【计算机单片机毕业设计指导（内含开题报告参考）】基于STM32的烟雾浓度检测报警系统设计 4. 基于51单片机的温度烟雾监测排风设计（034103）

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本设计基于STM32F103C8T6单片机，集成MQ-2烟雾传感器与DS18B20温度传感器，实现烟雾浓度与环境温度双参数实时监测；支持按键独立配置双阈值，异常时触发声光报警、OLED数据闪烁，并自动启动继电器驱动风扇排风；系统采用C语言开发，Keil uVision5编译，具备低成本、低误报、早期干预等特性，适用于家庭火灾隐患主动防控。

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项目研究背景

火灾的发生发展往往经历"温度异常升高—烟雾逐渐积聚—明火出现"的演变过程，若在早期阶段即发现环境参数的异常趋势并及时排出烟雾、降低温度，可从根本上阻断火灾的进一步发展。然而当前多数家用报警设备仅在烟雾或明火达到较高程度后才触发报警，属于事后警示，缺乏对火灾隐患的早期干预能力；传统排风设备则完全依赖人工开启，无法与监测数据联动，智能化水平低、响应滞后。与此同时，随着嵌入式传感技术的普及，MQ-2烟雾传感器与DS18B20数字温度传感器等低成本的火灾前兆感知元件已广泛可得，以STM32为核心的嵌入式系统具备同时处理多路环境参数并联动执行机构的能力。将烟雾、温度双参数监测与风扇自动排风相结合，构成一套面向火灾隐患早期的"监测—预警—通风"系统，可在火情萌芽阶段即完成参数越限报警与烟雾排出，对于提升家庭火灾防控的主动性、减少火灾发生概率具有重要的现实意义，也顺应了智能家居环境监测多功能化、联动化的发展趋势。

摘要

针对家庭火灾隐患发现滞后、排风设备无法与监测联动的问题，设计了一种基于STM32单片机的烟雾温度监测与自动排风系统。系统以STM32F103C8T6为核心，通过MQ-2烟雾传感器与DS18B20温度传感器实时采集烟雾浓度与环境温度，用户可按键分别设定两类报警阈值；参数异常时系统声光报警、屏幕数据闪烁，并自动启动风扇排风降温降烟。系统监测稳定、配置灵活、联动及时，可在火灾萌芽阶段实现早期预警与主动干预，为家庭火灾隐患的早期防治提供了低成本的嵌入式解决方案。

总体方案

本系统以STM32F103C8T6为核心，构建"双参数感知—双阈值判断—声光报警—自动排风—交互配置"的硬件架构，各硬件设备选型及作用如下：

STM32F103C8T6 主控芯片：ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，64KB Flash、20KB SRAM，具备GPIO、ADC、I2C等丰富外设。负责烟雾浓度与温度数据的采集、阈值比较判断、报警与风扇联动控制、参数配置管理以及OLED显示驱动，选型理由是外设资源丰富、生态成熟、性价比突出。
MQ-2烟雾传感器：基于气敏电阻原理，对烟雾及可燃气体敏感，模拟电压输出随浓度变化。用于实时监测环境烟雾浓度，捕捉火灾早期的烟雾积聚征兆，适用于厨房、客厅等烟雾易发区域的监测。
DS18B20温度传感器：单总线数字输出，测温范围-55~125℃，无需额外信号调理电路。用于实时监测环境温度，捕捉电气线路过载、燃气泄漏燃烧等引起的异常温升，适用于火灾早期温度监测场景。
0.96寸OLED显示屏：SSD1306驱动，I2C接口，低功耗高对比度。用于实时显示烟雾浓度、温度数值及各自报警阈值，报警时对应数据闪烁提醒，是系统可视化的人机交互窗口。
蜂鸣器：报警时发出急促鸣响，实现声音警示，适用于参数越限时的即时听觉提醒。
LED指示灯：与蜂鸣器配合构成声光报警，报警时闪烁形成视觉警示，适合夜间或昏暗环境下的提醒。
继电器模块+5V风扇：继电器实现弱电隔离控制，STM32输出信号驱动继电器吸合启动5V风扇，执行排风降温降烟动作，适用于烟雾或温度超标时的主动干预场景。
按键模块：用于分别设置烟雾、温度报警阈值及报警解除等交互操作，是实现"双阈值可配置"的输入入口。

