基于STM32的一氧化碳检测及室内换气系统的设计

2024-01-18吴哲黄浩钊冯烨

现代信息科技 2023年22期

吴哲黄浩钊冯烨

收稿日期：2023-04-26

基金项目：校级中青年项目（2023KY-12）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.22.036

摘要：文章设计一种检测室内一氧化碳浓度的检测仪器。使用STM32F103C8T6开发板作为主控芯片，实时检测待测室内一氧化碳的浓度，当一氧化碳浓度超出阈值时，系统自动警报，并启动排风扇对待测室内的空气进行更换，以减少室内空气中一氧化碳的浓度，避免人体一氧化碳中毒，并且，排风扇的出口端设有环保模块，环保模块用于对排风扇排出的一氧化碳气体进行转化或封存，以减少对室外环境的污染。实验结果表明，当室内一氧化碳浓度超出阈值时，蜂鸣器报警，排风扇自动换气，一氧化碳浓度快速下降。该文设计的产品功能可靠，并且携带方便，可以进行推广应用。

关键词：STM32F103C8T6；一氧化碳浓度；自动报警；环保模块

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）22-0165-04

Design of Carbon Monoxide Detection and Indoor Ventilation System Based on STM32

WU Zhe， HUANG Haozhao， FENG Ye

（Xi'an Traffic Engineering Institute， Xi'an 710300， China）

Abstract： This paper designs a detection instrument for detecting indoor carbon monoxide concentration. Using the STM32F103C8T6 development board as the main control chip to detect the concentration of carbon monoxide in the room to be tested in real-time. When the concentration of carbon monoxide exceeds the threshold， the system automatically alarms and starts the exhaust fan to replace the air in the room to reduce the concentration of carbon monoxide in the indoor air and avoid carbon monoxide poisoning in the human body. Moreover， the outlet end of the exhaust fan is equipped with an environmental protection module， which is used to convert or store the carbon monoxide gas discharged by the exhaust fan， reducing pollution to the outdoor environment. Experimental results show， when the indoor carbon monoxide concentration exceeds the threshold， the buzzer will alarm， the exhaust fan will automatically change air， and the carbon monoxide concentration will rapidly decrease. In summary， the product designed in this paper has reliable functionality and convenient to carry， which can be used as a promotional product.

Keywords： STM32F103C8T6; carbon monoxide concentration; automatic alarm; environmental protection module

0 引言

近年来，随着工农业的发展和技术的不断进步，潜在的安全问题越来越多，例如：在工厂中，一些易燃有毒气体泄漏后与某些成分发生化学反应产生一氧化碳等有毒气体；在农村，秸秆、煤球、柴火等的不充分燃烧都会产生一氧化碳等有毒气体[1-5]；在城市，燃气、煤气热水器安装使用不当或使用不合格设备会导致管道漏气、开关不仅而产生一氧化碳等有毒气体。实际中，一氧化碳无色、无臭、无味[6-8]，且具有毒性，能使人出现不同程度的中毒症状，危害人体的脑、心、肝、肾、肺及其他组织，甚至電击样死亡，人吸入最低致死浓度为0.5%（5分钟）。另外，由于发生一氧化碳中毒事件的隐蔽性和普遍性，迫切需要一种检测室内一氧化碳浓度的检测仪器[9，10]。

1 系统总体方案的设计

系统整体框图如图1所示。系统使用MQ-7传感器模块探头实时获取测量场所空气中一氧化碳的浓度，使用STM32C8T6单片机作为主控，获取MQ-7传感器数据，当MQ-7传感器检测的一氧化碳浓度数据超过预设阈值时，STM32C8T6单片机控制声光报警模块报警，同时，控制排风扇进行工作，排风扇的排风量随着一氧化碳的浓度自动调节。其中，声光报警模块包括蜂鸣器和LED灯光，当MQ-7传感器检测的一氧化碳浓度数据超过预设阈值时，蜂鸣器发出声响，LED灯光闪烁。

另外，STM32C8T6单片机通过远程控制模块与电子设备（例如：手机、平板电脑等）连接，单片机将MQ-7传感器实时检测的结果通过远程控制模块发给电子设备，以便检测人员随时随地查看，其中，控制模块为蓝牙模块、WIFE模块或USB模块。

环保模块：若待测室的体积较小，如家庭室内、农用大棚等，环保模块为集气加热模块，集气加热模块包括集气管，集气管外套有加热套，且与排风扇连接。当排风扇排出的气体经过集气管时，单片机控制加热套对集气管加热，使集气管内的气体与集气器内的催化剂（例如氧化铜）进行反应，催化剂将一氧化碳吸收后产生二氧化碳排出室外，以减少一氧化碳气体对环境造成污染。

