论文总字数：20596字

摘 要

本文论述了基于嵌入式的厨房空气监测系统的开发过程。首先介绍了厨房空气污染对人们健康的危害，国内外的研究现状及未来发展的展望。然后介绍本系统的整体设计方案，其中包括硬件设计和软件设计。硬件设计部分论述了以STM32F103C8T6为CPU的最小系统及其电路，同时详细的介绍了TGS2600油烟传感器、TGS2611甲烷传感器、MQ-7一氧化碳传感器的工作原理、灵敏度特性及外围电路。另外，还描述了OLED显示模块、继电器模块、蜂鸣器模块的工作原理及外围电路。软件部分先简述了KEIL工程的创建，然后详细介绍了基于STM32库函数的各模块驱动的配置，涉及到了STM32的GPIO、USART、ADC、SPI的应用，最重要的数据处理算法的编写。本文最后附有本系统电路原理图。

关键词：STM32单片机　数据采集　蓝牙通信 报警　继电器

Embedded-based kitchen air monitoring system design

Abstract

This article discusses the development process of an embedded kitchen air monitoring system. First of all, it introduces the harmfulness of the air pollution in the kitchen to people's health, research status at home and abroad, and the prospects for future development. Then it introduce the overall design of the system, including hardware design and software design. The hardware design section discusses the minimum system with STM32F103C8T6 as the CPU and its circuit. At the same time, the working principle, sensitivity characteristics and peripheral circuits of the TGS2600 soot sensor, TGS2611 methane sensor and MQ-7 carbon monoxide sensor are introduced in detail. In addition, the working principles and peripheral circuits of the OLED display module, relay module, and buzzer module are also described. The software part first briefly describes the creation of the KEIL project. Then it details the configuration of each module driver based on the STM32 library function. It involves the application of STM32 GPIO, USART, ADC, SPI and the most important data processing algorithm. At the end of this paper, the circuit schematic diagram are attached.

Keywords: STM32 Single-chip Microcomputer;Data Acquisition;Bluetooth Communication;Alarm;Relay

目录

摘　要 I

Abstract II

第一章　绪 论 1

1.1课题研究背景 1

1.2室内空气监测的国内外现状 1

1.2.1室内空气监测的国外现状分析 1

1.2.2室内空气监测的国内现状分析 2

1.2.3课题工作内容 2

第二章 厨房空气监测系统的整体设计方案 3

2.1系统简介 3

2.2系统整体设计框图 3

第三章　厨房空气监测系统的硬件电路设计 5

3.1硬件电路简介 5

3.2各部分硬件电路的设计 5

3.2.1芯片选型及最小系统电路设计 5

3.2.2电源模块电路设计 7

3.2.3气体采集传感器模块的电路设计 7

3.2.4显示模块的电路设计 13

3.2.5蓝牙模块的电路设计 14

3.2.6蜂鸣器模块的电路设计 14

3.2.7通风系统的电路设计 15

第四章　厨房空气监测系统的软件设计 18

4.1软件实现功能 18

4.2各模块软件功能描述 18

4.2.1 KEIL软件工程的创建 18

4.2.2软件的整体框架设计 18

4.2.3 OLED模块的软件设计 19

4.2.4 传感器模块的软件设计 20

4.2.5 蓝牙模块的软件设计 23

4.2.6 继电器和蜂鸣器模块的软件设计 25

第五章 厨房空气监测系统的运行测试 26

5.1终端运行测试 26

5.2手机端测试 27

结语 29

参考文献 30

致谢 31

附录1： 系统电路原理图 32

第一章　绪 论

1.1课题研究背景

现代社会，人们无论是工作、生活还是学习都会在建筑物里面度过一天中的大部分时间。因此建筑物里面的空气质量是否良好会对人们的健康有很大的影响，人们也越来越多的将注意力放在室内空气质量这个问题上，特别是厨房的空气质量对着人们的生命健康威胁很大。建筑物内空气污染物种类繁多，来源也多种多样，仅厨房里有害气体和危险气体就有油烟、CO、甲烷等。油烟是每个家庭的厨房都存在的，烧菜时产生的油烟成分复杂，会引起粘膜和呼吸器官的紊乱，可能使人的眼睛、鼻子和咽喉产生炎症，对人们的皮肤也有很大的刺激作用。而对于使用煤气的家庭，则可能存在煤气中毒的危险。煤气的成分也比较杂，但是大部分是CO，CO是无色无臭的隐形杀手，CO对人体细胞有非常大的毒害作用。当建筑物内CO浓度达600ppm时，人们就会出现不适的症状，头晕、恶心尤为明显。若人们在CO浓度超过1000ppm的建筑物待的时间超过30分钟，人们就会陷入昏睡的状态，严重者昏迷。若人们在CO浓度达到4000ppm的室内超过一小时，医生也无力回天，死亡的概率极大。另外对于使用天然气作为燃料的家庭，则可能存在天然气泄漏的危险。天然气的构成也很复杂，其中占比最多的为甲烷，甲烷也是透明无味的气体^[1]。甲烷对人体几乎无毒害作用，但是当甲烷在空气的体积达到一定的比例，只需要一点火星就能造成灾难性的后果。

