代码收藏家 基于STM32F103系列单片机的家用燃气监控系统
家用燃气监控系统
一，题目任务要求和具体功能要求
1.1任务要求：
设计基于STM32F103系列单片机的家用燃气监控系统。系统需要实现以下功能：
1. 采集家居厨房环境中的天然气和一氧化碳浓度数据。
2. 当浓度数据超过设定阈值时，进行声光报警提示。
3. 利用定时器输出PWM信号驱动2路舵机摆动：
1路舵机控制燃气开关。
1路舵机控制窗户开关。
4. 通过串口通信将数据传输到远端PC机，并在PC端进行模拟显示和报警提示。
1.2具体功能要求：
1. 设计单片机的最小系统（基本项）
2. 串口通信电路设计，实现与PC机通信（基本项）
3. 按键电路设计（基本项）
4. 燃气浓度采集电路设计（基本项）
5. 通用输入输出程序设计（基本项）
6. 燃气浓度采样程序设计（基本项）
7. 串口通信程序设计（基本项）
8. 定时器PWM程序设计（基本项）
9. 提高测量精度的方法（创新项）
二、设计方案论证
2.1 系统总体架构
系统主要由以下几个部分组成：
传感器模块：包括天然气传感器和一氧化碳传感器，用于采集环境中的燃气浓度数据。
主控模块：基于STM32F103单片机，负责数据处理、判断、控制输出。
报警模块：包括LED指示灯和蜂鸣器，用于声光报警提示。
执行模块：通过PWM信号控制2路舵机，分别控制燃气开关和窗户开关。
通信模块：通过串口通信将数据传输到PC端，实现数据的实时监控和报警提示。
用户接口模块：包括按键，用于系统设置和手动控制。
显示模块：显示天然气传感器（MQ-4）与一氧化碳传感器（MQ-7）的阈值与实时数据。
2.2 主要功能模块设计
2.2.1 单片机最小系统设计
核心器件：STM32F103C8T6单片机。
电源部分：提供稳压电源，确保单片机及各外设正常工作。
时钟部分：外接晶振（如8MHz）提供单片机工作时钟。
复位电路：复位电路确保单片机上电后正常启动。
编程接口：连接下载接口线，实现程序下载与调试。
2.2.2 串口通信电路设计
串口接口：利用STM32的USART接口，通过串口转USB模块与PC机通信。
电平转换：确保串口信号与USB模块的电平匹配，避免信号失真。
连接方式：TXD和RXD分别连接到单片机的对应引脚，GND连接共地。
2.2.3 按键电路设计
按键数量：设置三个按键，一个用于切换控制传感器的阈值，一个用于控制传感器阈值的增大，一个用于控制传感器阈值的减少。
去抖设计：每个按键并联一个电容进行去抖处理，确保按键信号稳定。
接口电路：每个按键一端连接VCC，另一端连接到单片机的GPIO引脚。
2.2.4 燃气浓度采集电路设计
传感器选择：选用高灵敏度的天然气传感器（MQ-4）和一氧化碳传感器（MQ-7）。
接口电路：传感器VCC接口连接到VCC（5V）,传感器GND接口接地线，采用AO与单片机GPIO口链接
2.2.5 通用输入输出程序设计
GPIO：配置各个GPIO口的输入输出模式，包括传感器输入、声光报警输出、舵机控制输出等。
2.2.6 燃气浓度采样程序设计
ADC配置：配置ADC模块，设定采样频率和分辨率，便于传感器的浓度采集。
2.2.7 串口通信程序设计
初始化：配置USART的波特率、数据位、停止位和校验方式。
数据发送：将采集到的浓度数据通过串口发送给PC端。
数据接收：根据需要接收来自PC端的控制指令。
2.2.8 定时器PWM程序设计
定时器配置：配置定时器模块以产生PWM信号，控制舵机的角度。
PWM参数：设定PWM频率和占空比，确保舵机的正常驱动。
舵机控制：通过调整PWM信号的占空比，实现舵机的精确定位控制。
2.2.9 提高测量精度的方法（创新项）
采用平均滤波算法来提高采样数据的精确度和减少噪声。
2.3工作原理
家用燃气监控系统通过MQ-4和MQ-7传感器实时检测天然气和一氧化碳浓度，STM32单片机处理传感器数据并判断是否超标。若浓度超标，系统通过蜂鸣器和LED报警，并通过舵机控制燃气阀门和窗户。数据通过串口传输至PC进行远程监控，用户可通过按键调整报警阈值。该系统提供了自动报警和安全控制功能，保障家庭安全。
三、硬件部分设计
3.1硬件部分的组成，器件的选型（主要参数，外部引脚定义和实物外形），器件清单
|
序号 |
名称 |
型号 |
外部引脚定义及参数 |
实际使用数量 |
实物外形 |
|
1 |
0.96寸OLED显示屏窄白光IIC |
HS96L03W2C03 |
GND VCC SCL SDA |
|
|
|
2 |
舵机 |
SG90 |
GND VCC(5V) PWM |
2 |
|
|
3 |
一氧化碳传感器 |
MQ-7 |
VCC GND DO AO |
1 |
|
|
4 |
天然气传感器 |
MQ-4 |
VCC GND DO AO |
1 |
|
|
5 |
通用串口通信模块 |
CH3430 |
GND 5V 3V TXD RXD |
1 |
|
|
6 |
发光二极管（红色，蓝色） |
|
|
2 |
|
|
7 |
蜂鸣器 |
TMB12A05 |
GND VCC I/O |
|
|
|
8 |
电容 |
|
0.1uf |
|
|
|
9 |
按键 |
|
|
3 |
3.2各部分硬件电路图，总体电路原理
 |
|
 |
3.3硬件仿真电路图
四、软件部分设计
4.1模块函数
4.1.1 按键控制模块：包括按键初始化，按键获取键码。
