基于STM32F103单片机的烟雾报警器设计

2018-11-14山东科技大学信息工程系

电子世界 2018年20期

关键词：电离室蜂鸣器数码管

山东科技大学信息工程系孙波

山东科技大学机电工程系刘士彩

山东科技大学信息工程系王玉潇

山东科技大学网络中心张家迎

山东科技大学机电工程系高学辉

山东科技大学信息工程系郭帅

为了避免火灾以及减少火灾造成的损失，必须设计和完善火灾自动报警系统，将火灾消灭在萌芽状态，最大限度地减少社会财富的损失。本文介绍了一个在较小范围内使用的单片机烟雾报警系统，此系统以STM32F103单片机为控制器，通过NIS-07离子式烟雾传感器检测信号，经单片机本身的数模转换器进行信号转换后，输入到单片机，然后利用数码管显示烟雾浓度，通过单片机的蜂鸣器实现报警功能。

1.引言

近些年，越来越多的地方频繁的发生火灾，引起了人民群众的广泛关注。火灾预警对于保护个人以及个人的财产安全具有重要的意义。目前市场上存在的烟雾报警器价格比较高，不适合小范围进行使用，如家庭、学校、小型商场等。本文提出了一种基于单片机的小型烟雾报警器，价格低，单片机本身带有数模转换器，适合小范围进行使用，且STM32F103单片机芯片集成了定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB和UART等多种功能，已被广泛使用到多个领域。

2.器件介绍

2.1 单片机

STM32F具有72MHz的工作频率，集成了存储器、电源管理、低功耗。模数转换器、DMA、调试模式、计算单元和封装等模块。并且该芯片用途广泛，已普遍应用到电力电子系统方面。STM32F103单片机的引脚图如图1所示。

图1 STM32F103单片机

VBAT引脚的作用是给RTC和备份区域供电，保证在VDD断电的情况下相关区域的数据内容仍然是有效的，一般连接到外部电池；PC13/PC14/PC15引脚的内部模拟了开关，只允许少量的电流通过，驱动能力小，不可以同时使用；当PA0-WKUP引脚处于上升沿时，作为待机模式唤醒条件；每个VDD各接一个0.1uF陶瓷电容，VDD_3需要再接一个4.7～10uF的钽电容；对于VDDA，需要连接10nF陶瓷电容+1nF钽电容。

2.2 NIS-07离子式烟雾传感器

NIS-07离子式烟雾传感器，它使用镅241。放射性组织的到了保障，其外部有金属外壳。因放射能较小，对放射能使用有制约的国家也可以放心使用。NIS-07源片采用低放射能量，适当地扩大了电离室后，在清洁湿气中，平衡电压更趋稳定，大大降低了误报率，并且气敏式传感器性能并不如离子式传感器。本文选择离子式烟雾传感器来对烟雾预警进行分析。图2所示为NIS-07离子式烟雾传感器。

图2 NIS-07离子式烟雾传感器

图3 蜂鸣器电路图

2.3 蜂鸣器

压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器为两种常见的蜂鸣器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁等器件组成。电源连接后，振荡器发出信号，通过电磁线圈，这时电磁线圈会产生磁场，振动膜片在它们的共同作用下，周期性地发出声响。本实验采用的是电磁式蜂鸣器，图3所示为蜂鸣器电路图。

2.4 数码管

LED数码管具有以下几个特点：

（1）可以在电压较低，电流较小的条件下发光；

（2）其发光时间短，亮度较高；

（3）重量轻，体积不大，抗冲击的能力强；

（4）寿命长，使用寿命可以达到100小时；

（5）成本低，已广泛用在数字仪器仪表和计算机的数显器件中。

3.硬件设计

本文提出的设计思路为：利用NIS-07离子式烟雾传感器采集环境中存在可燃气体，检测传感器阻值变化，转化为电压值后通过变压器改变电压，经过32单片机的A/D模块转换成数字量，输入到STM32F103单片机中，设置门限阈值，超过阈值启动蜂鸣器报警。

3.1 电源模块

本文使用较为简单的USB口模块插入可充电设备（如电源）来给单片机进行供电，另外添加指示灯来标记是否处于充电状态，当为红灯时，表示未接通电源；当为绿灯时，表示处于充电状态。

3.2 烟雾检测模块

本文选用NIS-07离子式烟雾传感器，当电子流经电离室过程中存在不平衡现象，收集极会促使电离室平衡。若监测不到烟雾浓度，收集极会保持平衡电位。当电离室充进烟雾时，电流改变。内电离室受影响小于外电离室，电流会有所下降，收集极重新充电知道新的平衡电位，这种电位变化可用于触发报警电路。

3.3 烟雾浓度显示模块

在本电路中，选用了公共阴极LED数码管，一端接低电平，P0.0-P0.7接高电平时对应点亮数码管的一个笔画，动态显示烟雾浓度，通过分析数据，得到报警阈值浓度，在显示模块达到这一值时，产生报警。

4.软件设计

设定定时器定时0.5μs，通对中断程序产生周期为1μs频率为500Hz的方波,时钟信号提供给STM32F103单片机的AD模块，烟雾传感器输出电压送入该AD模块中。启动转换，待EOC=1；OE＝1输出至单片机，执行中断后，转而调用子程序，当数码管数字显示超过阈值后，输出低电平，解鸣器鸣叫，并通过移动终端可以在网络上进行预警监测；否则，终端不进行提示，图4所示为系统执行的总框图。