由此可见，厨房内的有害气体不仅对健康威胁大，而且具有隐蔽性，人们无法仅仅依靠生活经验准确的判断出危害的严重程度。为此，设计一种厨房空气监测系统，对室内厨房空气的油烟、CO 、甲烷等气体进行实时监测并报警非常有意义。

1.2室内空气监测的国内外现状

1.2.1室内空气监测的国外现状分析

从1970年起，西方很多发达国家就已经意识到建筑物内空气质量的重要性，因为当时那些长时间待在室内的居民经常感觉身体没力气，而且伴随着头疼，记忆力也越来越差。科学家在大量调查了出现同种症状的病人后发现，导致人们出现这种症状的诱因是人们居住环境中的有机挥发物。发现问题的严重性后，为了人们的身体健康着想，国外政府投入了大量资金，围绕建筑物内的空气污染问题，展开了大量研究，提出了很多解决方案，建立了相关的标准。如美国、德国、意大利等国家从法律上规定了建筑物内空气必须达到的标准^[2]。虽然这方面法律越来越完善，但是却没有专门针对厨房空气质量的相关法律。另外因为饮食习惯的不同，西餐以生食凉拌为主，厨房内油烟少，所以他们对厨房空气质量的监测也缺少关注。

1.2.2室内空气监测的国内现状分析

1980年以后国内开始关注建筑物内空气质量问题，比西方发达国家晚了10年。那时因为正是国内重工业发展的快速时期，建筑物内空气污染物主要为。但是随着工业空气污染物处理技术的普及与改善，这类污染物在建筑物内已经很少被发现了。现在人们的钱包逐渐丰盈，喜欢把家里装饰的华丽。然而这些华丽的装饰材料所挥发出来的物质已成为室内空气的首要污染物^[3]。这些材料本应经过了环保部门的认证，但是认证属于非强制性的，缺乏执行力，所以对降低这类污染效果不大。为了保护我国居民的人身健康，我国政府也陆续出台了多项与改善室内空气质量有关法律标准^[4]。对于厨房空气质量方面，也颁布了油烟排放标准，只是各个省份的标准不同，因为不同的省份有不同菜系。但是由于中餐的做法复杂，经常需要煎炒油炸等，产生的油烟比西餐多很多。虽然现在还无法对家庭厨房的空气质量做到实时的监测，但是随着相关法律规范越来越完善，相关部门的执法标准越来越严格，室内的空气质量将会越来越好。

1.2.3课题工作内容

我毕设所选的课题是基于嵌入式的厨房空气监测系统的设计，我需要完成硬件的设计和软件的编写，硬件方面要争取布局合理，软件方面则争取程序简单易懂且实用。对于硬件电路的布置，不仅要掌握基础的硬件电路设计技巧，还要学会用EDA软件Altium Designer绘制电路原理图和设计印制线路板图并且有一定水平的焊接能力。此过程将理论与实践相结合，可以提高独立分析和解决问题的能力。在软件方面我要熟练找掌握C语言并且利用KEIL软件进行编程，这有利于提高我的编程能力和锻炼我的逻辑思维，为以后走上工作岗位打下良好的基础。

厨房空气监测系统的整体设计方案

2.1系统简介

本系统设计的主要功能是监测厨房里对人体健康影响最大的油烟气体、甲烷气体、一氧化碳气体的浓度。这三种气体的浓度可以在显示模块上实时显示，而且如果用户在家里打开了手机蓝牙，手机APP上还可以实时收到蓝牙模块发送过来的气体浓度值。当这三种气体一种或多种浓度超过系统设定的安全浓度标准时，系统就会作出反应，启动蜂鸣器进行报警，接通继电器打开通风系统，降低厨房内有害气体的浓度，保护人们的身体健康。系统由数据采集部分、数据处理部分、数据显示部分、数据传输部分、报警部分和通风系统六大部分组成^[5]。本系统的数据采集部分是由三个气体传感器分别采集油烟气体、甲烷气体、一氧化碳气体的浓度；数据的处理部分则是以STM32作为处理器进行计算分析；数据显示部分则采用清晰度高、大视角的OLED显示模块；数据传输部分是依靠主从一体的蓝牙模块发送数据；报警和通风系统则分别采用蜂鸣器和继电器。本系统实现时分为两大部分，硬件部分的电路搭建和软件部分的程序编写。

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