基于STM32 的家庭厨房助手设计与实现

李新超，黄子立

（广东石油化工学院电子信息工程学院，广东茂名 525000）

城市燃气管道接入了千家万户，为人们的生活带来了便利，但同时可燃气体的泄露也成为人们生活中的安全隐患[1]。在使用燃气、天然气过程中若操作不当或管道老化，会导致燃气泄漏。当空气中危险可燃气体浓度达到某一界限时，人体吸入一定量气体会导致中毒、窒息等，遇到明火或者静电会发生爆炸起火最终导致火灾事故的发生[2-3]。有关数据表明，居民住宅区发生的火灾事故众多，约占火灾总量的三分之一[4]，而厨房是发生火灾和发生中毒事件的高危地带，需要引起重视[5]。通过在家庭厨房中安装气体检测报警装置，实时监测厨房中危险气体的浓度值，当监测的浓度达到用户设定的报警阈值时，装置会发出报警信号并且驱动厨房排气扇运转，降低危险气体浓度，以提醒用户及时处理，减少危险气体泄漏带来的危害，避免造成更大的财产损失和伤亡事故[6-10]。

目前，市场上大部分的燃气报警器只具有危险气体浓度监测报警功能，为了增加燃气报警系统的实用性、方便性，设计了一款既具有燃气泄漏、烟雾超标报警，又具有智能开启排气扇的排期防护，并具有烹饪定时提醒、健康菜谱与详细操作步骤语音提示等功能的家庭厨房助手，相比传统燃气报警器，该助手功能更加丰富也更加实用。

1 系统总体设计

系统在传统危险气体浓度监测、烟雾报警的基础上，增加了排气扇防护、烹饪定时提醒、辅助烹饪的菜谱语音提示功能。当烟雾传感器或气体检测传感器监测到厨房中对应位置的危险气体浓度和烟雾浓度达到预先规定的阀值时，单片机就会控制排气扇转动，同时有源蜂鸣器发声和LED 灯闪烁，对厨房人员进行报警提醒，且在LCD 液晶屏幕上实时显示一氧化碳等危险气体的浓度。

在用户做菜过程中，可以使用该系统的菜谱功能，其中收录了一些常见菜式做法的详细步骤。通过按键进行菜式的选择后，LCD 液晶显示屏将显示该菜式的简介、所需食材和制作时间，按下确定键后，进入烹饪辅助程序，系统开始计时并显示该菜式的操作步骤，同时进行语音播报提示，在第一步完成后,自动进行下一步操作提示和计时提示，直到整个菜式制作完成。

整个系统采用模块化设计，系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构图

系统采用STM32 单片机作为主控芯片，采用MQ-2 烟雾传感器、MQ-7 气体传感器作为气体泄露、烟雾检测传感器，并设计信号处理模块，使用LED 灯、蜂鸣器、LCD 显示屏作为报警提示模块，利用排风扇作为防护模块实现对厨房环境的实时监测与防护，采用DY-SV17F 模块作为语音播放提示模块，提示菜谱操作步骤。

2 硬件的设计与实现

硬件电路设计主要包括主控模块电路设计、传感器模块电路设计、报警模块电路设计和语音提示模块电路设计。

2.1 主控模块

系统采用STM32F103RCT6 芯片为核心控制器，其功能强大，内置256 K 闪存和48 K 静态随机存取存储器，8 个定时器、51 个通用I/O 口，还有ADC、DAC 等[11]。主控电路还包含了LED 灯、按键、电源开关、5 V 和3.3 V 的电源供应接口、支持程序烧录调试的USB 口等。主控模块电路如图2 所示。

图2 STM32单片机主控模块电路图

2.2 气体监测及报警防护模块

采用的传感器有MQ-2 传感器和MQ-7 传感器，分别负责检测厨房环境中的烟雾浓度和一氧化碳浓度。MQ-2 型烟雾传感器使用一种活性很高的金属氧化物半导体作为敏感性材料，传感器接上电源加热后其表面的金属氧化物会进行化合反应，使半导体中的电子数量降低，进而使其电阻值变大[12]。当传感器的感受部分接触到烟雾时，会使半导体的电导率不同，环境中烟雾的浓度越高，传感器的电导率就越大，传感器模块的输出值AO 就越大。对应的连接电路如图3（a）所示。

MQ-7 气体传感器用于测量一氧化碳浓度时，采用先高电压加热再低电压检测气体浓度不断循环，传感器的导电率跟空气中的待测气体浓度呈正比关系[13]。通过电路转换可以将传感器电导率变化转化为气体相应浓度的AO 信号[14]。对应的连接电路如图3（b）所示。

