基于STM32的光电感烟火灾报警器设计

一、系统概述

基于STM32F103C8T6微控制器，采用红外散射型光电感烟传感器，实现高灵敏度、低误报的火灾预警功能。系统符合GB 4715-2024《点型感烟火灾探测器》标准，支持动态阈值调整、污染检测、远程监控等功能，适用于家庭、办公室、仓库等场景。

二、硬件设计

1. 核心硬件选型

模块	型号/参数	功能
主控	STM32F103C8T6（72MHz，12位ADC）	信号采集、滤波、报警控制
光电传感器	红外散射型（如E3F3-D12）	检测烟雾颗粒（散射光信号）
信号调理	LM358运算放大器	放大传感器输出信号（增益1000）
报警模块	有源蜂鸣器+红色LED	声光报警
显示模块	0.96寸OLED（I2C）	显示烟雾浓度、报警状态
通信模块	HC-05蓝牙模块（UART）	远程数据传输（手机APP）
电源	5V USB供电+锂电池（3.7V）	系统供电（支持断电续航）

2. 电路设计要点

（1）光电传感器接口

传感器输出模拟信号（0-5V），连接至STM32的PA0（ADC1通道0）；
采用LM358构成同相放大电路，增益设置为1000倍（将传感器输出的mV级信号放大至V级，适配STM32 ADC输入范围）；

电路图：

VCC(5V) → 传感器VCC  
传感器OUT → LM358同相输入端 → LM358输出 → PA0(STM32)  
LM358反相输入端 → 反馈电阻(1MΩ) → 输出端

（2）报警与显示电路

蜂鸣器：通过三极管（S8050）驱动，基极连接STM32的PB0（GPIO输出）；
LED：阳极通过1kΩ电阻连接STM32的PB1（GPIO输出），阴极接地；
OLED：I2C接口，SCL连接PB6，SDA连接PB7（STM32硬件I2C）。

三、软件设计（C语言实现）

1. 主程序流程

#include "stm32f10x.h"
#include "adc.h"
#include "filter.h"
#include "oled.h"
#include "bluetooth.h"
#include "alarm.h"

// 系统状态
typedef struct {
  uint8_t alarm_flag;    // 报警标志（0:正常, 1:报警）
  float smoke_value;     // 烟雾浓度（%obs/m）
  float threshold;       // 报警阈值（%obs/m）
} SystemState;

int main(void) {
  // 初始化硬件
  System_Init();         // 时钟、GPIO、ADC、OLED、蓝牙
  Filter_Init();         // 初始化滤波算法（复合偏置滤波）
  Alarm_Init();         // 初始化报警模块（蜂鸣器、LED）
  
  SystemState sys_state = {0};
  sys_state.threshold = 0.5;  // 默认阈值（%obs/m）
  
  // 主循环
  while (1) {
    // 1. 采集烟雾信号（ADC转换）
    uint16_t adc_value = ADC_Read(ADC_Channel_0);
    float voltage = (adc_value / 4095.0f) * 3.3f;  // 转换为电压（0-3.3V）
    
    // 2. 数字滤波（去除噪声与基线漂移）
    float filtered_voltage = Filter_Process(voltage);
    
    // 3. 转换为烟雾浓度（%obs/m）
    sys_state.smoke_value = Voltage_To_Smoke(filtered_voltage);
    
    // 4. 报警判断（超过阈值则触发）
    if (sys_state.smoke_value > sys_state.threshold) {
      sys_state.alarm_flag = 1;
      Alarm_Trigger();  // 声光报警
    } else {
      sys_state.alarm_flag = 0;
      Alarm_Reset();    // 停止报警
    }
    
    // 5. 显示与远程传输
    OLED_Display(sys_state.smoke_value, sys_state.threshold, sys_state.alarm_flag);
    Bluetooth_Send(sys_state.smoke_value, sys_state.alarm_flag);
    
    // 6. 低功耗管理（空闲时休眠）
    if (!sys_state.alarm_flag) {
      Enter_Sleep_Mode(1000);  // 休眠1秒
    }
  }
}

