基于單片機(jī)的語(yǔ)音智能疏散系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏 德 夏 冰 王中坤

（平頂山學(xué)院 信息工程學(xué)院 河南 平頂山 467000）

隨著當(dāng)前綜合國(guó)力不斷提升，社會(huì)蓬勃發(fā)展，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平得到了極大的提高，同時(shí)由于我國(guó)建筑水平不斷地提高，使得我們居住的樓房越來(lái)越高，樓房之間的距離越來(lái)越緊密，由此帶來(lái)了一些安全隱患。傳統(tǒng)的人工疏散方式對(duì)火災(zāi)的反應(yīng)相對(duì)滯后，并且可能會(huì)造成沒(méi)有必要的人員傷亡。

本文以STM32F030C8T6為主控芯片，利用單片機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)，通過(guò)控制煙霧傳感器、GSM無(wú)線通信模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、繼電器模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音疏散等相關(guān)的基本功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括 STM32單片機(jī)控制模塊、GSM無(wú)線通信模塊、MQ-2煙霧濃度檢測(cè)模塊、5V轉(zhuǎn)3.3V降壓模塊、按鍵模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、128×64分辨率OLED顯示模塊和HK23F繼電器模塊。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)利用了KEIL5進(jìn)行編程。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)使用了 STM32單片機(jī)、語(yǔ)音報(bào)警模塊、煙霧采集模塊、GSM、OLED屏和按鍵模塊。

2.1 STM32單片機(jī)控制模塊

本設(shè)計(jì)采用STM32F030C8T6單片機(jī)作為主控芯片。外圍電路有復(fù)位電路、晶振電路以及電源電路等[1]。復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)用按鍵進(jìn)行復(fù)位，晶振電路采用外接晶振為12 kHz的低頻晶振。該芯片工作電壓2.4 V-3.6 V，工作主頻率為48 MHz，同時(shí)具有豐富的片內(nèi)資源，片內(nèi)具有內(nèi)置高速存儲(chǔ)器。此外，它還有豐富的IO口和多個(gè)先進(jìn)的通信接口，自帶3.3V穩(wěn)壓電路。此系統(tǒng)板具有性能強(qiáng)、功耗低，體積較小且價(jià)格低廉。最小系統(tǒng)及外圍電路如圖 2所示。

圖2 STW32最小系統(tǒng)及外圍電路

2.2 語(yǔ)音播報(bào)模塊

本系統(tǒng)采用的語(yǔ)音播報(bào)模塊是以JQ8400-FL芯片為核心的語(yǔ)音播報(bào)模塊，并選用了LS57N-12F-R8的 2.25寸高音喇叭。語(yǔ)音模塊的驅(qū)動(dòng)芯片為JQ8400-16S，模塊采用USATR與單片機(jī)進(jìn)行通信，TX端與單片機(jī) RXD1端連接，RX端與單片機(jī)TXD1連接；喇叭通過(guò)輸出不同電壓，產(chǎn)生不同頻率的波形來(lái)發(fā)出不同的聲音[2]。語(yǔ)音報(bào)警模塊接口電路圖如圖3所示，JQ8400-FL芯片如圖4所示。

圖3 語(yǔ)音報(bào)警模塊接口電路

圖4 JQ8400-FL芯片

2.3 煙霧采集模塊

本設(shè)計(jì)中的煙霧濃度傳感器模塊上的電位器可以調(diào)節(jié)電阻從而調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)控制對(duì)煙霧濃度的靈敏度，其原理為：

其中：Vc為回路電壓；Ushuchu為傳感器輸出電壓；R為調(diào)節(jié)電阻；Rs為傳感器體電阻。

本設(shè)計(jì)中，MQ-2傳感器的小板數(shù)字開關(guān)接口DO懸空，小板模擬量輸出接口AO與STM32的IO口中的 PA3相連，通過(guò)傳感器內(nèi)部的 AD 轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)可以獲得周圍環(huán)境當(dāng)中氣體濃度精準(zhǔn)值，完成對(duì)室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度采集。其模塊接口電路圖如圖5所示。