整体硬件架构逻辑为：MQ-2与DS18B20并行采集烟雾浓度和环境温度送入STM32，STM32将两路数据分别与对应阈值比较；任一参数越限时，立即驱动蜂鸣器与LED声光报警、OLED对应数据闪烁，同时吸合继电器启动风扇排风，直至参数恢复正常；按键用于两类阈值的独立设定与报警解除。

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核心功能

基础功能——烟雾温度实时监测与显示：MQ-2与DS18B20传感器持续采集烟雾浓度与温度数据，OLED屏分栏实时显示数值及各自报警阈值。该功能为系统提供连续的现场环境信息，是阈值判断与联动控制的数据基础。
核心功能——烟雾、温度双阈值独立配置：用户通过按键分别调整烟雾阈值与温度阈值，STM32保存设定值并用于越限判断。该功能使系统可适配厨房高温高油烟、卧室低温低烟等不同空间的参数特点，避免一刀切阈值带来的误报，是系统灵活性的核心体现。
核心功能——数据异常声光报警与数值闪烁：当烟雾浓度或温度任一超过设定阈值时，蜂鸣器立即鸣响、LED闪烁，OLED屏幕上对应越限数据同步闪烁，通过多通道警示确保异常信息被及时察觉，其核心作用是火灾隐患的早期告知。
核心功能——风扇自动排风联动：温度超标或烟雾超标报警时，STM32同步驱动继电器吸合，启动5V风扇进行排风，加速烟雾排出与热量散失，在火灾萌芽阶段实施主动干预，阻断险情向明火阶段发展，是系统实现"早期防治"目标的关键执行功能。
辅助功能——按键交互与报警解除：按键支持阈值设定与报警解除操作，为用户提供完整的本地控制入口，提升系统的可操作性与实用性。

技术路线

编程语言：采用C语言进行嵌入式开发，实现烟雾与温度数据采集、双阈值判断、报警排风联动及显示驱动逻辑。
开发环境：采用Keil uVision5（MDK-ARM）进行代码编写、编译与在线调试。
开发工具：采用ST-Link仿真器完成程序烧录与调试，辅助验证采集与判断逻辑的正确性。
通信协议：OLED显示采用I2C总线协议；DS18B20采用单总线（1-Wire）协议与STM32通信；烟雾浓度通过STM32内部ADC采集。
测试工具：使用串口助手输出烟雾、温度采样数据，辅助完成传感器标定与阈值逻辑验证。
辅助设计软件：采用Altium Designer绘制系统原理图与PCB，规范硬件设计文档。

开题报告

一、选题依据

（一）研究背景

火灾并非瞬间形成，而是从温度异常、烟雾积聚到明火出现的渐进过程，这意味着在明火出现之前存在一段宝贵的早期干预窗口。然而当前家庭中使用的大多数报警设备以感烟或感温单参数探测为主，且须在参数达到较高程度后才触发报警，实质上属于"事后警示"；传统排风扇、抽油烟机等通风设备完全依靠人工开启，与监测数据之间毫无联动，面对无人值守或夜间场景无能为力。随着低成本环境传感元件的普及，MQ-2烟雾传感器与DS18B20数字温度传感器已可稳定获取火灾前兆参数，STM32等嵌入式微控制器具备同时处理多路参数并实时联动执行机构的能力，为构建"早期监测、主动干预"的家庭防火系统创造了条件。本课题以烟雾、温度双参数监测为基础，引入双阈值可配置与风扇自动排风联动机制，研究火灾隐患早期的自动化防治方案，对于把火灾防控从"事后报警"前移到"事前预警、事中干预"具有重要的现实意义。