include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
/**
* 函 数：按键初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void Key_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOB的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_4| GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA2,PA4和PA6引脚初始化为上拉输入
}
/**
* 函 数：按键获取键码
* 参 数：无
* 返 回 值：按下按键的键码值，范围：0~2，返回0代表没有按键按下
* 注意事项：此函数是阻塞式操作，当按键按住不放时，函数会卡住，直到按键松手
*/
uint8_t Key_GetNum(void)
{
uint8_t KeyNum = 0; //定义变量，默认键码值为0
if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2) == 0) //读PA2输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键1按下
{
Delay_ms(20); //延时消抖
while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2) == 0); //等待按键松手
Delay_ms(20); //延时消抖
KeyNum = 1; //置键码为1
}
if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_4) == 0) //读PA4输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键2按下
{
Delay_ms(20); //延时消抖
while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_4) == 0); //等待按键松手
Delay_ms(20); //延时消抖
KeyNum = 2; //置键码为2
}
if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6) == 0) //读PA6输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键3按下
{
Delay_ms(20); //延时消抖
while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_6) == 0); //等待按键松手
Delay_ms(20); //延时消抖
KeyNum = 3; //置键码为2
}
return KeyNum; //返回键码值，如果没有按键按下，所有if都不成立，则键码为默认值0
}
4.1.2 蜂鸣器控制模块：包括蜂鸣器初始化，蜂鸣器开启，蜂鸣器关闭。
#include "stm32f10x.h" // Device header
void Buzzer_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
void Buzzer_ON(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
void Buzzer_OFF(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
void Buzzer_Turn(void)
{
if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_12) == 0)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
else
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
}
4.1.3 PWM控制模块：包括PWM初始化，PWM设置CCR。
#include "stm32f10x.h" // Device header
void PWM_Init(void)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); TIM_InternalClockConfig(TIM3);
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 20000 - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}
void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare3(TIM3, Compare); //??CCR2??
}
void PWM_SetCompare4(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare4(TIM3, Compare); //??CCR2??
