基于STM32 的家庭廚房助手設(shè)計(jì)與實(shí)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(wàn)戶，為人們的生活帶來(lái)了便利，但同時(shí)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)狻⑻烊粴膺^(guò)程中若操作不當(dāng)或管道老化，會(huì)導(dǎo)致燃?xì)庑孤．?dāng)空氣中危險(xiǎn)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到某一界限時(shí)，人體吸入一定量氣體會(huì)導(dǎo)致中毒、窒息等，遇到明火或者靜電會(huì)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(guò)在家庭廚房中安裝氣體檢測(cè)報(bào)警裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廚房中危險(xiǎn)氣體的濃度值，當(dāng)監(jiān)測(cè)的濃度達(dá)到用戶設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并且驅(qū)動(dòng)廚房排氣扇運(yùn)轉(zhuǎn)，降低危險(xiǎn)氣體濃度，以提醒用戶及時(shí)處理，減少危險(xiǎn)氣體泄漏帶來(lái)的危害，避免造成更大的財(cái)產(chǎn)損失和傷亡事故[6-10]。

目前，市場(chǎng)上大部分的燃?xì)鈭?bào)警器只具有危險(xiǎn)氣體濃度監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，為了增加燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的實(shí)用性、方便性，設(shè)計(jì)了一款既具有燃?xì)庑孤熿F超標(biāo)報(bào)警，又具有智能開啟排氣扇的排期防護(hù)，并具有烹飪定時(shí)提醒、健康菜譜與詳細(xì)操作步驟語(yǔ)音提示等功能的家庭廚房助手，相比傳統(tǒng)燃?xì)鈭?bào)警器，該助手功能更加豐富也更加實(shí)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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

在用戶做菜過(guò)程中，可以使用該系統(tǒng)的菜譜功能，其中收錄了一些常見(jiàn)菜式做法的詳細(xì)步驟。通過(guò)按鍵進(jìn)行菜式的選擇后，LCD 液晶顯示屏將顯示該菜式的簡(jiǎn)介、所需食材和制作時(shí)間，按下確定鍵后，進(jìn)入烹飪輔助程序，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)并顯示該菜式的操作步驟，同時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)提示，在第一步完成后,自動(dòng)進(jìn)行下一步操作提示和計(jì)時(shí)提示，直到整個(gè)菜式制作完成。

整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jī)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(cè)傳感器，并設(shè)計(jì)信號(hào)處理模塊，使用LED 燈、蜂鳴器、LCD 顯示屏作為報(bào)警提示模塊，利用排風(fēng)扇作為防護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與防護(hù)，采用DY-SV17F 模塊作為語(yǔ)音播放提示模塊，提示菜譜操作步驟。

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括主控模塊電路設(shè)計(jì)、傳感器模塊電路設(shè)計(jì)、報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)和語(yǔ)音提示模塊電路設(shè)計(jì)。

2.1 主控模塊

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6 芯片為核心控制器，其功能強(qiáng)大，內(nèi)置256 K 閃存和48 K 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，8 個(gè)定時(shí)器、51 個(gè)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(jī)主控模塊電路圖

2.2 氣體監(jiān)測(cè)及報(bào)警防護(hù)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(cè)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(huì)進(jìn)行化合反應(yīng)，使半導(dǎo)體中的電子數(shù)量降低，進(jìn)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(shí)，會(huì)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(duì)應(yīng)的連接電路如圖3（a）所示。

MQ-7 氣體傳感器用于測(cè)量一氧化碳濃度時(shí)，采用先高電壓加熱再低電壓檢測(cè)氣體濃度不斷循環(huán)，傳感器的導(dǎo)電率跟空氣中的待測(cè)氣體濃度呈正比關(guān)系[13]。通過(guò)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(hào)[14]。對(duì)應(yīng)的連接電路如圖3（b）所示。

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

圖3 氣體監(jiān)測(cè)及報(bào)警防護(hù)電路

2.3 語(yǔ)音提示模塊

語(yǔ)音提示模塊采用DY-SV17F，其板載5WD 類的功放，可以直接驅(qū)動(dòng)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(chǔ)，可以自定義語(yǔ)音播放的內(nèi)容，通過(guò)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(jìn)模塊[15]。DY-SV17F 模塊通過(guò)模式配置引腳CON1、CON2 對(duì)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(yǔ)音播放工作模式配置

DY-SV17F 模塊選擇曲目是通過(guò)I/O 口觸發(fā)低電平進(jìn)行選擇，曲目存入存儲(chǔ)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(shí)，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(shí)，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(duì)應(yīng)的電平后恢復(fù)原來(lái)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(jì)及測(cè)試

3.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)

家庭廚房助手使用KEIL 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序編寫，使用ST-Link 進(jìn)行下載程序調(diào)試，使用XCOM 串口調(diào)試助手進(jìn)行串口調(diào)試驗(yàn)證。整個(gè)系統(tǒng)程序分模塊設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、傳感器程序設(shè)計(jì)、聲光報(bào)警排氣程序設(shè)計(jì)、健康菜譜程序設(shè)計(jì)、語(yǔ)音同步播報(bào)程序設(shè)計(jì)和計(jì)時(shí)定時(shí)程序設(shè)計(jì)。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(shí)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(guò)按鍵選擇菜式制作，會(huì)有同步語(yǔ)音播報(bào)提示，方便制作。

3.2 系統(tǒng)的功能測(cè)試

文中對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試，在0.5 m3的密閉紙盒內(nèi)MQ-7 傳感器測(cè)得一氧化碳濃度達(dá)到設(shè)定的閾值50 ppm時(shí)（為危險(xiǎn)濃度標(biāo)準(zhǔn)100 ppm[16]的一半）,系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，并啟動(dòng)排氣扇，同時(shí)在LCD 顯示屏上顯示了對(duì)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(diǎn)燃了多根蠟燭，距離傳感器30 cm，煙霧濃度在35 ppm（為危險(xiǎn)濃度標(biāo)準(zhǔn)75 ppm[16]的一半）時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警，并啟動(dòng)排氣扇。針對(duì)菜譜輔助功能進(jìn)行了測(cè)試，可以按照菜單步驟在LCD顯示屏上進(jìn)行操作信息提示、語(yǔ)音播報(bào)提示、操作定時(shí)時(shí)間提示，如圖6（b）所示，測(cè)試結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試的LCD屏幕提示信息

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前市場(chǎng)上燃?xì)鈭?bào)警器品牌繁多但功能過(guò)于單一的問(wèn)題，采用STM32 主控芯片設(shè)計(jì)一款既有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能又能輔助用戶烹飪的家庭廚房助手。整個(gè)系統(tǒng)可以分為兩大部分：實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警部分和健康菜譜部分，其中實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)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(yǔ)音模塊和揚(yáng)聲器組成。在系統(tǒng)測(cè)試中，對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果基本都能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，具有便利性、實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)并且可以穩(wěn)定運(yùn)行。