报警模块由有源蜂鸣器、LED 灯组成。防护模块采用继电器驱动排气扇构成，采用S8085 三极管驱动高电平触发有源蜂鸣器。系统使用3 个LED 灯作为提示信号，LED0 亮作为系统的报警警示灯；LED1 亮作为系统运行指示灯；LED2 常亮作为电源的指示灯，采用继电器驱动抽风机和排气扇转动，电路如图3（c）所示。

图3 气体监测及报警防护电路

2.3 语音提示模块

语音提示模块采用DY-SV17F，其板载5WD 类的功放，可以直接驱动4 Ω、3～5 W 喇叭，可以支持MP3、WAV 的解码格式，模块板载32 Mbi（t4 MByte）flash 存储，可以自定义语音播放的内容，通过USB数据线连接电脑把音频文件按规定命名顺序下载进模块[15]。DY-SV17F 模块通过模式配置引脚CON1、CON2 对应连接不同的辅助电路，可以具有多种工作控制模式、工作模式和I/O 配置，如表1 所示。

表1 语音播放工作模式配置

DY-SV17F 模块选择曲目是通过I/O 口触发低电平进行选择，曲目存入存储器中需要按照5 位数字00001.mp3，00002.mp3，00003.mp3，……00255.mp3的规则命名。

采用模式1 方式，当I/O7、I/O6、I/O5、I/O4、I/O3、I/O2、I/O1、I/O0 输出电平为1111110 时，选择播放00001.mp3，当I/O7、I/O6、I/O5、I/O4、I/O3、I/O2、I/O1、I/O0 输出电平为1111101 时，选择播放00002.mp3，以此类推可以选择播放255 首曲目。采用模式0，I/O组合模式0 即“按键组合播放”是指I/O0～I/O7 输出对应的电平后恢复原来的高电平,类似于按键触发一次，播放一次就停止。该系统采用模式1，具体电路连接如图4 所示。

图4 I/O组合模式1电路连接图

3 系统程序设计及测试

3.1 系统总程序设计

家庭厨房助手使用KEIL 开发环境进行程序编写，使用ST-Link 进行下载程序调试，使用XCOM 串口调试助手进行串口调试验证。整个系统程序分模块设计，主要包括主程序设计、传感器程序设计、声光报警排气程序设计、健康菜谱程序设计、语音同步播报程序设计和计时定时程序设计。系统的主程序流程如图5 所示。

图5 系统主程序流程

系统通电后开始初始化，包括GPIO 初始化、串口初始化、定时器初始化、LCD 初始化、定义引脚、定义参数等。系统初始化完毕后，一方面，若使用烟雾和气体传感器需要预热2 min，确保采集浓度的数据准确。另一方面，可以直接使用健康菜谱功能，通过按键选择菜式制作，会有同步语音播报提示，方便制作。

3.2 系统的功能测试

文中对系统功能进行了测试，在0.5 m3的密闭纸盒内MQ-7 传感器测得一氧化碳浓度达到设定的阈值50 ppm时（为危险浓度标准100 ppm[16]的一半）,系统发出声光报警，并启动排气扇，同时在LCD 显示屏上显示了对应的状态信息，如图6（a）所示。同样条件下在密闭空间内点燃了多根蜡烛，距离传感器30 cm，烟雾浓度在35 ppm（为危险浓度标准75 ppm[16]的一半）时，系统发出声光报警，并启动排气扇。针对菜谱辅助功能进行了测试，可以按照菜单步骤在LCD显示屏上进行操作信息提示、语音播报提示、操作定时时间提示，如图6（b）所示，测试结果表明实现了系统的功能。

图6 系统测试的LCD屏幕提示信息

4 结束语

针对目前市场上燃气报警器品牌繁多但功能过于单一的问题，采用STM32 主控芯片设计一款既有实时监测报警功能又能辅助用户烹饪的家庭厨房助手。整个系统可以分为两大部分：实时监控报警部分和健康菜谱部分，其中实时监控报警部分主要由MQ-2 烟雾传感器、MQ-7 气体传感器、LED 灯、有源蜂鸣器和风扇组成；健康菜谱部分主要由LCD 显示屏、DY-SV17F 语音模块和扬声器组成。在系统测试中，对每个功能模块进行测试，测试结果基本都能达到预期设计效果，实现了设计要求，具有便利性、实用性等优点并且可以稳定运行。