}
4.1.4 舵机控制模块：包括舵机初始化，舵机设置角度。
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "PWM.h"
void Servo_Init(void)
{
PWM_Init(); }
void Servo_SetAngle0(float Angle1)
{
PWM_SetCompare3(Angle1 / 180 * 2000 + 500);
}
void Servo_SetAngle1(float Angle2)
{
PWM_SetCompare4(Angle2 / 180 * 2000 + 500);
}
4.1.5 LED控制模块：包括LED初始化，LED开启，LED关闭。
#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数：LED初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void LED_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //开启GPIOB的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11| GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //将PB11和PB10引脚初始化为推挽输出
/*设置GPIO初始化后的默认电平*/
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11| GPIO_Pin_10); //设置B11和PB10引脚为高电平
}
/**
* 函 数：LED1开启
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void LED1_ON(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11); //设置PA1引脚为低电平
}
/**
* 函 数：LED1关闭
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void LED1_OFF(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11); //设置PA1引脚为高电平
}
/**
* 函 数：LED1状态翻转
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void LED1_Turn(void)
{
if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0) //获取输出寄存器的状态，如果当前引脚输出低电平
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11); //则设置PA1引脚为高电平
}
else //否则，即当前引脚输出高电平
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_11); //则设置PA1引脚为低电平
}
}
/**
* 函 数：LED2开启
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void LED2_ON(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10); //设置PA2引脚为低电平
}
/**
* 函 数：LED2关闭
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void LED2_OFF(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10); //设置PA2引脚为高电平
}
/**
* 函 数：LED2状态翻转
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void LED2_Turn(void)
{
if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_10) == 0) //获取输出寄存器的状态，如果当前引脚输出低电平
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10); //则设置PA2引脚为高电平
}
else //否则，即当前引脚输出高电平
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_10); //则设置PA2引脚为低电平
}
}
4.1.6O LED控制模块：包括OLED初始化，OLED显示字符串，OLED显示数字，OLED显示汉字，OLED清屏。
#include "stm32f10x.h"
#include "OLED_Font.h"
#include <Stdio.h> //使用Sprintf时要包含
/*引脚配置*/
#define OLED_W_SCL(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_8, (BitAction)(x))
#define OLED_W_SDA(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_9, (BitAction)(x))
/*引脚初始化*/
void OLED_I2C_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); //GPIOB
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; // PB8 SCL
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // PB9 SDA
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SDA(1);
}
/**
* @brief I2C开始
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_Start(void)
{
OLED_W_SDA(1);
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SDA(0);