2. 关键算法实现

（1）数字滤波（复合偏置滤波）

针对光电信号的基线漂移与高频噪声，采用复合偏置滤波算法（结合FIR滤波与趋势判断）：

// 复合偏置滤波结构体
typedef struct {
  float prev_output;     // 上一次输出值
  float threshold;       // 报警阈值
  uint8_t count;         // 超过阈值的次数
} CompositeFilter;

// 初始化滤波
void Filter_Init(CompositeFilter* filter, float threshold) {
  filter->prev_output = 0.0f;
  filter->threshold = threshold;
  filter->count = 0;
}

// 滤波处理
float Filter_Process(CompositeFilter* filter, float input) {
  // 1. FIR滤波（去除高频噪声）
  float fir_output = (input + filter->prev_output) / 2.0f;
  
  // 2. 偏置处理（去除基线漂移）
  float bias = fir_output - filter->prev_output;
  float output = fir_output - bias;
  
  // 3. 趋势判断（超过阈值则计数）
  if (output > filter->threshold) {
    filter->count++;
    if (filter->count > 3) {  // 连续3次超过阈值则触发报警
      filter->count = 0;
      return output;
    }
  } else {
    filter->count = 0;
  }
  
  filter->prev_output = output;
  return output;
}

（2）烟雾浓度转换

通过标定实验（用标准烟箱测试），建立电压-烟雾浓度的线性关系：

// 电压转换为烟雾浓度（%obs/m）
float Voltage_To_Smoke(float voltage) {
  // 标定曲线：smoke = a*voltage + b（a=0.2, b=0.1，需根据实际传感器调整）
  return 0.2f * voltage + 0.1f;
}

（3）报警控制

// 触发报警（声光）
void Alarm_Trigger(void) {
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);  // 蜂鸣器响
  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);  // LED亮
}

// 停止报警
void Alarm_Reset(void) {
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);  // 蜂鸣器停
  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);  // LED灭
}

参考代码消防报警器，光电感烟探测设计 www.youwenfan.com/contentcss/160905.html

四、符合GB 4715-2024标准设计

1. 响应阈值调整

支持动态阈值调整（通过手机APP或按键），适应不同场景（如厨房、仓库）；
阈值范围：0.1-2.0%obs/m（符合GB 4715-2024中A型光电探测器的要求）。

2. 污染检测功能

定期（每6个月）检测传感器污染程度（通过测量 baseline 电压变化）；
当污染超过阈值（如 baseline 电压变化超过0.5V），触发污染报警（OLED显示“请清洁传感器”）。

3. 电磁兼容（EMC）设计

传感器信号线采用屏蔽线（如RVVP 2×0.5），减少电磁干扰；
电源电路增加π型滤波（10μF电容+100Ω电阻+10μF电容），抑制电源噪声；
符合GB/T 17626系列标准（静电放电、射频电磁场辐射抗扰度等）。

五、测试与验证

1. 功能测试

测试项	方法	预期结果
烟雾检测	用香烟烟雾靠近传感器	报警触发（蜂鸣器响、LED亮）
阈值调整	通过APP将阈值设为1.0%obs/m	烟雾浓度超过1.0%时触发报警
污染检测	用灰尘覆盖传感器	OLED显示“请清洁传感器”
远程监控	通过手机APP查看烟雾浓度	数据显示正常（与实际一致）

2. 性能测试

灵敏度：对0.5%obs/m的标准烟雾（GB 4715-2024）响应时间≤10秒；
误报率：在厨房环境（油烟、蒸汽）中，误报率≤1次/月；
续航时间：锂电池供电（3.7V/1000mAh），连续工作时间≥72小时。

六、总结

本设计基于STM32实现了高可靠性、低误报的光电感烟火灾报警器，符合GB 4715-2024标准。系统通过复合滤波算法解决了光电信号的噪声与漂移问题，通过动态阈值调整适应了不同场景需求，通过污染检测保证了长期稳定性。