳感器模塊電路設(shè)計、報警模塊電路設(shè)計和語音提示模塊電路設(shè)計。

2.1 主控模塊

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6 芯片為核心控制器，其功能強大，內(nèi)置256 K 閃存和48 K 靜態(tài)隨機存取存儲器，8 個定時器、51 個通用I/O 口，還有ADC、DAC 等[11]。主控電路還包含了LED 燈、按鍵、電源開關(guān)、5 V 和3.3 V 的電源供應(yīng)接口、支持程序燒錄調(diào)試的USB 口等。主控模塊電路如圖2 所示。

圖2 STM32單片機主控模塊電路圖

2.2 氣體監(jiān)測及報警防護模塊

采用的傳感器有MQ-2 傳感器和MQ-7 傳感器，分別負(fù)責(zé)檢測廚房環(huán)境中的煙霧濃度和一氧化碳濃度。MQ-2 型煙霧傳感器使用一種活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體作為敏感性材料，傳感器接上電源加熱后其表面的金屬氧化物會進行化合反應(yīng)，使半導(dǎo)體中的電子數(shù)量降低，進而使其電阻值變大[12]。當(dāng)傳感器的感受部分接觸到煙霧時，會使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率不同，環(huán)境中煙霧的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越大，傳感器模塊的輸出值A(chǔ)O 就越大。對應(yīng)的連接電路如圖3（a）所示。

MQ-7 氣體傳感器用于測量一氧化碳濃度時，采用先高電壓加熱再低電壓檢測氣體濃度不斷循環(huán)，傳感器的導(dǎo)電率跟空氣中的待測氣體濃度呈正比關(guān)系[13]。通過電路轉(zhuǎn)換可以將傳感器電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)化為氣體相應(yīng)濃度的AO 信號[14]。對應(yīng)的連接電路如圖3（b）所示。

報警模塊由有源蜂鳴器、LED 燈組成。防護模塊采用繼電器驅(qū)動排氣扇構(gòu)成，采用S8085 三極管驅(qū)動高電平觸發(fā)有源蜂鳴器。系統(tǒng)使用3 個LED 燈作為提示信號，LED0 亮作為系統(tǒng)的報警警示燈；LED1 亮作為系統(tǒng)運行指示燈；LED2 常亮作為電源的指示燈，采用繼電器驅(qū)動抽風(fēng)機和排氣扇轉(zhuǎn)動，電路如圖3（c）所示。

圖3 氣體監(jiān)測及報警防護電路

2.3 語音提示模塊

語音提示模塊采用DY-SV17F，其板載5WD 類的功放，可以直接驅(qū)動4 Ω、3～5 W 喇叭，可以支持MP3、WAV 的解碼格式，模塊板載32 Mbi（t4 MByte）flash 存儲，可以自定義語音播放的內(nèi)容，通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦把音頻文件按規(guī)定命名順序下載進模塊[15]。DY-SV17F 模塊通過模式配置引腳CON1、CON2 對應(yīng)連接不同的輔助電路，可以具有多種工作控制模式、工作模式和I/O 配置，如表1 所示。

表1 語音播放工作模式配置

DY-SV17F 模塊選擇曲目是通過I/O 口觸發(fā)低電平進行選擇，曲目存入存儲器中需要按照5 位數(shù)字00001.mp3，00002.mp3，00003.mp3，……00255.mp3的規(guī)則命名。

采用模式1 方式，當(dāng)I/O7、I/O6、I/O5、I/O4、I/O3、I/O2、I/O1、I/O0 輸出電平為1111110 時，選擇播放00001.mp3，當(dāng)I/O7、I/O6、I/O5、I/O4、I/O3、I/O2、I/O1、I/O0 輸出電平為1111101 時，選擇播放00002.mp3，以此類推可以選擇播放255 首曲目。采用模式0，I/O組合模式0 即“按鍵組合播放”是指I/O0～I(xiàn)/O7 輸出對應(yīng)的電平后恢復(fù)原來的高電平,類似于按鍵觸發(fā)一次，播放一次就停止。該系統(tǒng)采用模式1，具體電路連接如圖4 所示。

圖4 I/O組合模式1電路連接圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計及測試

3.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計

家庭廚房助手使用KEIL 開發(fā)環(huán)境進行程序編寫，使用ST-Link 進行下載程序調(diào)試，使用XCOM 串口調(diào)試助手進行串口調(diào)試驗證。整個系統(tǒng)程序分模塊設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計、傳感器程序設(shè)計、聲光報警排氣程序設(shè)計、健康菜譜程序設(shè)計、語音同步播報程序設(shè)計和計時定時程序設(shè)計。系統(tǒng)的主程序流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

系統(tǒng)通電后開始初始化，包括GPIO 初始化、串口初始化、定時器初始化、LCD 初始化、定義引腳、定義參數(shù)等。系統(tǒng)初始化完畢后，一方面，若使用煙霧和氣體傳感器需要預(yù)熱2 min，確保采集濃度的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。另一方面，可以直接使用健康菜譜功能，通過按鍵選擇菜式制作，會有同步語音播報提示，方便制作。

3.2 系統(tǒng)的功能測試

文中對系統(tǒng)功能進行了測試，在0.5 m3的密閉紙盒內(nèi)MQ-7 傳感器測得一氧化碳濃度達(dá)到設(shè)定的閾值50 ppm時（為危險濃度標(biāo)準(zhǔn)100 ppm[16]的一半）,系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并啟動排氣扇，同時在LCD 顯示屏上顯示了對應(yīng)的狀態(tài)信息，如圖6（a）所示。同樣條件下在密閉空間內(nèi)點燃了多根蠟燭，距離傳感器30 cm，煙霧濃度在35 ppm（為危險濃度標(biāo)準(zhǔn)75 ppm[16]的一半）時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并啟動排氣扇。針對菜譜輔助功能進行了測試，可以按照菜單步驟在LCD顯示屏上進行操作信息提示、語音播報提示、操作定時時間提示，如圖6（b）所示，測試結(jié)果表明實現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。

圖6 系統(tǒng)測試的LCD屏幕提示信息

4 結(jié)束語

針對目前市場上燃?xì)鈭缶髌放品倍嗟δ苓^于單一的問題，采用STM32 主控芯片設(shè)計一款既有實時監(jiān)測報警功能又能輔助用戶烹飪的家庭廚房助手。整個系統(tǒng)可以分為兩大部分：實時監(jiān)控報警部分和健康菜譜部分，其中實時監(jiān)控報警部分主要由MQ-2 煙霧傳感器、MQ-7 氣體傳感器、LED 燈、有源蜂鳴器和風(fēng)扇組成；健康菜譜部分主要由LCD 顯示屏、DY-SV17F 語音模塊和揚聲器組成。在系統(tǒng)測試中，對每個功能模塊進行測試，測試結(jié)果基本都能達(dá)到預(yù)期設(shè)計效果，實現(xiàn)了設(shè)計要求，具有便利性、實用性等優(yōu)點并且可以穩(wěn)定運行。