OLED_W_SCL(0);
}
/**
* @brief I2C停止
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_Stop(void)
{
OLED_W_SDA(0);
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SDA(1);
}
/**
* @brief I2C发送一个字节
* @param Byte 要发送的一个字节
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
OLED_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
OLED_W_SCL(1);
OLED_W_SCL(0);
}
OLED_W_SCL(1); //额外的一个时钟，不处理应答信号
OLED_W_SCL(0);
}
/**
* @brief OLED写命令
* @param Command 要写入的命令
* @retval 无
*/
void OLED_WriteCommand(uint8_t Command)
{
OLED_I2C_Start();
OLED_I2C_SendByte(0x78); //从机地址
OLED_I2C_SendByte(0x00); //写命令
OLED_I2C_SendByte(Command);
OLED_I2C_Stop();
}
/**
* @brief OLED写数据
* @param Data 要写入的数据
* @retval 无
*/
void OLED_WriteData(uint8_t Data)
{
OLED_I2C_Start();
OLED_I2C_SendByte(0x78); //从机地址
OLED_I2C_SendByte(0x40); //写数据
OLED_I2C_SendByte(Data);
OLED_I2C_Stop();
}
/**
* @brief OLED设置光标位置
* @param Y 以左上角为原点，向下方向的坐标，范围：0~7
* @param X 以左上角为原点，向右方向的坐标，范围：0~127
* @retval 无
*/
void OLED_SetCursor(uint8_t Y, uint8_t X)
{
OLED_WriteCommand(0xB0 | Y); //设置Y位置
OLED_WriteCommand(0x10 | ((X & 0xF0) >> 4)); //设置X位置高4位
OLED_WriteCommand(0x00 | (X & 0x0F)); //设置X位置低4位
}
/**
* @brief OLED清屏
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_Clear(void)
{
uint8_t i, j;
for (j = 0; j < 8; j++)
{
OLED_SetCursor(j, 0);
for(i = 0; i < 128; i++)
{
OLED_WriteData(0x00);
}
}
}
/**
* @brief OLED显示一个字符
* @param Line 行位置，范围：1~4
* @param Column 列位置，范围：1~16
* @param Char 要显示的一个字符，范围：ASCII可见字符
* @retval 无
*/
void OLED_ShowChar(uint8_t Line, uint8_t Column, char Char)
{
uint8_t i;
OLED_SetCursor((Line - 1) * 2, (Column - 1) * 8); //设置光标位置在上半部分
for (i = 0; i < 8; i++)
{
OLED_WriteData(OLED_F8x16[Char - ' '][i]); //显示上半部分内容
}
OLED_SetCursor((Line - 1) * 2 + 1, (Column - 1) * 8); //设置光标位置在下半部分
for (i = 0; i < 8; i++)
{
OLED_WriteData(OLED_F8x16[Char - ' '][i + 8]); //显示下半部分内容
}
}
/**
* @brief OLED显示字符串
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param String 要显示的字符串，范围：ASCII可见字符
* @retval 无
*/
void OLED_ShowString(uint8_t Line, uint8_t Column, char *String)
{
uint8_t i;
for (i = 0; String[i] != '\0'; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, String[i]);
}
}
/**
* @brief OLED次方函数
* @retval 返回值等于X的Y次方
*/
uint32_t OLED_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
uint32_t Result = 1;
while (Y--)
{
Result *= X;
}
return Result;
}
/**
* @brief OLED显示数字（十进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~4294967295
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~10
* @retval 无
*/
void OLED_ShowNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, Number / OLED_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
}
}
/**
* @brief OLED显示数字（十进制，带符号数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：-2147483648~2147483647
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~10
* @retval 无
