5-一引言（一）研究背景與意義經濟在不斷的發展，廚房安全的觀念不斷加深，科學家們也認識到了這一點，于是廚房安全檢測系統的研究開始進入新階段。研究發現，導致廚房安全事故的主要原因就是可燃氣體泄漏。當人處于睡眠階段，未及時對泄漏氣體進行處理，導致室內可燃氣濃度過高，發生火災或爆炸等事故，嚴重影響了人民群眾的財產和生命安全。廚房安全檢測系統的研發，可以檢測這些氣體濃度，當濃度達到設定值，便會發生警報，提醒人們注意。另外，當警報后，無人采取行動，該系統會采取必要的動作阻止事故的發生，保證群眾的安全，也保證了設備安全。有了此項技術，廚房安全事故將大大減少。（二）國內外現狀研究1.國內研究現狀中國這幾年不斷加快對廚房安全檢測系統的研究，一些大企業投入大量的資源來進行此方面的研究，例如：海爾、美的、蘇寧等電器廠商。經過他們不懈的努力，在廚房安全檢測系統這個領域，開始有進展。2.國外研究現狀20世紀60年代，日本有一家公司，名字叫做新宇宙電器公司，他們率先研發了第一個接觸氣體泄漏警報的裝置，該裝置受到政府的支持。經過一段時間的技術改良，研發出了新的報警器，能檢測可燃氣氣體，此外還能檢測一氧化碳等，可使用領域也從廚房擴充到浴室等。1962年初，該項技術在不斷革新，日本在一代的基礎上，應用半導體技術，研發出新一代的半導體報警器。這一產品研發出來，便火遍整個日本。1981年，日本政府發布了紅頭文件，明確規定，在居民區、旅館等地方必須安裝煤氣泄漏報警器，政策一出，日本的報警器銷量大大提升，同時日本氣體爆炸事故出現直線式下滑。1983年底，日本有一家餐館發生了爆炸，此次事故造成了極大的傷亡，轟動一時。縱觀日本歷史，日本極其注重氣體安全事故，這個事故的發生更是加強了政府和人們的關注度。從那以后，日本政府從源頭上解決問題，介入相關企業，并對其進行重點監督，并不斷推廣燃氣泄漏裝置。1986年中旬，日本制定了一系列基本準則，準則中明確提到要不斷推廣可燃氣泄漏報警裝置。時間飛逝，從最初的一代到如今的氣體報警檢測裝置，日本關于此方面的技術在不斷蓬勃發展，獲得了國際世界的認可，日本的瓦斯爆炸事故發生率居于世界第一，遠遠低于其他國家。（三）研究內容為保證日常生活的安全，將各種傳感器運用于家庭廚房中，傳感器先通過對廚房內的溫度和氣體濃度數據進行采集，再將這些數據進行整理并轉換為數字信號輸入到芯片中，將數據與預設值進行比對，不符合要求即發出警報。同時控制繼電器做出反應實現對事故的解決，從而有效降低有害影響。本設計分為硬件部分設計和軟件部分設計兩方面，采用STM32和C語言編寫程序并輸入到主控芯片中，由數據模塊讀取傳感器檢測出的數據，再通過AD轉換芯片實現信號轉化，再輸入到主控芯片中，由主控芯片進行數據提取。NRF24L01無線通信模塊將數據遠程發送給另一塊PCB板，接收數據的板子將其接收的數據在OLED屏幕上顯示出來，并且，濃度如果超過安全數值，將進行報警。

二系統方案設計與器件選擇（一）系統方案設計本系統采用STM32F103RCT6為主控芯片，由電源穩壓模塊，無線通信模塊、廚房數據檢測模塊及OLED液晶顯示模塊組成。圖2.1系統設計框圖（二）器件選型1.傳感器選型對廚房各種可燃氣體的濃度的采集需要借助氣體濃度傳感器，但是不同的可燃氣體有差異，要對市場上的氣敏相關性傳感器進行篩選，共統計了以下幾類：可燃氣體檢測傳感器。