（二）研究的意义

本课题的理论意义在于，将多参数环境监测、双阈值可配置判断与执行机构联动控制相结合，探索火灾隐患早期防治的嵌入式技术路线，为同类主动式安防系统的设计提供参考。其实际应用意义体现在：其一，烟雾与温度双参数并行监测可捕捉火灾发生前的参数异常趋势，比单一参数报警更早发现隐患，实现早期预警；其二，双阈值独立可调的设计使系统能够适配厨房、卧室、仓库等不同场所的环境特点，兼顾低误报与不漏报；其三，报警与风扇排风自动联动，在无人值守时也能及时排出烟雾、降低温度，主动阻断险情发展。系统成本低廉、无需联网布线，适合家庭、宿舍、小型仓库等场所推广，对提升社会面火灾防控的主动性具有积极价值。

（三）国内外研究现状

国外对环境参数监测与火灾早期预警的研究起步较早，已形成了从单点感烟探测器到多参数智能探测器的产品体系，部分系统能够依据烟雾、温度、一氧化碳等多种参数的变化趋势进行火情预判，并与楼宇通风、排烟系统联动，体现了"监测—分析—执行"一体化的发展方向。国内相关研究近年来成果丰富：丁伟杰等设计了基于窄带物联网技术的智能火灾报警系统，关注报警信息传输；汪肖杰等完成基于STM32的智能安防报警系统设计，验证了STM32平台的工程适用性；杨振一等基于STM32构建智能室内物联网监测系统，实现了多参数环境数据的采集与显示；张伟等设计了基于STM32的家用环境调控系统，体现了环境参数与执行机构联动控制的设计思路；黄斌等进行了基于单片机的智能家居系统研究。综合来看，现有家用设备中"报警"与"排风"往往相互割裂，将烟雾温度双参数监测、双阈值可配置与自动排风联动整合于低成本嵌入式平台的方案仍不多见，本课题正是针对这一空白展开研究。

（四）参考文献

[1] 杨振一, 徐祗凯, 李洪歌, 等. 基于STM32的智能室内物联网监测系统[J]. 物联网技术, 2023, 13(7): 7-11.
[2] 丁伟杰, 刘昱廷, 李建英, 等. 基于窄带物联网技术的智能火灾报警系统设计[J]. 电工技术, 2023(18): 19-21.
[3] 汪肖杰, 骆岩红. 基于STM32的智能安防报警系统设计[J]. 科技创新与应用, 2024(6): 49-52.
[4] 张伟, 柯志勇. 基于STM32单片机的家用环境调控系统设计[J]. 漳州职业技术学院学报, 2023, 25(2): 66-73.
[5] 黄斌, 张栗. 基于单片机智能家居系统设计[J]. 江苏科技信息, 2023, 40(7): 77-80.
[6] 程晶晶, 周明龙. 基于AT89C52单片机的智能家居安防系统设计[J]. 太原学院学报(自然科学版), 2023, 41(2): 71-77.
[7] 谭浩强. C程序设计（第五版）[M]. 北京: 清华大学出版社, 2017.
[8] 刘火良, 杨森. STM32库开发实战指南——基于STM32F103[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.
[9] 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础（第五版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2015.

二、设计或研究内容、预期目标及拟解决的关键问题

（一）研究内容

本课题围绕"基于STM32的烟雾温度双参数监测与自动排风系统"开展设计与实现，研究内容按功能模块分述如下：

主控模块设计：完成STM32F103C8T6最小系统电路设计，包括时钟、复位、启动配置与调试接口，为双参数采集、阈值判断与联动控制提供运行平台。
烟雾检测模块设计：研究MQ-2气敏传感器的输出特性，完成模拟输出与STM32 ADC通道的接口设计，编写采样与滤波程序，获取稳定的烟雾浓度数据。
温度检测模块设计：研究DS18B20单总线通信时序，设计其与STM32 GPIO的连接电路，编写单总线复位、读写时序程序，实现环境温度的精确采集。
双阈值配置模块设计：设计按键输入电路，研究烟雾、温度两组阈值的独立增减、越限约束与掉电保存方法，编写菜单式交互程序，实现双阈值的现场可配置。
声光报警与显示模块设计：设计蜂鸣器、LED驱动电路与OLED显示接口，编写越限判断、报警控制与屏幕数据闪烁程序，实现异常参数的多通道警示。
自动排风执行模块设计：设计继电器驱动与5V风扇接口电路，编写报警与风扇启动的联动控制逻辑，实现参数越限时的自动排风与恢复后的自动停止。
系统联调与测试：完成整机软硬件集成，通过烟雾模拟、热源模拟等场景测试系统响应，优化阈值默认值与联动逻辑。