*/
void OLED_ShowSignedNum(uint8_t Line, uint8_t Column, int32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
uint32_t Number1;
if (Number >= 0)
{
OLED_ShowChar(Line, Column, '+');
Number1 = Number;
}
else
{
OLED_ShowChar(Line, Column, '-');
Number1 = -Number;
}
for (i = 0; i < Length; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i + 1, Number1 / OLED_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
}
}
/**
* @brief OLED显示数字（十六进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~0xFFFFFFFF
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~8
* @retval 无
*/
void OLED_ShowHexNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i, SingleNumber;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
SingleNumber = Number / OLED_Pow(16, Length - i - 1) % 16;
if (SingleNumber < 10)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, SingleNumber + '0');
}
else
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, SingleNumber - 10 + 'A');
}
}
}
/**
* @brief OLED显示数字（二进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~1111 1111 1111 1111
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~16
* @retval 无
*/
void OLED_ShowBinNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < Length; i++)
{
OLED_ShowChar(Line, Column + i, Number / OLED_Pow(2, Length - i - 1) % 2 + '0');
}
}
/**
* @brief OLED显示波形函数
* @param Wave_sum波形值，范围：0~15
* @retval 无
*/
void OLED_Wave(u8 Wave_Sum)//波形刷新
{
static u8 i;
OLED_WriteCommand (0xb6); //设置页地址
OLED_WriteCommand((i & 0x0f)); //设置显示位置—列低地址
OLED_WriteCommand(((i & 0xf0) >> 4) |0x10); //设置显示位置—列高地址
OLED_WriteData(PPG_Wave_Fig[Wave_Sum*2]);
OLED_WriteCommand (0xb7); //设置页地址
OLED_WriteCommand ((i & 0x0f)); //设置显示位置—列低地址
OLED_WriteCommand (((i & 0xf0) >> 4) |0x10); //设置显示位置—列高地址
OLED_WriteData(PPG_Wave_Fig[Wave_Sum*2+1]); //显示数据,PPG_wave_fig[n]的值跟OLED寄存器配置的扫描方式相关
i++;
if(i>127) i=0;
}
/**
* @brief OLED显示中文
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~8
* @param ChineseLoca 中文字符位置,范围:自定义
* @retval 无
*/
void OLED_ShowChinese(uint8_t Line,uint8_t Column,uint8_t ChineseLoca)
{
uint8_t i = 0;
OLED_SetCursor((Line - 1) * 2, (Column - 1) * 16); //设置光标位置在上半部分
for (i = 0; i < 16; i++)
{
OLED_WriteData(Hzk[2*ChineseLoca][i]); //显示上半部分内容
}
OLED_SetCursor((Line-1) * 2+1, ((Column - 1) * 16)); //设置光标位置在下半部分
for (i = 0; i < 16; i++)
{
OLED_WriteData(Hzk[2*ChineseLoca+1][i]); //显示下半部分内容
}
}
void OLED_ShowFloat(uint8_t Line, uint8_t Column,float Parameter) //把可变参数Parameter以小数类型显示
{
char buf[20];
sprintf(buf,"%.2f",Parameter); //保留两位小数,并以逐个单字符存入数组buf中,包括小数点 Parameter=buf
OLED_ShowString(Line, Column, buf); //在line行Column列输出小数Parameter
}
/**
* @brief OLED初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_Init(void)
{
uint32_t i, j;
for (i = 0; i < 1000; i++) //上电延时
{
for (j = 0; j < 1000; j++);
}
OLED_I2C_Init(); //端口初始化
OLED_WriteCommand(0xAE); //关闭显示
