基于單片機的煤氣泄漏檢測報警裝置設計

一、項目介紹

煤氣泄漏是一種常見的危險情況，可能導致火災、爆炸和人員傷亡。為了及時發(fā)現(xiàn)煤氣泄漏并采取相應的安全措施，設計了一種基于單片機的煤氣泄漏檢測報警裝置。

主控芯片采用STM32F103C8T6作為主控芯片，具有強大的計算和控制能力。煤氣檢測傳感器選擇了MQ-5，它能夠檢測到環(huán)境中的煤氣濃度，并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。裝置通過讀取傳感器輸出的模擬信號，并經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換獲得相應的數(shù)字值，實時監(jiān)測煤氣濃度。

當檢測到煤氣濃度超過設定的安全閾值時，裝置會觸發(fā)報警機制。通過控制蜂鳴器發(fā)出高頻報警聲，吸引人的注意并提醒危險情況。同時，裝置會控制LED燈光閃爍，以視覺方式提醒用戶。這樣的多重報警方式可以在不同環(huán)境中有效地引起人們的警覺。

為了進一步提高報警的及時性和可靠性，還集成了SIM800C模塊，用于發(fā)送報警短信給指定的聯(lián)系人。當煤氣濃度超標時，裝置會通過SIM800C模塊發(fā)送預先設定的報警短信，通知相關人員及時采取措施。

通過以上設計，基于單片機的煤氣泄漏檢測報警裝置能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境中的煤氣濃度，并在檢測到異常情況時通過聲光報警和短信通知提醒用戶。這樣的裝置可以廣泛應用于家庭、工業(yè)和商業(yè)環(huán)境中，為人們的生命財產(chǎn)安全提供有效的保障。

二、硬件選型

在這個設計中，選擇了下面的硬件來實現(xiàn)煤氣泄漏檢測報警裝置。

【1】主控芯片：STM32F103C8T6。該芯片是一款強大的低功耗微控制器，具有豐富的外設和良好的性能。它集成了多個通用輸入輸出引腳、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、定時器和串行接口等功能，適合用于各種嵌入式應用。

【2】煤氣檢測傳感器：MQ-5。MQ-5是一種常見的煤氣傳感器，可檢測到液化石油氣（LPG）、天然氣和甲烷等可燃氣體。它基于半導體氣敏材料，當檢測到目標氣體濃度超過設定閾值時，其電阻值發(fā)生變化。通過測量電阻值的變化，可以判斷煤氣的濃度是否超標。

【3】蜂鳴器：用于發(fā)出報警聲音，提醒人們注意。選擇合適的蜂鳴器需要考慮其音量大小、工作電壓和驅(qū)動方式等因素。

【4】LED燈：用于提醒人們注意并指示報警狀態(tài)。選擇合適的LED需要考慮其亮度、工作電壓和顏色等因素。

【5】SIM800C模塊：用于發(fā)送報警短信。SIM800C是一款支持GSM/GPRS通信的模塊，可以通過AT指令與主控芯片進行通信。它具有較小的體積、低功耗和穩(wěn)定的性能，適合物聯(lián)網(wǎng)應用中的短信通信需求。

三、系統(tǒng)設計思路

軟件設計思路：

【1】初始化：對STM32F103C8T6單片機和外設進行初始化設置，包括引腳配置、時鐘設置等。

【2】煤氣檢測：使用ADC模塊讀取MQ-5傳感器的模擬信號，并轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字值。

【3】煤氣濃度判斷：根據(jù)傳感器的特性曲線，將讀取到的數(shù)字值轉(zhuǎn)換為實際的煤氣濃度。

【4】報警判斷：判斷煤氣濃度是否超過設定的安全閾值。

【5】報警處理：

• 控制蜂鳴器發(fā)出報警聲。
• 控制LED燈光閃爍。
• 使用SIM800C模塊發(fā)送報警短信給指定的聯(lián)系人。

【6】主循環(huán)：在主循環(huán)中不斷進行煤氣檢測和報警判斷，保持系統(tǒng)的實時監(jiān)測和報警功能。

偽代碼示例：

初始化：
    初始化STM32F103C8T6單片機和外設設置
    
主循環(huán)：
    while (true) {
        煤氣檢測();
        煤氣濃度判斷();
        報警判斷();
        延時一段時間;
    }

煤氣檢測：
    讀取MQ-5傳感器的模擬信號;
    將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值;