若待测室的体积较大，如工厂，环保模块为碳捕集模块，碳捕集模块主要由烟气预处理系统、吸收再生系统、压缩干燥系统、制冷液化系统等组成，用于对排气扇排出的气体进行封存，以进行回收利用。例如碳捕集模块回收的一氧化碳气体可加工成石灰等对环境没有危害的气体。

2 声光报警模块的设计

声光报警模块具有五种状态，以提示当前环境内一氧化碳的浓度和产品的工作状态：

1）LED灯光每隔30秒闪烁一次，无声音警报，表示当前环境内无一氧化碳或一氧化碳浓度低于阈值，对人体无害，并且表示设備工作正常。

2）灯光每隔5秒闪烁一次，同时伴随有蜂鸣器报警，表示当前环境内已经有一定浓度的一氧化碳，但该浓度的一氧化碳对人体无危害或者危害较低，用于提示用户迅速反应以及寻找一氧化碳的产生来源，以进行防治。

3）LED灯光每隔2秒闪烁一次，同时伴随有蜂鸣器报警，表示当前环境内已经有较高浓度的一氧化碳，此浓度的一氧化碳已经对人体造成一定的伤害，用于提示用户撤离至空旷区域或者迅速寻找一氧化碳来源。

4）LED灯光每隔0.5秒闪烁一次，同时伴随有蜂鸣器报警，表示当前环境内已经有极高浓度的一氧化碳，此浓度的一氧化碳已经可以对人体造成严重的损害，提示用户立即撤离至空旷的地区。

5）LED灯光常亮，无声音警报，表示设备工作异常，请立即检查产品。

如图2所示，示出了产品核心部分的实物，该实物包括STM32C8T6单片机、声光报警模块、MQ-7传感器和排风扇。开关按钮用于系统的开启，开机后，主控系统进入预热，大概一分钟左右，预热过程中，会发出提示声，预热结束后，产品开始正常运行，排风扇状态为自动运转；一氧化碳值在稳定状态下通常为1。其中，显示屏为OLED显示屏，其实时显示当前环境的一氧化碳浓度和排风扇状态。对于排风扇转速手动控制按钮，该实物设计了三个档位，如高速档、中速档和低速档，除了上述单片机控制排风扇的转速外，检测人员也可以手动按压该按钮调节排风扇的转速。

声光报警模块的工作原理为：单片机实时从MQ-7传感器获取当前环境内的一氧化碳浓度，并对预设时间段内的数据进行平均计算，以避免传感器瞬间输出的异常数值，影响系统稳定性；然后，根据计算出的数值判断检测的一氧化碳的浓度属于哪种状态，同时控制电机驱动排风扇开启，并控制排风扇转速。OLED显示屏会实时显示当前空气中的一氧化碳浓度、排风扇转速及其工作方式。

本产品中使用的蜂鸣器是有源蜂鸣器，此类蜂鸣器控制简单，内部自带有起振源，只需要通入5 V电压，便可发出蜂鸣声。蜂鸣器每次发声0.5秒，声音清脆明亮，有很好的警示作用，其在产品中有以下3种状态：

1）蜂鸣器每隔5秒进行一次报警，表示在当前空气中检测到一氧化碳，但浓度较低。

2）蜂鸣器每隔2秒进行一次报警，表示在当前空气中一氧化碳浓度较高，需要人员立即撤离现场。

3）蜂鸣器每隔1秒进行一次报警，表示当前空气中一氧化碳浓度极高，会对在场的人员迅速造成严重危害，属于最高级别的报警。

3 系统软件的设计

本系统使用的是STM32F103C8T6芯片，使用标准库编程，程序开发平台为Keil 5，使用的编程语言为C语言。

3.1 主程序设计

主程序是程序运行的主循环程序，是整个程序的核心，其他的外围库函数程序都是围绕主程序运行，为主程序提供服务的，并且，定义了一套程序运行的最终目的和表达方式。

产品核心部分代码的主程序分为以下几部分：

1）头文件：定义了主程序所有所需的库函数头文件，只有在此处定义了头文件，所编写的库函数才能正常运行和被引用。

2）变量定义：此处定义了主程序中所有需要用到的变量。

3）主程序初始化：在初始化中定义了需要初始化运行的函数，某些封装的函数只有初始化后才能运行。

4）主循环函数：此处的代码就是对程序目的的直接定义，此处的代码会被反复循环执行。

3.2 编程逻辑

编程逻辑步骤如下所示：

1）代码初始化，包括GPIO端口初始化、中断初始化、DMA初始化、ADC采集初始化、定时器初始化、PWM初始化以及串口初始化，使用延时函数，以等待设备运行稳定，其中，GPIO表示开发板引脚，ADC表示模拟电压转换数字电压，DMA表示数据直连传输功能，无须CPU参与，定时器类似于CPU内部的一个秒表，每到设定的值就会发送一个信号，延时函数采用同样原理，PWM与定时器原理类似，通过调节相同时间内高电平的占空比，达到控制排风扇转速的目的，串口表示通过串口芯片，可与电脑进行有线通行，常用于数据监视，故障排查。