OLED_WriteCommand(0xD5); //设置显示时钟分频比/振荡器频率
OLED_WriteCommand(0x80);
OLED_WriteCommand(0xA8); //设置多路复用率
OLED_WriteCommand(0x3F);
OLED_WriteCommand(0xD3); //设置显示偏移
OLED_WriteCommand(0x00);
OLED_WriteCommand(0x40); //设置显示开始行
OLED_WriteCommand(0xA1); //设置左右方向，0xA1正常 0xA0左右反置
OLED_WriteCommand(0xC8); //设置上下方向，0xC8正常 0xC0上下反置
OLED_WriteCommand(0xDA); //设置COM引脚硬件配置
OLED_WriteCommand(0x12);
OLED_WriteCommand(0x81); //设置对比度控制
OLED_WriteCommand(0xCF);
OLED_WriteCommand(0xD9); //设置预充电周期
OLED_WriteCommand(0xF1);
OLED_WriteCommand(0xDB); //设置VCOMH取消选择级别
OLED_WriteCommand(0x30);
OLED_WriteCommand(0xA4); //设置整个显示打开/关闭
OLED_WriteCommand(0xA6); //设置正常/倒转显示
OLED_WriteCommand(0x8D); //设置充电泵
OLED_WriteCommand(0x14);
OLED_WriteCommand(0xAF); //开启显示
OLED_Clear(); //OLED清屏
}
4.1.7 AD采样模块：包括ADC初始，获取ADC转换值等。
#include "stm32f10x.h"
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "math.h"
/**
* 函 数：AD初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void Adc_Init(void)
{
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA |RCC_APB2Periph_ADC1 , ENABLE );
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div8);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
ADC_DeInit(ADC1);
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_ResetCalibration(ADC1);
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
ADC_StartCalibration(ADC1);
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}
u16 Get_Adc(u8 ch)
{
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_71Cycles5 );
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));
return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}
4.1.8 采样数据处理模块：
u16 Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)
{
u32 temp_val=0;
u8 t;
for(t=0;t<times;t++)
{
temp_val+=Get_Adc(ch);
Delay_ms(5);
}
return temp_val/times;
}
4.1.9 传感器收集模块：
float MQ_4_work(void)
{
u16 ad = 0;
float mqvalue,ppm;
ad=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1,10);
mqvalue = 3.3*ad/4095;
ppm=mqvalue/0.1*200;
//OLED_ShowFloat(1,8,mqvalue);
OLED_ShowNum(2,8,ppm,4);
//OLED_ShowChinese(1,1,2);
//OLED_ShowChinese(1,2,3);
//OLED_ShowChinese(1,3,4);
//OLED_ShowString(1,7,":");
OLED_ShowString(2,1,"ppm :");
Delay_ms(500);
return ppm;
}
float MQ_7_work(void)
{
u16 ad = 0;
float mqvalue,ppm;
ad=Get_Adc_Average(ADC_Channel_0,10);
mqvalue = 5*ad/4095;
float RS=(5-mqvalue)/(mqvalue*0.5);
float Ro=6.64;
ppm = pow(11.5428*Ro/RS,0.6549f);
//OLED_ShowFloat(1,8,mqvalue);
OLED_ShowNum(4,8,ppm,4);
//OLED_ShowChinese(1,1,2);
//OLED_ShowChinese(1,2,3);
//OLED_ShowChinese(1,3,4);
//OLED_ShowString(1,7,":");
OLED_ShowString(4,1,"ppm :");
Delay_ms(50);
return ppm;
}
4.1.10 串口通信控制模块：包括串口初始化，串口发送数字，串口发送字符串，串口中断。
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
char Serial_RxPacket[100];
uint8_t Serial_RxFlag;
void Serial_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
USART_SendData(USART1, Byte);
