基于STM32单片机的家庭智能火灾安全系统研究_智能火警预警系统设计

概要

  在硬件选择方面，采用了以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，集成了温度传感器（LM75A）、烟雾气敏传感器（MQ-2）、微型人体感应传感器PIR、有源蜂鸣器以及6×6×6轻触开关等，编写程序通过各个模块的传感器对环境种的温度、烟雾浓度数据信息的实时采集，再由单片机进行数据存储与处理，随后根据设计逻辑控制各模块元件做出相应的应对措施，排除隐患，尽可能避免意外发生。

关键词：STM32单片机 传感器 智能 火灾报警系统

一、硬件系统设计

  单片机系统由STM32F103C8T6芯片、MQ-2烟雾气体传感器、LM75A温度传感器、微型人体感应模块PIR、蜂鸣报警器、红灯、绿灯和一个中断按键开关组成。根据PCB图和原理图将各模块器件进行焊接[7]。

1 火灾报警器硬件电路设计

  本单片机系统由STM32F103C8T6与MQ-2烟雾气体传感器、LM75A温度传感器、微型人体感应模块PIR、蜂鸣报警器、红绿灯和一个中断按键开关几大模块组成。各模块连线如下：将PA12与MQ-2烟雾气体传感器D03口连接；将PA10与有源蜂鸣器连接；将PA8口与微型人体感应器OUT口连接；将PA0口与中断开关按键KEY0连接；将PB1口与绿灯连接；将PB10与红灯连接；将PB6,PB7分别与LM75A温度传感器时钟线SCL和数据线SDA连接。

图3.1 火灾报警系统原理图

二、软件开发

2.1主程序设计

  本设计以STM32为警报系统的主控芯片，由传感器采集到的烟雾浓度和温度通过GPIO口传输至STM32进行处理，再由编写好的程序对环境进行判断，最后通过GPIO口对蜂鸣报警器和红色LED灯（模拟洒水功能）进行控制，这些部分是火灾警报系统的智能所在的体现。我还在火灾警报器的软件设计中设计了模块化的变成方法，为的就是后期程序系统的维护的便捷，这些子程序的作用就是实现各模块的功能，也更方便需求功能的拓展，他主要包括火灾报警总程序、现场温度和烟雾浓度报警子程序、人体红外感应子程序、和红色LED（模拟洒水）中断处理子程序。
火灾警报系统的工作流程图如4.1所示，首先启动火灾警报系统，系统初始化，随后各传感器对环境进行扫描，单片机判断传感器采集到的温度信息或者烟雾气体浓度信息超过所设定阈值时，报警模块蜂鸣器会长鸣直到异常消失，再根据红外人体传感器是否探测到有人在场，判断是否需要进行下一步处理，可自动或者手动进行的洒水（此设计为红灯模拟）控制。异常情况有以下情形。
情形1：烟雾浓度异常，温度正常，无人在场，蜂鸣器长鸣；
情形2：烟雾浓度异常，温度正常，有人在场，蜂鸣器长鸣；
情形3：烟雾浓度正常，温度异常，无人在场，蜂鸣器长鸣；
情形4：烟雾浓度正常，温度异常，有人在场，蜂鸣器长鸣；
情形5：烟雾浓度异常，温度异常，无人在场，蜂鸣器长鸣，洒水；
情形6：烟雾浓度异常，温度异常，有人在场，蜂鸣器长鸣，可手动控制洒水。

图4.1 警报系统程序流程图

三、测试与调试

5.1 警报器的调试

5.1.1 传感器参数标定

烟雾传感器MQ-2浓度阈值设定为2000ppm，电源范围1-5V。
温度传感器LM75A温度阈值设定为55℃，电源范围2.8-5.5V。
微型红外人体传感器检测范围0-5m。

5.1.2 传感器重复性研究

用高于传感器阈值的是环境数据检测传感器是否报警，由检测结果构造5组数据，以5V电压为测试电压，测试输出电压为5V时，得到的10组数据，观察测试结果。

5.1.3 系统报警模块误报测试

本部分主要检测系统的可靠性和传感器误报警率
①以浓度大于2000ppm烟雾进行烟雾报警试验百次/组，误报率如表5.1所示
表5.1 烟雾报警模块误报警率
组号 1 2 3 4 5
误报警率% 2 0 3 1 2
由上表可知，烟雾报警模块最大误报警率为3%，平均误报率为1.6%。
②以大于55℃的温度进行温度报警实验百次/组，误报率如表5.2所示
表5.2 温度报警模块误报警率
组号 1 2 3 4 5
误报警率% 1 2 2 1 0
由上表可知，温度报警模块最大误报警率为3%，平均误报警率为1.4%。
③以五米的移动人体进行微型红外传感试验百次/组，无效感应率如表5.3所示

表5.3 红外人体感应模块无效感应率
组号 1 2 3 4 5
无效感应率% 1 0 2 1 0
由上表可知，红外人体感应模块最大无效感应率为2%，平均无效感应率为0.8%。
由上述试验可知，三大传感模块的平均失误率都在2%以下，数据可接受范围误差，总的来说，该系统功能基本达到要求。

五、结论

本次设计项目从开始到完成共历时4个月，包括初期项目题目的选定以及开题报告的撰写，器件的挑选和采购到焊接，到逐渐完成的设计，中间也经历过项目设计方向的改动，可还是依旧顺利的完成了，可以说项目是相对成功的。目前项目功能包括了温度异常报警，烟雾浓度异常报警等功能。
目前项目完成点有：
(1) 温度异常报警
(2) 烟雾浓度异常报警
(3) 红外人体检测照明
在整个项目设计过程中，发现自己对于学过的知识掌握还不够，无法熟练的运用所学知识，还需要不断的翻书，向老师同学们请教，总的来说发现如下不足：
(1) 对单片机系统知识和软件知识掌握不足
(2) 对于各个硬件模块的设计和使用做不到快速上手
(3) 对于论文的撰写不够熟悉

六、 文章目录

目录
第一章 概述 1
1.1 研究的背景和意义 1
1.2 火灾警报器的发展现状 1
1.2.1火灾警报器存在的问题 1
1.2.2 火灾警报器的发展趋势 2
1.3本章小结 2
第二章 硬件的选型与分析 4
2.1 主控芯片 4
2.1.1单片机的选型 4
2.1.2 单片机GPIO功能描述 4
2.2 传感器模块选择 5
2.2.1人体红外传感模块 5
2.2.2温度传感模块 6
2.2.3烟雾气体传感模块 7
2.3 本章小结 8
第三章 硬件系统设计 9
3.1 火灾报警器硬件电路设计 9
3.1.1 单片机最小系统 9
3.1.2 烟雾报警模块 11
3.1.3 温度报警模块 11
3.1.4 人体红外感应模块 12

3.1.5 中断开关模块 12
3.2 后期思路改进 13
3.3本章小结 13
第四章 软件开发 14
4.1软件开发环境 14
4.2主程序设计 14
4.3重要子程序设计 15
4.3.1温度报警子程序 15
4.3.2 烟雾报警子程序 17
4.3.3红外人体感应子程序 18
4.3.4 外部中断子程序 18
4.4 本章小结 18
第五章 测试与调试 19
5.1 警报器的调试 19
5.1.1 传感器参数标定 19
5.1.2 传感器重复性研究 19
5.1.3 系统报警模块误报测试 19
5.2 本章小结 20
第六章 项目总结 21
结论 22
参考文献 23
致谢 24