基于STM32F103C8T6的燃氣泄漏檢測裝置設計

宋 林，黃麒萱

(攀枝花學院，四川 攀枝花 617000)

0 引言

目前的燃氣泄漏檢測系統在使用的過程中，檢測的種類單一，不便于對CO、煙霧濃度以及室內是否有火焰進行檢測，導致燃氣泄漏檢測系統的功能單一，影響燃氣泄漏檢測的實用性以及準確性。并且現有裝置不能通過無線模塊將檢測數據發送到網絡端。針對上述問題，本文設計了一款可以同時檢測多種燃氣以及檢測明火的燃氣泄漏檢測裝置，并且能夠實時將數據發送到手機網絡端，極大地提高了燃氣泄漏檢測的實用性以及準確性。

1 系統總體設計

該系統可以檢測3種有害氣體濃度以及檢測火焰，可通過OLED顯示，并通過WiFi模塊與手機通信。當氣體濃度超過設定閾值、蜂鳴器鳴響、LED燈閃爍、風扇開啟時，該系統可將數據實時發送到手機網絡端并報警。首先，當系統打開時，氣體傳感器和火焰傳感器讀取并記錄空氣中的CH4濃度、CO濃度和煙霧濃度參數在單片機中通過AD轉換成電信號，然后由單片機進行處理。其次，通過DT-06無線WiFi透傳模塊與手機完成信息傳遞，并將所得到的信息實時傳輸至手機[1]。最后，通過將測量值與預設閾值對比，并根據所得到的結果控制相應的執行器動作。如果煙霧濃度大于預設閾值，蜂鳴器報警，LED燈將閃爍，風扇將打開。當濃度降至預設值以下時，風扇關閉，蜂鳴器停止鳴響，LED燈熄滅。當火焰傳感器檢測到明火時，LED燈閃爍，手機端顯示異常。系統設計如圖1所示。

圖1 系統總體框架

2 系統的功能和特色

該系統的具體功能和特色如下：

(1)該系統能同時檢測多種有害氣體的濃度。該系統針對不同的有害氣使用了3種不同的氣體檢測傳感器，通過多個傳感器的協同作用，極大地提高了燃氣泄漏檢測的實用性以及準確性。

(2)該系統可以手動調節每一個檢測數據的檢測閾值，使該裝置可以在不同場景、不同環境下完成檢測任務。

(3)該系統可以通過無線WiFi透傳模塊與手機完成信息傳遞，并將所得到的信息實時傳輸至手機，可以讓用戶第一時間發現異常。

3 系統硬件設計

3.1 STM32F103C8T6主控芯片

燃氣泄漏檢測裝置以意法半導體開發的增強型微控芯片STM32F103C8T6為主控芯片，是ARM一氧化碳rtex-M3的內核，具有32位CPU、64KB的存儲容量、72 MHz的系統時鐘、12位模數轉換器A/D。片內外設有存儲器、電機控制脈沖寬度調制。

3.2 氣體濃度檢測模塊

本系統采用MQ-2煙霧傳感器檢測空氣中的煙霧濃度。MQ-2煙霧傳感器是多種氣體探測器，使用SnO2半導體的氣體傳感器，當溫度為200～300 ℃時，SnO2通過和氧氣發生電化學反應，降低傳感器中的電子密度，其電阻值上升[2]。當與煙霧接觸時，由于煙霧調節、晶界勢壘發生變化，這會讓其內部的通電情況發生變化[3]。同時，MQ-2煙霧傳感器還具有氣體檢測靈敏度高、檢測數據平穩、耐久度極高、氣體檢測響應快、電路不復雜等優點。本系統選擇CH4濃度傳感器MQ-4來檢測CH4濃度。MQ-4的檢測范圍很寬，傳感器的導電性隨著空氣中燃料氣體濃度的增加而增加，其特點是對可燃氣體(如CH4以及烷烴類物質)的親和度較高，對C2H6O和NH4NO3的親和度低，檢測速度靈敏，性價比高，誤差很小，驅動電路易于應用。本系統選用MQ-7 CO濃度傳感器檢測CO濃度。MQ-7的檢測范圍廣，采用特色的檢測法檢測低溫(1.50 V條件下進行加熱)下的CO[4]。通過簡單的電路將電導率的變化轉換成與氣體濃度相對應的輸出信號，尤其對CO具有高靈敏度[5]。