煤氣濃度判斷：
    根據(jù)傳感器的特性曲線，將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為實際的煤氣濃度;

報警判斷：
    if (煤氣濃度超過安全閾值) {
        報警處理();
    }

報警處理：
    控制蜂鳴器發(fā)出報警聲;
    控制LED燈光閃爍;
    使用SIM800C模塊發(fā)送報警短信給指定的聯(lián)系人;

四、代碼實現(xiàn)

4.1 主程序

#include "stm32f10x.h"

// 定義蜂鳴器控制引腳和LED控制引腳
#define BUZZER_PIN      GPIO_Pin_0
#define BUZZER_PORT     GPIOA

#define LED_PIN         GPIO_Pin_1
#define LED_PORT        GPIOA

// 定義煤氣傳感器控制引腳
#define GAS_SENSOR_PIN  GPIO_Pin_2
#define GAS_SENSOR_PORT GPIOA

// 定義SIM800C模塊的發(fā)送引腳
#define SIM800C_SEND_PIN    GPIO_Pin_3
#define SIM800C_SEND_PORT   GPIOA

// 定義報警閾值
#define THRESHOLD           1000

// 聲明函數(shù)原型
void GPIO_Init(void);
void ADC_Init(void);
void Buzzer_Alarm(void);
void LED_Flash(void);
void Send_SMS(void);

int main(void)
{
    // 初始化GPIO和ADC
    GPIO_Init();
    ADC_Init();

    while (1)
    {
        // 進行煤氣濃度檢測
        u16 gasValue = ADC_GetConversionValue(ADC1);

        // 如果煤氣濃度超過閾值，則觸發(fā)報警
        if (gasValue > THRESHOLD)
        {
            Buzzer_Alarm();
            LED_Flash();
            Send_SMS();
        }
    }
}

// GPIO初始化函數(shù)
void GPIO_Init(void)
{
    // 打開GPIO時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitTypeDef gpioInitStruct;

    // 配置蜂鳴器引腳為推挽輸出
    gpioInitStruct.GPIO_Pin = BUZZER_PIN;
    gpioInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpioInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(BUZZER_PORT, &gpioInitStruct);

    // 配置LED引腳為推挽輸出
    gpioInitStruct.GPIO_Pin = LED_PIN;
    gpioInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpioInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(LED_PORT, &gpioInitStruct);

    // 配置煤氣傳感器引腳為模擬輸入
    gpioInitStruct.GPIO_Pin = GAS_SENSOR_PIN;
    gpioInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    gpioInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GAS_SENSOR_PORT, &gpioInitStruct);

    // 配置SIM800C模塊的發(fā)送引腳為推挽輸出
    gpioInitStruct.GPIO_Pin = SIM800C_SEND_PIN;
    gpioInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    gpioInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SIM800C_SEND_PORT, &gpioInitStruct);
}

// ADC初始化函數(shù)
void ADC_Init(void)
{
    // 打開ADC時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

    ADC_InitTypeDef adcInitStruct;

    // ADC配置
    adcInitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
    adcInitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    adcInitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
    adcInitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    adcInitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    adcInitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &adcInitStruct);

    // 配置ADC通道
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

    // 打開ADC
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

    // 開始ADC轉(zhuǎn)換
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}

// 觸發(fā)蜂鳴器報警
void Buzzer_Alarm(void)
{
    GPIO_SetBits(BUZZER_PORT, BUZZER_PIN);   // 打開蜂鳴器
    Delay(1000);                            // 延時一段時間
    GPIO_ResetBits(BUZZER_PORT, BUZZER_PIN); // 關閉蜂鳴器
}

// LED閃爍提醒
void LED_Flash(void)
{
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        GPIO_SetBits(LED_PORT, LED_PIN);     // 打開LED
        Delay(500);                          // 延時一段時間
        GPIO_ResetBits(LED_PORT, LED_PIN);   // 關閉LED
        Delay(500);                          // 延時一段時間
    }
}

// 發(fā)送報警短信
void Send_SMS(void)
{
    // 這里編寫與SIM800C模塊通信的代碼，發(fā)送報警短信
}

4.2 SIM800C代碼

#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>

// 定義SIM800C模塊的串口引腳
#define SIM800C_USART           USART2
#define SIM800C_USART_GPIO      GPIOA
#define SIM800C_USART_TX_PIN    GPIO_Pin_2
#define SIM800C_USART_RX_PIN    GPIO_Pin_3

