基于STM32 的家庭廚房助手設計與實現

李新超，黃子立

（廣東石油化工學院電子信息工程學院，廣東茂名 525000）

城市燃氣管道接入了千家萬戶，為人們的生活帶來了便利，但同時可燃氣體的泄露也成為人們生活中的安全隱患[1]。在使用燃氣、天然氣過程中若操作不當或管道老化，會導致燃氣泄漏。當空氣中危險可燃氣體濃度達到某一界限時，人體吸入一定量氣體會導致中毒、窒息等，遇到明火或者靜電會發生爆炸起火最終導致火災事故的發生[2-3]。有關數據表明，居民住宅區發生的火災事故眾多，約占火災總量的三分之一[4]，而廚房是發生火災和發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，實時監測廚房中危險氣體的濃度值，當監測的濃度達到用戶設定的報警閾值時，裝置會發出報警信號并且驅動廚房排氣扇運轉，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損失和傷亡事故[6-10]。

目前，市場上大部分的燃氣報警器只具有危險氣體濃度監測報警功能，為了增加燃氣報警系統的實用性、方便性，設計了一款既具有燃氣泄漏、煙霧超標報警，又具有智能開啟排氣扇的排期防護，并具有烹飪定時提醒、健康菜譜與詳細操作步驟語音提示等功能的家庭廚房助手，相比傳統燃氣報警器，該助手功能更加豐富也更加實用。

1 系統總體設計

系統在傳統危險氣體濃度監測、煙霧報警的基礎上，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。當煙霧傳感器或氣體檢測傳感器監測到廚房中對應位置的危險氣體濃度和煙霧濃度達到預先規定的閥值時，單片機就會控制排氣扇轉動，同時有源蜂鳴器發聲和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，可以使用該系統的菜譜功能，其中收錄了一些常見菜式做法的詳細步驟。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。

整個系統采用模塊化設計，系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

系統采用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，利用排風扇作為防護模塊實現對廚房環境的實時監測與防護，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 硬件的設計與實現

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

2.1 主控模塊

系統采用STM32F103RCT6 芯片為核心控制器，其功能強大，內置256 K 閃存和48 K 靜態隨機存取存儲器，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、5 V 和3.3 V 的電源供應接口、支持程序燒錄調試的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，分別負責檢測廚房環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，使半導體中的電子數量降低，進而使其電阻值變大[12]。當傳感器的感受部分接觸到煙霧時，會使半導體的電導率不同，環境中煙霧的濃度越高，傳感器的電導率就越大，傳感器模塊的輸出值AO 就越大。對應的連接電路如圖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，傳感器的導電率跟空氣中的待測氣體濃度呈正比關系[13]。通過電路轉換可以將傳感器電導率變化轉化為氣體相應濃度的AO 信號[14]。對應的連接電路如圖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動排氣扇構成，采用S8085 三極管驅動高電平觸發有源蜂鳴器。系統使用3 個LED 燈作為提示信號，LED0 亮作為系統的報警警示燈；LED1 亮作為系統運行指示燈；LED2 常亮作為電源的指示燈，采用繼電器驅動抽風機和排氣扇轉動，電路如圖3（c）所示。

圖3 氣體監測及報警防護電路

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容，通過USB數據線連接電腦把音頻文件按規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 口觸發低電平進行選擇，曲目存入存儲器中需要按照5 位數字00001.mp3，00002.mp3，00003.mp3，……00255.mp3的規則命名。

采用模式1 方式，當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/O7 輸出對應的電平后恢復原來的高電平,類似于按鍵觸發一次，播放一次就停止。該系統采用模式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 系統程序設計及測試

3.1 系統總程序設計

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

圖5 系統主程序流程

系統通電后開始初始化，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、定義參數等。系統初始化完畢后，一方面，若使用煙霧和氣體傳感器需要預熱2 min，確保采集濃度的數據準確。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 系統的功能測試

文中對系統功能進行了測試，在0.5 m3的密閉紙盒內MQ-7 傳感器測得一氧化碳濃度達到設定的閾值50 ppm時（為危險濃度標準100 ppm[16]的一半）,系統發出聲光報警，并啟動排氣扇，同時在LCD 顯示屏上顯示了對應的狀態信息，如圖6（a）所示。同樣條件下在密閉空間內點燃了多根蠟燭，距離傳感器30 cm，煙霧濃度在35 ppm（為危險濃度標準75 ppm[16]的一半）時，系統發出聲光報警，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，測試結果表明實現了系統的功能。

圖6 系統測試的LCD屏幕提示信息

4 結束語

針對目前市場上燃氣報警器品牌繁多但功能過于單一的問題，采用STM32 主控芯片設計一款既有實時監測報警功能又能輔助用戶烹飪的家庭廚房助手。整個系統可以分為兩大部分：實時監控報警部分和健康菜譜部分，其中實時監控報警部分主要由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。在系統測試中，對每個功能模塊進行測試，測試結果基本都能達到預期設計效果，實現了設計要求，具有便利性、實用性等優點并且可以穩定運行。