這種可以對可燃氣體進行探測采集的傳感器在工業生產等方面運用廣泛，因為大部分的工業廠中的氣體很多都是可燃的，所以要對氣體的濃度進行隨時的監測以防止火災甚至爆炸的發生，這種傳感器在市面上應用最多，它可以在可燃氣體濃度達到一定值時自動發出報警。H2和CO傳感器。該氣敏傳感器可以用于工業中對車間生產過程中CO的氣體濃度的監測，以及環境環保方面對有害氣體的實時監測和報警。除此之外，還能運用于日常的家庭生活中，比如對廚房的管道煤氣氣體濃度進行監測，可以有效及時發現煤氣泄露，達到危害最小化。（3）有害氣體傳感器。有害氣體傳感器和可燃氣體檢測傳感器的區別在于它們對所檢測的氣體的側重不同，可燃氣體濃度傳感器主要是檢測空氣中可燃的氣體濃度，而有害氣體傳感器則側重于對甲醛、苯類等對人體有害的氣體的探測，適用于家用裝修等后續檢測。除此以外，根據傳感器的結構分類傳感器也可以分為兩類：燃料電池型和半導體型。但是這兩種類型的傳感器性能有很大的區別，根據多次實驗測試并進行大量的數據分析，半導體型的傳感器對于外界的氣體太過敏感，抗干擾性較差，但是燃料電池較為穩定，測量出的氣體濃度的誤差較小，誤差范圍可以接受，并且相對于半導體型傳感器，燃料電池型的傳感器也更加環保。本設計使用MQ-3型酒精傳感器、火焰傳感器以及MQ-7一氧化碳傳感器。2.通訊模塊通訊模塊為NRF24L01模塊。該模塊是低成本低功耗的結構簡單配置容易的無線模塊，同時具有收發功能。該器件可用頻段范圍為:2.4GHz～2.5GHz，本次設計選用3.3V供電，上位機為5V供電，通過USB接口，可以完成需求，數據傳輸是從系統傳向接收端。

三系統硬件設計（一）單片機簡介目前單片機的種類也有很多，不同型號的單片機的系統配置還有各部分插件也有著很大的區別。針對于本次的實驗目的和要求，我們對市面上運用較多的單片機進行了篩選，綜合多種因素考慮，選擇了STM32F103RCT6型單片機。引腳圖如圖3-1所示。圖3.1STM32F103RCT6系統模塊引腳圖STM32單片機的主要的組成和相關功能如下：.STM32內部是低功耗的ARM32位的微控制器，最高的工作頻率為72MHz。而且很多運算法都可以運用到該單片機中，成本不高且運算速度快，集成度很高。.本系統的芯片有很大優點，其對數據的處理速度和其本身的運行速度都很快，可以提高整個系統的運行效率。而且芯片的集成度高，可以通過對程序的編程來實現多重功能。(二)火焰傳感器電路對于廚房中的火焰的檢測，我們本次實驗采取的是紅外火焰傳感器，它可以對廚房中的光強進行采集，從而判斷廚房中是否有火焰燃燒，可以有效的避免火災。這種功能是通過LM393雙電壓比較器來實現的。光線的強弱會直接影響到LM393通道1產生的電壓大小，所以可以根據LM393通道1輸出的電壓來判斷周圍光線的強弱。原理圖如圖3.2所示。圖3.2火焰傳感器原理圖（三）設計乙醇檢測模塊對于廚房中的乙醇的濃度本次實驗選用的是MQ-3型乙醇檢測傳感器,這種傳感器目前的技術很成熟，運用也非常廣泛，這種傳感器的成本很低，功耗低，運行速度也很快，抗干擾能力強，運用于家庭廚房中的經濟效益也很可觀。MQ-3型乙醇檢測傳感器的工作原理是利用了SnO2和二氧化錫在不同情況下的對電流的傳輸能力不同而設計的，當空氣中的乙醇濃度增大時，會影響SnO2，二氧化錫對于電流的傳輸能力，這種影響和空氣中乙醇的濃度成反比，控制中心對這種電流信號進行轉換，從而判斷出空氣中的乙醇濃度。MQ-3的靈敏度特性曲線如圖3.3所示。圖3.3MQ-3靈敏度特性曲線對于這種電流傳輸效率和乙醇濃度間的變換關系，我們可以運用特定的公式進行轉換，空氣中乙醇的濃度和該傳感器輸出電壓值的關系的公式為：a（mV）x