// 定義發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的大小
#define TX_BUFFER_SIZE  128
#define RX_BUFFER_SIZE  128

// 聲明全局變量
char tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE]; // 發(fā)送緩沖區(qū)
char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; // 接收緩沖區(qū)
uint8_t rx_index = 0;           // 接收緩沖區(qū)索引

// 函數(shù)原型
void USART2_Init(void);
void USART2_SendString(const char* string);
void USART2_IRQHandler(void);
void Send_AT_Command(const char* at_command);
void Send_SMS(void);

int main(void)
{
    USART2_Init();
    
    while (1)
    {
        // 在主循環(huán)中調(diào)用Send_SMS函數(shù)即可觸發(fā)發(fā)送短信
    }
}

// 初始化USART2
void USART2_Init(void)
{
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);    // 打開GPIOA和AFIO時鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2, ENABLE);                          // 打開USART2時鐘

    GPIO_InitTypeDef gpioInitStruct;
    USART_InitTypeDef usartInitStruct;
    NVIC_InitTypeDef nvicInitStruct;

    // 配置USART2的GPIO引腳
    gpioInitStruct.GPIO_Pin = SIM800C_USART_TX_PIN;
    gpioInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    gpioInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(SIM800C_USART_GPIO, &gpioInitStruct);

    gpioInitStruct.GPIO_Pin = SIM800C_USART_RX_PIN;
    gpioInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(SIM800C_USART_GPIO, &gpioInitStruct);

    // 配置USART2
    usartInitStruct.USART_BaudRate = 115200;
    usartInitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    usartInitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    usartInitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;
    usartInitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
    usartInitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
    USART_Init(SIM800C_USART, &usartInitStruct);

    // 配置USART2中斷
    nvicInitStruct.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn;
    nvicInitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    nvicInitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    nvicInitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&nvicInitStruct);

    // 啟動USART2接收中斷
    USART_ITConfig(SIM800C_USART, USART_IT_RXNE, ENABLE);

    // 啟動USART2
    USART_Cmd(SIM800C_USART, ENABLE);
}

// 發(fā)送字符串到USART2
void USART2_SendString(const char* string)
{
    uint16_t length = strlen(string);
    for (uint16_t i = 0; i < length; i++)
    {
        USART_SendData(SIM800C_USART, string[i]);
        while (USART_GetFlagStatus(SIM800C_USART, USART_FLAG_TXE) == RESET);
    }
}

// USART2中斷處理函數(shù)
void USART2_IRQHandler(void)
{
    if (USART_GetITStatus(SIM800C_USART, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        char receivedData = USART_ReceiveData(SIM800C_USART);
        rx_buffer[rx_index++] = receivedData;

        // 處理接收到的數(shù)據(jù)
        // ...

        USART_ClearITPendingBit(SIM800C_USART, USART_IT_RXNE);
    }
}

// 發(fā)送AT指令
void Send_AT_Command(const char* at_command)
{
    memset(rx_buffer, 0, RX_BUFFER_SIZE); // 清空接收緩沖區(qū)
    rx_index = 0;

    USART2_SendString(at_command);

    // 等待模塊返回數(shù)據(jù)
    while (strncmp(rx_buffer, "OK", 2) != 0 && strncmp(rx_buffer, "ERROR", 5) != 0)
    {
        // 延時一段時間
        Delay(10);
    }

    // 處理模塊返回的數(shù)據(jù)
    // ...
}

// 發(fā)送短信
void Send_SMS(void)
{
    // 發(fā)送AT指令設置短信模式
    Send_AT_Command("AT+CMGF=1rn");

    // 發(fā)送AT指令設置短信收件人和內(nèi)容
    Send_AT_Command("AT+CMGS="+861**********"rn");
    Send_AT_Command("Hello, this is a test message.rn");

    // 發(fā)送短信結(jié)束標志（Ctrl+Z）
    USART2_SendString("x1A");
}

五、總結(jié)

本項目設計了一個基于單片機的煤氣泄漏檢測報警裝置，通過使用STM32F103C8T6作為主控芯片和MQ-5煤氣傳感器進行煤氣檢測，有效地提醒用戶煤氣泄漏的危險。通過控制蜂鳴器和LED燈的報警機制，以及使用SIM800C模塊發(fā)送報警短信，用戶可以及時采取措施來避免潛在的危險。這個項目結(jié)合了硬件設計和嵌入式軟件開發(fā)的知識，為用戶提供了一個可靠的煤氣泄漏檢測報警解決方案。