3.3 火焰檢測模塊

本系統選用火焰傳感器來檢驗環境中是否存在明火。火焰傳感器的技術參數如下：

(1)工作電壓范圍3.3～5 V；工作溫度范圍-10～50 ℃；

(2)通過調節旋鈕來調節靈敏度；

(3)當探測角度約為60°時，此時傳感器對火焰的檢測靈敏度最高；

(4)以數字信號輸出，當檢測到周圍環境存在火焰時輸出數字信號1，否則輸出數字信號0。

3.4 無線通信模塊

WiFi-TTL模塊可引出多種不同功能的串口引腳。內置最新版本的透明串口固件，可完成設備到端口到WiFi云的透明實時數據傳輸，十分節能、可以輕易獲取當前狀態等功能。該模塊可以直接替代常規有線接口，以實現嵌入式設備的運行操作[6]。WiFi-TTL模塊的特點如下：具備很強的兼容性；內置透明固件V3 0網絡接口配置；基于esp-m2的高性能WiFi模塊，總尺寸為4 mm×34 mm×17 mm；電源電壓為4.5～6 V。發送WiFi數據時，支持指令上的串行接口，支持重新編程和OTA固件升級，實時無縫傳輸串行接口和WiFi數據。內置HTTP Web服務器，支持各種參數的網站配置，WiFi支持AP，STA和AP STA模式，支持WiFi STA模式下的自動重新連接，串行接口支持設置波特率、數據位、奇偶校驗、停止位和子訂單時間[7]；支持AP激活、自定義SSID密碼、自定義P和網段等；自動掃描周邊熱點；運行IO4查看WiFi狀態。工作溫度范圍極其廣泛，可以適應各種惡劣環境。

3.5 其他重要模塊

本系統OLED模塊用于顯示CO、CH4、煙霧濃度的閾值和測量值以及火焰檢測情況，系統采用了0.96寸4針腳設計的OLED模塊，其接口為接地端GND，VCC電源輸入端3.3～5.0 V，時鐘信號線SCL和雙向數據線SDA。按鍵模塊包含3個按鍵。按鍵KEY1連接到主機單片機的P12，按鍵KEY2連接到單片機實物P13，按鍵KEY3連接到單片機的P14，主要利用按鍵按下電路導通、按鍵斷開、電路關閉的物理原理。風扇驅動模塊采用的S8050NPN三極管驅動。報警電路模塊通過蜂鳴器實現報警功能，當單片機的控制引腳為低電平時，蜂鳴器報警。

4 系統實現

本系統設計的總體組成為：STM32主控芯片模塊、氣體濃度檢測模塊、火焰檢測模塊、無線通信模塊、OLED顯示模塊、按鍵模塊、風扇驅動模塊、報警電路模塊、電源電路等，詳細系統實現如圖2所示。

圖2 系統電路

5 結語

本文基于 STM32F103C8T6 設計了燃氣泄漏檢測裝置，對氣體環境改善和人類安全生活有著重大意義，通過查閱了大量的國內外相關文獻資料并結合實際，成功制作出了一套性價比高、高效快速、多功能的智能燃氣檢測報警系統。現在將設計過程步驟總結如下：

(1)先從系統的總體出發，針對每個模塊進行嚴格的分析和選型。

(2)經分析后，采用STM32F103C8T6單片機為控制器、MQ-2、MQ-4、MQ-7電化學氣體傳感器為氣體檢測元件，并以此為基礎完成模數轉換、液晶顯示、聲光報警、串口通信等電路的設計。

(3)采用C語言對程序進行編寫。編寫過程中采用模塊化，極大程度上降低了編寫程序的工作量以及檢測程序時所花費的時間和精力。最終各個硬件在程序的控制下按照既定的工作方式正常運作。

(4)將編寫好的整套程序燒錄進單片機中，使用keil 5完成在調試，并用AD設計系統PCB完成實物拼裝。