while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}
void Serial_SendArray(uint8_t *Array, uint16_t Length)
{
uint16_t i;
for (i = 0; i < Length; i ++)
{
Serial_SendByte(Array[i]);
}
}
void Serial_SendString(char *String)
{
uint8_t i;
for (i = 0; String[i] != '\0'; i ++)
{
Serial_SendByte(String[i]);
}
}
uint32_t Serial_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
uint32_t Result = 1;
while (Y --)
{
Result *= X;
}
return Result;
}
void Serial_SendNumber(uint32_t Number, uint8_t Length)
{
uint8_t i;
for (i = 0; i < Length; i ++)
{
Serial_SendByte(Number / Serial_Pow(10, Length - i - 1) % 10 + '0');
}
}
int fputc(int ch, FILE *f)
{
Serial_SendByte(ch);
return ch;
}
void Serial_Printf(char *format, ...)
{
char String[100];
va_list arg;
va_start(arg, format);
vsprintf(String, format, arg);
va_end(arg);
Serial_SendString(String);
}
void USART1_IRQHandler(void)
{
static uint8_t RxState = 0;
static uint8_t pRxPacket = 0;
if (USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) == SET)
{
uint8_t RxData = USART_ReceiveData(USART1);
if (RxState == 0)
{
if (RxData == '@' && Serial_RxFlag == 0)
{
RxState = 1;
pRxPacket = 0;
}
}
else if (RxState == 1)
{
if (RxData == '\r')
{
RxState = 2;
}
else
{
Serial_RxPacket[pRxPacket] = RxData;
pRxPacket ++;
}
}
else if (RxState == 2)
{
if (RxData == '\n')
{
RxState = 0;
Serial_RxPacket[pRxPacket] = '\0';
Serial_RxFlag = 1;
}
}
USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);
}
}4.2主函数：
1头文件定义：引入所有必要的模块头文件，以支持各功能模块的操作。
2. 初始化：程序开始时，初始化OLED显示屏、ADC（模数转换器）、舵机、按键、LED灯、蜂鸣器和串口通信。
3. 主循环：
读取按键状态，并根据按键操作调整报警阈值。
读取MQ-4和MQ-7传感器的值。
在OLED显示屏上显示当前的阈值和传感器值。
如果传感器值超过阈值，蜂鸣器响起，LED灯亮起，并通过串口发送数据。
如果两个传感器的值都低于阈值，舵机转动到180度。
4. 按键操作：
按键1用于切换调整的阈值（甲烷或一氧化碳）。
按键2和按键3用于增加或减少当前选择的阈值。
5. 传感器数据读取：
`MQ_4_work()`函数用于读取MQ-4传感器的值。
MQ_7_work()`函数用于读取MQ-7传感器的值。
6. 反馈机制：
当MQ-4传感器检测到的甲烷浓度超过阈值时，蜂鸣器响起，LED2灯亮起，舵机转动到90度，并通过串口发送数据。
当MQ-7传感器检测到的一氧化碳浓度超过阈值时，蜂鸣器响起，LED1灯亮起，舵机转动到90度，并通过串口发送数据。
7. 串口通信：
通过`Serial_SendNumber()`和`Serial_Printf()`函数将传感器数据发送到串口。
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"
#include "KEY.h"
#include "Servo.h"
#include "Buzzer.h"
#include "Serial.h"
uint16_t AD0, AD1; //定义AD值变量
uint8_t KeyNum; //定义用于接收键码的变量
float Angle1; //定义角度变量
float Angle2; //定义角度变量
float taq=0;
float co=0;
float taq1=100;
float co1=100;
uint8_t KEY=0;
int main(void)
{
/*模块初始化*/
OLED_Init(); //OLED初始化
Adc_Init(); //AD初始化
Servo_Init(); //舵机初始化
Key_Init(); //按键初始化
LED_Init();
Buzzer_Init();
OLED_ShowString(1, 1, "MQ-4:");
OLED_ShowString(3, 1, "MQ-7:");
Serial_Init();
while (1)
{
KeyNum = Key_GetNum(); //获取按键键码
if (KeyNum == 1) //按键1按下
KEY=KEY+KeyNum;
if (KEY%2==0)
{if (KeyNum==2)
{
taq1+=100;
}
if (KeyNum==3)
{
taq1-=100;
}
}
if (KEY%2!=0)
{if (KeyNum==2)
{
co1+=100;
}
if (KeyNum==3)
{
co1-=100;
}
}
taq = MQ_4_work();
co = MQ_7_work();
OLED_ShowNum(1,8,taq1,4);
OLED_ShowNum(3,8,co1,4);
if(taq>=taq1)
{Angle1=90;