2）代码中使用ADC自动采集传感器数据，使用DMA自动传输数据，此过程无须处理器内核参与，极大节约处理器性能。

3）程序读取通过DMA传输到内存的数据，通过OLED显示屏直接显示出来，同时，LED控制程序对读取到的数据进行判断，决定进入何种状态。

4）定时器中断函数每隔0.5秒产生一个中断标记，LED控制程序通过将状态判断结果和中断标记数进行判断，从而控制报警状态。

5）PWM控制函数也通过读取传感器数据，产生不同的PMA占空比，从而控制排风扇转速。

6）按键使用外部中断函数控制，检测到按键按下后，實现按键控制排风扇转速和启停控制。

注：以上编程逻辑代表产品核心部分的代码编写。

3.3 数据判断逻辑

以农户家庭采用煤球取暖为例，放置煤球取暖设备的房子面积在12～20 m2，一氧化碳浓度数据（x）判断逻辑如下：

0＜x≤24，一氧化碳浓度在安全范围内，LED灯光30秒闪烁一次，蜂鸣器无报警。

24＜x≤50，一氧化碳浓度超过最低安全阈值，对人体无危害或者危害较低，LED灯光5秒闪烁一次，同时蜂蜜器伴随报警。

50＜x≤240，一氧化碳浓度对人体有较大危害，LED灯光2秒闪烁一次，同时蜂蜜器伴随报警。

240＜x≤9 999，一氧化碳浓度对人体有极大危害，LED灯光0.5秒闪烁一次，同时蜂蜜器伴随报警。

x = 0，传感器状态异常，需检查传感器或系统，LED灯光常亮，蜂蜜器无报警声。

4 产品实验

如图3所示，为产品实物部分外壳的三维视图，其使用SolidWorks三维软件进行设计，整体简洁大方，内部紧凑。该外壳采用一体化设计，减少了加工难度；且可直接使用3D打印机进行无支撑打印，生产方便；外壳盖与外壳之间未使用螺丝固定，方便实时拆卸查看内部结构，以及检修内部。

图3 外壳的三维视图

如图4所示，产品开启后（称为初始状态），室内的一氧化碳浓度为0.014‰；在排风口附近将打火机点燃（称为气体燃烧状态），打火机燃烧释放一氧化碳气体，5秒左右之后，如图5所示，一氧化碳浓度上升为7.732‰；由于排风扇为自动状态，其可进行自动换气，经过大约50秒后（称为换气状态），如图6所示，一氧化碳浓度下降为0.046‰。

5 结论

近年来，我国卫生、环保、建筑各部门陆续出台了一系列有关室内环境空气污染控制和室内空气质量的标准或规定。对该规定，本设计的主要优点如下：

1）使用STM32开发板，功能强大，可配置“看门狗”程序放置死机、系统崩溃等各种情况。对数据处理能力强，可根据实际需求调整数据的刷新率。可扩展能力强，作为主机设备，后期还可加装其他各种功能和模块，例如添加温湿度传感器，添加控制舵机，添加继电器，等等。作为从机，可作为一路信号采集设备，可通过串口、IIC协议、SPI协议、RS485协议、CAN协议等，将数据实时发送至主机或者其他设备。开发较为简单，调试方便。

2）使用大功率电机驱动板，电机驱动板具有3～18 V宽电压输入能力，3 A大电流输出能力，可带动大功率的电机或风扇，且可同时控制4路电机或风扇。可使用高频的PWM信号，电机调速时脉动小，噪音低。

3）使用OLED屏幕实时显示一氧化碳浓度和风扇状态，更加直观明了，且屏幕刷新率高，分辨率高，延时低，体积小，并且自发光，环境适应性好，无论白天黑夜都可看得清楚。

4）使用LED灯和蜂鸣器作为声光报警器，提示能力强，且可替换为其他的各类模块，拓展性好。

5）对于已做出实物的核心部分，体积小巧，携带方便、功能可靠，外观简洁大方，美观实用，可作为家庭内部、农家大棚内等一氧化碳浓度的探测器，并且，价格实惠，上述实物的价钱约为150元，具有非常广泛的使用前景。

参考文献：

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