基于STM32F103單片機(jī)的煙霧報(bào)警器設(shè)計(jì)

山東科技大學(xué)信息工程系 孫 波

山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 劉士彩

山東科技大學(xué)信息工程系 王玉瀟

山東科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心 張家迎

山東科技大學(xué)機(jī)電工程系 高學(xué)輝

山東科技大學(xué)信息工程系 郭 帥

為了避免火災(zāi)以及減少火災(zāi)造成的損失，必須設(shè)計(jì)和完善火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，最大限度地減少社會(huì)財(cái)富的損失。本文介紹了一個(gè)在較小范圍內(nèi)使用的單片機(jī)煙霧報(bào)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為控制器，通過(guò)NIS-07離子式煙霧傳感器檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)本身的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后，輸入到單片機(jī)，然后利用數(shù)碼管顯示煙霧濃度，通過(guò)單片機(jī)的蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

1.引言

近些年，越來(lái)越多的地方頻繁的發(fā)生火災(zāi)，引起了人民群眾的廣泛關(guān)注。火災(zāi)預(yù)警對(duì)于保護(hù)個(gè)人以及個(gè)人的財(cái)產(chǎn)安全具有重要的意義。目前市場(chǎng)上存在的煙霧報(bào)警器價(jià)格比較高，不適合小范圍進(jìn)行使用，如家庭、學(xué)校、小型商場(chǎng)等。本文提出了一種基于單片機(jī)的小型煙霧報(bào)警器，價(jià)格低，單片機(jī)本身帶有數(shù)模轉(zhuǎn)換器，適合小范圍進(jìn)行使用，且STM32F103單片機(jī)芯片集成了定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB和UART等多種功能，已被廣泛使用到多個(gè)領(lǐng)域。

2.器件介紹

2.1 單片機(jī)

STM32F具有72MHz的工作頻率，集成了存儲(chǔ)器、電源管理、低功耗。模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA、調(diào)試模式、計(jì)算單元和封裝等模塊。并且該芯片用途廣泛，已普遍應(yīng)用到電力電子系統(tǒng)方面。STM32F103單片機(jī)的引腳圖如圖1所示。

圖1 STM32F103單片機(jī)

VBAT引腳的作用是給RTC和備份區(qū)域供電，保證在VDD斷電的情況下相關(guān)區(qū)域的數(shù)據(jù)內(nèi)容仍然是有效的，一般連接到外部電池；PC13/PC14/PC15引腳的內(nèi)部模擬了開(kāi)關(guān)，只允許少量的電流通過(guò)，驅(qū)動(dòng)能力小，不可以同時(shí)使用；當(dāng)PA0-WKUP引腳處于上升沿時(shí)，作為待機(jī)模式喚醒條件；每個(gè)VDD各接一個(gè)0.1uF陶瓷電容，VDD_3需要再接一個(gè)4.7～10uF的鉭電容；對(duì)于VDDA，需要連接10nF陶瓷電容+1nF鉭電容。

2.2 NIS-07離子式煙霧傳感器

NIS-07離子式煙霧傳感器，它使用镅241。放射性組織的到了保障，其外部有金屬外殼。因放射能較小，對(duì)放射能使用有制約的國(guó)家也可以放心使用。NIS-07源片采用低放射能量，適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)大了電離室后，在清潔濕氣中，平衡電壓更趨穩(wěn)定，大大降低了誤報(bào)率，并且氣敏式傳感器性能并不如離子式傳感器。本文選擇離子式煙霧傳感器來(lái)對(duì)煙霧預(yù)警進(jìn)行分析。圖2所示為NIS-07離子式煙霧傳感器。

圖2 NIS-07離子式煙霧傳感器

圖3 蜂鳴器電路圖

2.3 蜂鳴器

壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器為兩種常見(jiàn)的蜂鳴器。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵等器件組成。電源連接后，振蕩器發(fā)出信號(hào)，通過(guò)電磁線圈，這時(shí)電磁線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在它們的共同作用下，周期性地發(fā)出聲響。本實(shí)驗(yàn)采用的是電磁式蜂鳴器，圖3所示為蜂鳴器電路圖。

2.4 數(shù)碼管

LED數(shù)碼管具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）可以在電壓較低，電流較小的條件下發(fā)光；

（2）其發(fā)光時(shí)間短，亮度較高；

（3）重量輕，體積不大，抗沖擊的能力強(qiáng)；

（4）壽命長(zhǎng)，使用壽命可以達(dá)到100小時(shí)；

（5）成本低，已廣泛用在數(shù)字儀器儀表和計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件中。

3.硬件設(shè)計(jì)

本文提出的設(shè)計(jì)思路為：利用NIS-07離子式煙霧傳感器采集環(huán)境中存在可燃?xì)怏w，檢測(cè)傳感器阻值變化，轉(zhuǎn)化為電壓值后通過(guò)變壓器改變電壓，經(jīng)過(guò)32單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，輸入到STM32F103單片機(jī)中，設(shè)置門(mén)限閾值，超過(guò)閾值啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

3.1 電源模塊

本文使用較為簡(jiǎn)單的USB口模塊插入可充電設(shè)備（如電源）來(lái)給單片機(jī)進(jìn)行供電，另外添加指示燈來(lái)標(biāo)記是否處于充電狀態(tài)，當(dāng)為紅燈時(shí)，表示未接通電源；當(dāng)為綠燈時(shí)，表示處于充電狀態(tài)。

3.2 煙霧檢測(cè)模塊

本文選用NIS-07離子式煙霧傳感器，當(dāng)電子流經(jīng)電離室過(guò)程中存在不平衡現(xiàn)象，收集極會(huì)促使電離室平衡。若監(jiān)測(cè)不到煙霧濃度，收集極會(huì)保持平衡電位。當(dāng)電離室充進(jìn)煙霧時(shí)，電流改變。內(nèi)電離室受影響小于外電離室，電流會(huì)有所下降，收集極重新充電知道新的平衡電位，這種電位變化可用于觸發(fā)報(bào)警電路。

3.3 煙霧濃度顯示模塊

在本電路中，選用了公共陰極LED數(shù)碼管，一端接低電平，P0.0-P0.7接高電平時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮數(shù)碼管的一個(gè)筆畫(huà)，動(dòng)態(tài)顯示煙霧濃度，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，得到報(bào)警閾值濃度，在顯示模塊達(dá)到這一值時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警。

4.軟件設(shè)計(jì)

設(shè)定定時(shí)器定時(shí)0.5μs，通對(duì)中斷程序產(chǎn)生周期為1μs頻率為500Hz的方波,時(shí)鐘信號(hào)提供給STM32F103單片機(jī)的AD模塊，煙霧傳感器輸出電壓送入該AD模塊中。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，待EOC=1；OE＝1輸出至單片機(jī)，執(zhí)行中斷后，轉(zhuǎn)而調(diào)用子程序，當(dāng)數(shù)碼管數(shù)字顯示超過(guò)閾值后，輸出低電平，解鳴器鳴叫，并通過(guò)移動(dòng)終端可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)；否則，終端不進(jìn)行提示，圖4所示為系統(tǒng)執(zhí)行的總框圖。

圖4 系統(tǒng)執(zhí)行框圖

5.結(jié)語(yǔ)

本文以STM32F103單片機(jī)為控制器，通過(guò)離子煙霧傳感器，來(lái)檢測(cè)煙霧濃度，經(jīng)過(guò)該單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換后，利用蜂鳴器發(fā)出聲響，來(lái)實(shí)現(xiàn)煙霧報(bào)警，并通過(guò)代碼對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試，取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。