0.2=b（mg/L），其中字母a表示傳感器輸出的電壓值，而字母b代表的是傳感器所采集的空氣中乙醇的濃度。利用該公式我們就可以很有效的實現對實驗數據的分析。其中該部分傳感器的電路圖如圖3.4所示。圖3.4MQ-3檢測電路如圖所示，MQ-3傳感器敏感元件的兩個極分別為A-A、B-B，這兩個極之間的電阻會根據H-H加熱極的加熱過程而發生改變，加熱初期A、B之間電阻會從大于2*104Ω時慢慢降低到1*104Ω以下又逐漸升高，一直到1.2*104Ω時又會趨于穩定。此時就可以用該傳感器空氣中的乙醇濃度進行檢測。（四）一氧化碳電路MQ-7一氧化碳傳感器，該款傳感器可以根據不同的煙霧濃度輸出0~5伏的模擬電壓，對一氧化碳具有很高的精度和靈敏性，廣泛適用于家庭環境的一氧化碳檢測。原理圖如下所示：圖3.4MQ-7管腳圖（五）顯示模塊1.OLED介紹OLED顯示屏每個點都能自己發光，它沒有背光這說法，可顯示漢字、ASCII、圖案等，0.96寸OLED顯示屏的驅動芯片為SSD1306。接口類型：IIC。OLED顯示屏編程簡單，價格低廉，可同時顯示32個字符，因此應用范圍廣。模塊只支持寫數據，所以只需發送SPI，把OLED的引腳配置為輸出，板子輸出引腳可以用外接引腳，沒有其他要求。2.顯示電路連接OLED顯示模塊管腳圖如下所示：圖3.5OLED管腳圖（六）無線傳輸模塊本設計采用的是NRF24L01無線收發模塊，實現無線數據的傳輸。本設計主要是用于傳輸檢測到的火焰、乙醇和一氧化碳濃度信息，并且傳到另一塊單片機的接收端，實現無線數據傳輸的功能。該模塊的管腳圖如下圖所示：圖3.6無線模塊管腳圖（七）電源模塊電源模塊是整個檢測系統最基礎的，它為整個系統的其他各個模塊提供安全穩定的工作電壓。該系統采用直流電源插口進行連接，通過USB數據連接，采取USB供電的方式，兩段再接入VCC電源，如此便可實現對電源回路的監測與控制。如圖3.7所示。圖3.7電源模塊

四系統軟件設計（一）編程環境KeiluVision5是用來編譯程序的工具，程序編輯功能強大，是一款集編輯、翻譯、項目管理為一體的開發環境。它具有以下特征：其編譯環境如圖4-1所示：圖4.1KeiluVision5編譯環境開發時效率高，方便理解，所以采用其進行編譯。（二）主程序設計系統采用STM32F103RCT6作為主要芯片，功能包括控制I/O口，邏輯判斷，外部中斷及應用，外部模塊的驅動，通訊?傳輸，報警控制，看門狗等。本系統主要包括總體程序設計、檢測信號、顯示控制、無線傳輸等。圖4.2系統主程序設計（三）電源管理1.電源控制STM32單片機中接入了上電復位電路，這種直接連接電源的復位方式會根據供電電壓的大小進行復位，當供電電壓低于2V時系統就會復位，否則就會進入工作狀態。2.低功耗模式為了盡可能節約能源，STM32還自帶了低功耗的模式，它可以進行分頻設置，使系統處于睡眠、停止或者待機三種低功耗模式。（四）顯示模塊顯示設計1.OLED顯示原理OLED液晶顯示屏兩端的電極，在一定電壓下驅動，載流子注入到電子和空穴傳輸層，然后遷移到發光層，并在發光層中相遇，形成激子，而且發光分子被激發，通過輻射弛豫的方式發出可見光。2.顯示電路定義通過定義管腳，顯示模塊可以跟芯片直接連接。以下為液晶初始化代碼（五）無線傳輸模塊系統運行前，必須對系統的所有數據進行初始化，在經過此操作后，傳感器可開始正常工作，對外界的數據進行采集讀取，然后將模擬信號發送給ADC0832數模轉換器轉化為數字信號，這一過程可以完成對可燃氣體濃度的數據收集。其整體流程如圖4.3所示。圖4.3NRF24L01流程圖