圖5 GSM無(wú)線通信模塊接口電路圖

2.4 GSM無(wú)線通信模塊

本設(shè)計(jì)中主要使用的GSM模塊是SIM800L傳感器模塊，GSM模塊的RX、TX引腳分別與STM32主控芯片的PA15、PA14引腳進(jìn)行連接，與單片機(jī)之間通過(guò)USART2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過(guò)一定指標(biāo)時(shí)，MCU會(huì)立即控制GSM模塊向用戶發(fā)送報(bào)警短信。GSM/GPRS模塊接口電路圖如圖6所示。

圖6 GSM無(wú)線通信模塊接口電路圖

2.5 OLED顯示模塊

為了使測(cè)量結(jié)果更直觀，本次設(shè)計(jì)采用了128*64分辨率顯示的0.96寸OLED顯示屏模塊。本系統(tǒng)中OLED顯示屏模塊與單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞讲捎肧PI通信方式，硬件電路中將SCLK1、MOSI1、OLED_RST和OLED_CS引腳分別連接至單片機(jī)的I/O口PB13、PB15、PB6和PB5。寫數(shù)據(jù)時(shí)SCLK1先設(shè)置為低電平，在產(chǎn)生上升沿之前準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，MOSI1給單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)完成后，SCLK1拉高使OLED讀取數(shù)據(jù)。該模塊功能是實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫?zé)熿F濃度，煙霧濃度閾值調(diào)節(jié)的顯示。其與模塊接口電路圖如圖7所示。

圖7 OLED顯示屏模塊接口電路圖塊電路

2.6 電源壓降模塊

本系統(tǒng)中，語(yǔ)音報(bào)警模塊、GSM無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、煙霧濃度采集模塊供電電壓為5V。為了使系統(tǒng)正常工作，用USB為系統(tǒng)提供5V電壓，保證語(yǔ)音報(bào)警模塊、GSM無(wú)線通信模塊、煙霧濃度采集模塊正常工作。OLED顯示屏模塊供電電壓為3.3V，為獲得3.3V電壓，使用壓降模塊進(jìn)行降壓，該模塊使用AMS1117芯片。AMS1117是一種線性穩(wěn)壓器，它對(duì)輸出電壓采樣并將輸出電壓反饋到輸出級(jí)調(diào)節(jié)管的阻抗，當(dāng)輸出電壓過(guò)低時(shí)就調(diào)節(jié)阻抗變小，而輸出電壓過(guò)高時(shí)就調(diào)節(jié)阻抗變大，從而維持電壓的穩(wěn)定，輸入5V時(shí)阻抗增加，轉(zhuǎn)化為3.3V。壓降模塊接口電路圖如圖8所示。

圖8 電源電路模塊接口圖

2.7 繼電器模塊

繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)之間的互動(dòng)關(guān)系，兩系統(tǒng)是絕緣隔離的；它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”，通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中[3]。

本設(shè)計(jì)采用電磁式繼電器，它由鐵芯、線圈、彈簧、銜鐵（動(dòng)觸點(diǎn)）、常開和常閉觸點(diǎn)組成；常開是指繼電器常態(tài)（不通電時(shí)）下觸點(diǎn)為打開著，同理，常閉就是閉合著。工作時(shí)，線圈兩端有電勢(shì)差，勢(shì)差引起的電流流過(guò)線圈，產(chǎn)生電磁效應(yīng)，會(huì)吸引銜鐵克服彈簧彈力與常開觸點(diǎn)接觸，被控制系統(tǒng)導(dǎo)通；不工作時(shí)，在線圈兩端沒(méi)電壓，線圈不會(huì)吸引銜鐵，銜鐵因彈簧彈力與常閉觸點(diǎn)接觸，被控制系統(tǒng)截止；在繼電器一次工作過(guò)程中可聽見(jiàn)短暫“嗒”一聲脆響。繼電器工作原理圖如圖9所示。