Buzzer_ON();
LED2_ON();
Servo_SetAngle0(90);//设置舵机的角度为角度变量
Servo_SetAngle1(90);//设置舵机的角度为角度变量
Delay_ms(100);
Delay_ms(100);
Buzzer_OFF();
LED2_OFF();
Serial_SendNumber(taq, 4);
Serial_Printf("\r\n");
}
if(co>=co1)
{Angle2=90;
Buzzer_ON();
LED1_ON();
Servo_SetAngle0(90);//设置舵机的角度为角度变量
Servo_SetAngle1(90);//设置舵机的角度为角度变量
Delay_ms(100);
Buzzer_OFF();
Serial_SendNumber(co, 4);
Serial_Printf("\r\n");
LED1_OFF();}
if(taq<taq1&co<co1)
{Servo_SetAngle1(180);//设置舵机的角度为角度变量
Servo_SetAngle0(180);//设置舵机的角度为角度变量
}
}
}五，测试及调试
5.1 硬件测试方法
5.1.1 电源系统测试方法
使用万用表对系统各供电点进行测量，包括3.3V和5V供电轨的电压值。同时使用示波器观察电源纹波情况，测量电源纹波峰峰值。在不同负载条件下测试电源的稳定性，包括空载、满载和负载突变情况下的电压变化情况。
5.1.2 传感器模块测试方法
对MQ-4和MQ-7传感器进行标准预热程序，使用标准气体进行传感器校准。在通风环境下，使用不同浓度的标准气体测试传感器的线性度和重复性。记录传感器从检测到响应的时间，验证传感器的灵敏度和响应速度是否满足系统要求。
5.1.3 舵机控制测试方法
使用示波器测量PWM信号的频率和占空比，确保信号稳定性。测试舵机在不同角度位置的控制精度，包括0度、90度和180度等关键位置。检查舵机在频繁动作时的发热情况和工作稳定性。
5.2 软件测试方法
5.2.1 按键测试方法
通过多种按键操作方式测试按键的可靠性，包括短按、长按和快速连续按压等情况。记录按键的抖动情况，测试消抖程序的效果。验证按键在不同操作速度下的响应情况，确保按键操作的稳定性。
5.2.2 传感器数据采集测试方法
使用示波器监测ADC采样的时序，验证采样频率是否符合设计要求。进行多次采样测试，分析采样数据的稳定性和可靠性。测试ADC在不同输入信号下的转换精度，确保数据采集的准确性。
5.2.3 串口通信测试方法
使用串口调试助手进行数据收发测试，验证不同波特率下的通信质量。测试系统在持续数据传输时的稳定性，模拟通信中断情况下的系统响应。检查数据传输的准确性和实时性，确保通信协议的可靠实现。
5.2.4 报警功能测试方法
通过改变传感器输入，测试系统在不同浓度数据下的报警响应。验证报警触发和解除的阈值设置是否准确，测试报警器件（LED和蜂鸣器）的工作状态。检查报警信息的显示和传输是否正确。
5.3. 系统整体测试方法
5.3.1 功能测试方法对系统所有功能模块进行完整性测试，包括传感器采集、数据处理、显示输出、报警控制等。验证各个模块之间的配合是否协调，确保系统功能的完整性和可靠性。
5.3.2 稳定性测试方法
设置系统连续运行测试，监控系统的各项参数变化。记录系统运行过程中的异常情况，包括死机、重启等。检查内存使用情况，确保没有内存泄漏问题。
5.3.3 异常处理测试方法
模拟各种可能的故障情况，如断电、传感器失效、通信中断等。测试系统的故障检测和处理能力，验证系统的自我保护功能是否有效。
5.4. 遇到的问题与解决方法
5.4.1 电路设计问题与解决方法
舵机驱动时出现动力不足问题，重新编写的PWM代码，选择5V为VCC。
5.4.2 引脚选择问题与解决方法
初始PWM引脚选择与串口引脚发生冲突。将舵机控制PWM信号改用定时器3的通道1（PB0）和通道2（PB1），避开了与串口的冲突。
5.4.3 虚焊问题与解决方法
传感器接口处出现虚焊现象，导致数据不稳定。重新使用高质量焊锡进行焊接，并使用万用表测量确保连接可靠。
5.4.4 代码结构设计问题与解决方法
代码中存在重复逻辑，造成维护困难。通过将相似功能封装成独立函数，如报警处理和传感器数据采集函数，提高了代码复用性和可维护性。
5.5. 调试结果
系统功能全部达到设计要求
传感器响应时间小于2秒
串口通信稳定，波特率9600
舵机控制精度在±2°以内
系统连续运行72小时无异常
六，总结
在这项基于STM32F103单片机的家用燃气监控系统设计中，主要涉及了嵌入式系统的各个方面。以下是我从这个项目中总结和掌握的知识和技能：
1. 嵌入式系统硬件设计
单片机的最小系统设计：熟悉STM32F103的最小系统设计，了解了如何连接电源、时钟、复位电路等基本组件。
传感器接口：掌握了如何通过模拟接口读取传感器数据，特别是MQ-4和MQ-7的气体浓度传感器。
舵机控制：学习了如何利用PWM信号控制舵机的角度，通过定时器配置和调节PWM占空比实现精确控制。
2. 软件开发技能
GPIO与定时器编程：了解了如何使用GPIO口进行输入输出操作，以及如何配置定时器产生PWM信号，驱动外部设备。
串口通信：掌握了如何通过串口与PC进行数据通信，使用串口调试助手测试数据传输的准确性和实时性。
按键扫描与去抖动：设计了按键电路并实现了去抖动处理，确保按键操作的稳定性。
数据采集与显示：使用ADC模块采集传感器数据并通过OLED屏幕实时显示，学习了如何通过程序设计来处理和展示传感器数据。
3. 调试与测试技能
电路和硬件调试：通过使用万用表和示波器进行电源电压、电流和信号质量的测试，确保硬件的稳定性和可靠性。
软件调试：通过串口调试、逻辑分析等手段测试软件的稳定性和功能的实现，确保系统在各种条件下都能正常运行。
性能优化：对系统进行性能评估，监控CPU和内存的使用，优化代码结构，确保系统的高效运行。
4. 整体系统设计与优化
系统整体架构设计：从系统功能需求出发，设计了数据采集、报警控制、舵机驱动、串口通信等模块，并实现了模块间的协调工作。
异常处理与容错设计：模拟了传感器故障、电源问题、通信中断等异常情况，设计了合适的异常处理机制，增强了系统的鲁棒性。
5. 团队协作与项目管理
团队合作：在项目中分工明确，充分利用团队成员的专业特长，共同解决系统设计中的难题。
文档编写与报告：通过编写详细的测试报告、调试记录和总结报告，锻炼了文档写作与项目管理的能力。
通过本项目，我不仅掌握了嵌入式系统的硬件与软件设计，也对嵌入式系统的调试、优化、以及团队合作有了更深入的理解。这些经验将为我未来在嵌入式系统开发方面打下坚实的基础。
作者：月夕24