五系統測試（一）硬件調試根據控制系統的原理圖設計實物，進行控制系統的設計與焊接，完成系統程序的編寫，下載程序到芯片，上電檢測系統的運行狀況，并進行調試，調試過程如下：（1）需要對整個系統的電路元器件進行排查，剔除掉已經損壞的元器件。（2）借用萬用表對系統各個元件兩端的電壓值進行測量，對系統輸入輸出信號進行檢測，判斷系統的工作情況。（3）借助電路示波器對系統的輸出電壓和電流脈沖進行檢測，將實驗具體顯示的波形進行對比，判斷是否達到了實驗目的。（4）將系統的軟件調試和硬件調試結合在一起，進行聯機調試，對控制系統的自動傳輸功能進行評估。在調試過程中，我遇到一些難題。元器件焊接成功后，進行調試的時候，發現正負極引腳距離太近，不容易接到電源上。這是由于沒有認真檢查而導致的，所以我們在做事的時候要認真對待，不然會出現很多錯誤。（二）整體效果展示經過一段實踐的調試，兩塊板子的功能基本實現，其上電效果圖如圖5.1所示廚房環境監測系統啟動后，主板上的電源指示燈亮起，火焰，乙醇，一氧化碳檢測傳感器指示燈亮起，此時OLED顯示屏上顯示三行數據，分別為乙醇，一氧化碳，火光圖5.1系統上電實物圖首先我們使用打火機模擬火源對傳感器進行測試，當有火焰時可以看到顯示屏幕上接收的數據顯示有火焰，并且此時蜂鳴器會發出警報聲，提醒有火光出現。如下圖5.2所示。圖5.2火光檢測實物圖其次我們使用紙巾蘸取一些酒精圍繞乙醇濃度檢測傳感器，模擬乙醇泄露的現象，測試傳感器，可以看到顯示屏幕上接收到的乙醇濃度數據在不斷上升，并且當乙醇濃度超過百分之四十時蜂鳴器會發出警報聲。如圖5.3所示。圖5.3乙醇濃度檢測實物圖

結論現如今商品房的普及使得家庭廚房的安全智能檢測系統成為安全保障的必要手段，否則會造成不可估量的傷亡和損失。燃氣爆炸和電線老化的隱患很大，所以關于廚房的安全問題必須得到重視。本次設計的重點是對于廚房可燃氣體的濃度進行探測以及及時的發出警報，在最高的經濟效益下也使得廚房的安全智能檢測系統更穩定可靠。現在居民的生活水平逐漸提高，個人安全和財產安全的意識也愈發強烈，所以對于廚房的智能安全檢測系統來說，無疑是有非常好的發展前景。本次設計對廚房智能安全系統提出了大的框架和檢測意見，也做了較為具體的設計。（1）可以在基礎功能的基礎上加入更多智能化的功能。比如可以增加對廚房氣體供應的控制，當廚房的可燃氣體泄露時，可以自動切斷氣體的供應。（2）可以在廚房內加裝總電源測試系統，當廚房安全檢測系統檢測到氣體泄露時，就會對廚房的所有電源進行切斷。（3）將廚房安全檢測的信息可以通過無線網絡連接到用戶的家中，并將廚房的數據信息發送到用戶的手機上，方便用戶隨時查看，發生危險時可以向手機發出警報，以提醒用戶。（4）另外該廚房安全檢測系統還可以添加語音互通功能，方便不懂操作的老人進行語音求助，還可以加裝指令系統，對具體的操作進行指導。參考文獻[1]趙妍.智能廚房接受行為及個性化需求研究[D].南京郵電大學,2020.[2]申明樂.基于人機交互的智能廚房設計研究[D].青島大學,2020.[3]張靜.基于ROS的智能家居機器人系統設計[D].遼寧工業大學,2020.[4]付云崢.基于ZigBee的智慧消防預警系統的設計與實現[D].青島大學,2020.[5]徐欣.基