圖9 繼電器工作原理圖

2.8 按鍵模塊

本系統(tǒng)中，為了使發(fā)生報(bào)警的煙霧濃度閾值更為方便的調(diào)節(jié)，除了通過(guò)MQ-2上的電位器調(diào)節(jié)外，還設(shè)計(jì)了通過(guò)按鍵模塊對(duì)報(bào)警閾值的調(diào)節(jié)。S1作為煙霧濃度閾值和告警開關(guān)的切換按鍵，系統(tǒng)默認(rèn)S1為閾值調(diào)節(jié)狀態(tài)，通過(guò)S2和S3分別增加和減少閾值。當(dāng)S1按下時(shí)，進(jìn)行閾值調(diào)節(jié)，此時(shí)S3失效，切換為告警開關(guān)。當(dāng) S2按下時(shí)，告警開關(guān)關(guān)閉，S2再次按下，告警開關(guān)開啟。按鍵的調(diào)節(jié)過(guò)程為：按下S1可以調(diào)節(jié)煙霧濃度閾值，通過(guò)S2增加閾值S3減小；再次按下S1可以控制告警開關(guān)，上電默認(rèn)為開，按下 S2后可以關(guān)閉告警開關(guān)。按鍵模塊接口電路圖如圖10所示。

圖10 按鍵模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用 C語(yǔ)言在 Keil5環(huán)境下基于STM32官方庫(kù)進(jìn)行程序開發(fā)，使用ST-LINK燒錄軟件對(duì)程序進(jìn)行下載與調(diào)試。

3.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

正常供電后，主程序先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化，然后對(duì)串口、定時(shí)器、OLED顯示屏模塊以及其它各模塊進(jìn)行初始化，緊接著調(diào)用OLED顯示屏顯示函數(shù)，將每一位待顯示數(shù)據(jù)傳輸至OLED顯示屏相對(duì)應(yīng)的位置上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為：系統(tǒng)上電后，開始系統(tǒng)初始化，然后在死循環(huán)中單片機(jī)開始不斷地獲取傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)標(biāo)志位system_point進(jìn)入switch語(yǔ)句，調(diào)用get_sensor函數(shù)判斷煙霧傳感器采集的數(shù)據(jù)是否大于預(yù)設(shè)定的煙霧濃度值。如果MQ-2傳感器檢測(cè)的數(shù)值大于預(yù)設(shè)定值，再通過(guò)標(biāo)志位alarm標(biāo)志位判斷告警開關(guān)是否開啟；若開啟，單片機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警同時(shí)驅(qū)動(dòng) GSM 模塊發(fā)送短信報(bào)警。系統(tǒng)主程序流程圖如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)總體程序流程圖

3.2 按鍵模塊軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中所涉及的按鍵模塊部分主要包含的功能為：按下S1可以調(diào)節(jié)煙霧濃度閾值，通過(guò)S2增加閾值，S3減小閾值；再次按下S1可以控制告警開關(guān)，上電默認(rèn)為開，隨后按下 S2后可以關(guān)閉告警開關(guān)。按鍵模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖12所示。

圖12 按鍵程序流程圖

3.3 煙霧濃度采集軟件設(shè)計(jì)

為本系統(tǒng)上電運(yùn)行后，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)初始化，先對(duì)MQ-2煙霧傳感器工作模式進(jìn)行初始化，再將從傳感器的AO引腳讀取煙霧濃度數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。MQ-2煙霧傳感器主要通過(guò)內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。煙霧濃度傳感器模塊上的電位器可以調(diào)節(jié)煙霧濃度的靈敏度（其原理見(jiàn)2.3）從而對(duì)不同的煙霧的濃度進(jìn)行檢測(cè)。煙霧傳感器采集程序流程圖如圖13所示。

圖13 按鍵程序流程圖

3.4 GSM通信模塊模塊軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)的USART2串口2給GSM模塊發(fā)送AT+CMGF=1指令，隨后等待GSM模塊響應(yīng)OK之后發(fā)送AT+CSCS=“GSM”，設(shè)置TE輸入字符集格式為“GSM”格式，再次響應(yīng)OK之后，發(fā)送 AT+“手機(jī)號(hào)碼”編輯短信，再發(fā)送PDU格式的短消息響應(yīng)OK之后，說(shuō)明信息發(fā)送完畢[4]。報(bào)警的短信發(fā)送流程圖如圖14所示。