（二）预期目标

完成一套基于STM32F103C8T6的烟雾温度双参数监测与自动排风系统。系统实时显示烟雾浓度与温度数值，支持按键分别设定两类报警阈值；任一参数越限时1秒内完成声光报警且屏幕对应数据闪烁，同时自动启动风扇排风；参数恢复正常后自动停止报警与排风；整机运行稳定、误报率低，形成完整样机与设计文档。

（三）拟解决的关键问题

其一，双路异构数据采集的稳定性问题。MQ-2模拟输出需滤波处理，DS18B20单总线时序严格，需分别设计可靠的数据采集程序。其二，双阈值交互配置的逻辑设计问题。两组阈值共用按键与屏幕，需设计清晰的状态切换逻辑防止参数混淆或误修改。其三，越限判断与联动的实时性问题。烟雾与温度任一越限均需即时响应，程序需采用高效的中断或轮询结构保证判断不滞后。其四，继电器驱动与负载干扰问题。风扇启停电流变化可能干扰单片机，需做好电源隔离与续流保护设计。

三、研究方案

（一）技术路线

本课题按照"需求分析—方案设计—硬件搭建—驱动开发—联动调试—整机测试"的路线推进。首先分析家庭火灾隐患早期防治的实际需求，确定烟雾温度双参数监测、双阈值可配置与自动排风的总体方案；随后完成STM32最小系统及MQ-2、DS18B20、OLED、蜂鸣器、LED、继电器、风扇、按键等模块的电路设计与搭建；在Keil uVision5环境下基于STM32标准外设库采用C语言开发，依次完成ADC采集、单总线温度读取、按键交互、显示驱动、报警控制与风扇联动程序；最后通过烟雾源、热源等模拟场景开展整机联调，对传感器标定、阈值默认值进行优化，完成样机制作与文档整理。

（二）关键技术

气敏烟雾探测技术：掌握MQ-2气敏电阻原理，通过STM32 ADC实现烟雾浓度的量化采集与滤波。
单总线数字测温技术：实现DS18B20严格的1-Wire时序控制，完成温度数据的可靠读取与转换。
双阈值参数管理技术：研究两组阈值参数的独立设定、约束校验与掉电保存机制。
继电器隔离驱动技术：通过三极管驱动与续流保护电路实现继电器可靠吸合，保障风扇动作安全。
状态机与联动控制技术：采用状态机组织"正常—报警排风—恢复"的状态迁移，保证多任务协调运行。

四、设计或研究计划进度

序号	日期	工作任务
1	2026-03上旬	查阅文献资料，完成开题报告撰写与开题答辩
2	2026-03中下旬	完成总体方案设计与传感器选型，绘制系统原理图
3	2026-04上旬	完成硬件电路焊接搭建，编写ADC与单总线驱动程序
4	2026-04中下旬	编写阈值配置、报警联动、OLED显示等核心功能程序
5	2026-05上中旬	整机联调与烟雾、热源模拟测试，优化阈值参数
6	2026-05下旬至06上旬	整理设计文档，撰写毕业论文，准备答辩

五、设计(论文)的预期成果与特色或创新之处

（一）预期成果

完成一套基于STM32F103C8T6的烟雾温度双参数监测与自动排风系统样机，实现双参数显示、双阈值配置、声光报警、数据闪烁提醒与风扇自动排风的全部功能。
完成系统原理图、PCB图与完整源程序代码一套。
完成毕业设计论文，涵盖方案论证、硬件设计、软件设计、系统测试与结果分析。

（二）特色或创新之处

火灾早期主动干预：将防控节点从明火报警前移至烟雾、温度异常阶段，配合自动排风主动排出烟雾、降低温度，阻断险情发展。
双阈值独立可配置：烟雾与温度阈值分别可调，适配不同场所环境特点，兼顾低误报与不漏报。
多参数联动一体化：监测、报警、排风、显示、交互各模块有机整合，软件采用状态机架构，层次清晰、便于扩展。

项目演示

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关于我们

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