圖14 報(bào)警短信發(fā)送流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

硬件測(cè)試對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要，因?yàn)橛布娐愤B接部分出現(xiàn)的錯(cuò)誤往往會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能甚至導(dǎo)致電路的損壞[5]。

4.1 硬件測(cè)試

首先測(cè)試硬件PCB電路連接是否有問(wèn)題，系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。然后測(cè)試語(yǔ)音播報(bào)模塊能否順利進(jìn)行報(bào)警，傳感器模塊能否正常采集數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境異常時(shí) GSM 模塊能否給用戶發(fā)送報(bào)警短信等。最后測(cè)試OLED顯示屏模塊長(zhǎng)時(shí)間工作能否正常顯示當(dāng)前煙霧濃度值以及系統(tǒng)能否長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

為MQ-2傳感器對(duì)可燃?xì)怏w等有一定的敏感度，故可通過(guò)用打火機(jī)模擬燃?xì)庑孤﹣?lái)測(cè)試其是否具備室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的功能。當(dāng)釋放燃?xì)鈺r(shí)，MQ-2檢測(cè)煙霧濃度達(dá)到99%，告警開關(guān)為開的狀態(tài)下，單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)以及通過(guò)GSM發(fā)送報(bào)警短信。

4.2 軟件測(cè)試

軟件測(cè)試是開發(fā)設(shè)計(jì)中必不可少的流程，進(jìn)行軟件測(cè)試可以檢驗(yàn)系統(tǒng)功能是否完善，同時(shí)也可以檢測(cè)到硬件電路是否正常工作。

4.2.1 OLED屏幕軟件測(cè)試

OLED顯示屏顯示部分的軟件測(cè)試主要檢測(cè)OLED顯示屏的數(shù)據(jù)顯示及清屏功能是否正常，測(cè)試方法是在測(cè)試程序中分別寫入煙霧濃度顯示、煙霧濃度閾值顯示，下載程序并觀察OLED顯示屏顯示效果。OLED第一行顯示主控芯片為STM32，第二行顯示當(dāng)前煙霧濃度，第三行顯示當(dāng)前設(shè)定的煙霧濃度閾值，第四行顯示的告警開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。OLED顯示屏顯示如圖15所示。

圖15 OLED顯示屏顯示圖

4.2.2 按鍵設(shè)置閾值軟件測(cè)試

按鍵程序設(shè)置部分的軟件測(cè)試主要是為了檢測(cè)按鍵能否正常調(diào)節(jié)觸發(fā)煙霧報(bào)警的閾值和告警開關(guān)，測(cè)試方法是在程序中寫入調(diào)節(jié)閾值和控制告警開關(guān)的程序，在顯示屏中查看數(shù)值是否能通過(guò)按鍵按下去改變。程序下載完畢之后，默認(rèn)顯示 Max_Gas為30%，Alarm可以通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)為OFF關(guān)閉狀態(tài)。按鍵調(diào)節(jié)效果如圖16所示。

圖16 按鍵調(diào)節(jié)效果圖

4.2.3 GSM無(wú)線通信軟件測(cè)試

GSM 模塊程序的部分主要是當(dāng)煙霧濃度達(dá)到閾值，語(yǔ)音報(bào)警模塊發(fā)生報(bào)警之后，手機(jī)接到發(fā)生火災(zāi)的警告。短信效果如圖17所示。

圖17 短信效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以STM32F030C8T9為核心控制器的語(yǔ)音智能疏散系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音報(bào)警具有靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的現(xiàn)實(shí)可行性。本設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步改進(jìn)，例如系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)的檢測(cè)，可選用耐熱的材料，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；系統(tǒng)也可與太陽(yáng)能路燈共用電源，方便安裝和節(jié)約成本。