基于单片机的多传感器智能云梯逃生控制器设计

1 基于单片机的多传感器智能云梯逃生控制器设计

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1.1 设计背景与总体目标

在家庭、宿舍、工厂及小型商业场景中，火灾、燃气泄漏、一氧化碳中毒等事故具有突发性强、扩散快、逃生窗口短等特点。当环境中出现可燃气体、酒精蒸汽、CO（一氧化碳）以及温度异常升高时，人员往往需要在极短时间内做出撤离决策。传统报警器只具备提示作用，但无法直接提供"逃生辅助装置"，特别是高层或窗外逃生条件受限时，单纯报警并不能显著提升逃生成功率。
因此，本设计提出一种"多传感器智能云梯逃生控制器"，它不仅能进行多种危险因素的实时监测和阈值报警，还能在超过阈值后自动展开云梯（由步进电机驱动），提供快速逃生通道，并同时启动声光报警装置提醒人员撤离。
本系统以单片机为核心控制单元，通过 MQ-3、MQ-9、DHT11 等模块构建多源环境感知网络，配合按键阈值设定与显示屏实时信息展示，实现"监测---判断---响应---执行---提示"的完整闭环控制。设计目标如下：
1. 实现温度、湿度、酒精气体与 CO/可燃气体浓度的实时采集与显示。
2. 实现用户可调报警阈值，适配不同环境与使用需求。
3. 实现超阈值自动展开云梯，并触发声光报警。
4. 系统结构清晰、模块化设计，便于维护、扩展与二次开发。

1.2 系统总体功能说明

本系统功能可分为四大类：传感器监测、自动响应与报警、按键设置、数据展示。其工作流程如下：
1. 单片机周期性采集 MQ-3、MQ-9 的模拟电压值（反映气体浓度趋势）以及 DHT11 的数字温湿度值。
2. 将采集数据进行滤波与转换（例如 ADC 值转为相对浓度百分比或阈值等级）。
3. 与用户设定的报警阈值进行比较。
4. 若任意指标超过阈值，系统进入"危险状态"，自动执行：
  1. 步进电机驱动云梯展开；
  2. 声光报警输出；
  3. 显示屏提示危险原因与超限值。
5. 若所有指标恢复正常，可设置"自动复位"或"手动复位"（本设计中可采用自动解除报警，但电机复位需谨慎，通常需要人工确认）。
关键特性：
1. 多传感器冗余：酒精气体、CO/可燃气体、温湿度共同参与判断，可降低单一传感器误报率。
2. 阈值可调：四按键交互，支持逐项设置温度、湿度、气体报警阈值，并保存参数（可扩展 EEPROM 保存）。
3. 自动执行机构：步进电机具备定位精确、扭矩稳定优势，适合用于云梯的展开控制。
4. 人机界面直观：显示屏实时显示"当前值 + 设定阈值 + 状态信息"，降低使用门槛。

2 系统电路设计

2.1 电路设计总体结构

系统电路分为以下模块：
1. 单片机最小系统模块（核心控制）
2. 传感器采集模块
  1. MQ-3 酒精气体传感器模块
  2. MQ-9 CO/可燃气体传感器模块
  3. DHT11 温湿度传感器模块
3. 按键输入模块（四按键）
4. 显示模块（LCD/OLED）
5. 步进电机驱动模块
6. 声光报警模块（蜂鸣器 + LED/警示灯）
7. 电源模块（稳压与隔离）
设计思想：以单片机为核心控制器，外设采用模块化连接方式，各模块之间以标准接口（GPIO、ADC、I2C/SPI、PWM/IO）实现通信与控制。这样便于调试与后期扩展，例如增加烟雾传感器、火焰传感器或无线通信模块等。

2.2 单片机最小系统模块

单片机选择：可选用 51 系列（如 STC89C52）、AVR（如 ATmega328P）或 STM32（如 STM32F103）。本设计以"具备 ADC 采集能力且资源足够"为优先，若使用 51 系列则需外接 ADC 芯片（如 ADC0832/ADC0809）；若使用 STM32/AVR 则可直接使用片上 ADC。为简化系统，本设计建议使用 STM32 或 AVR。
最小系统电路关键要点：
1. 时钟电路：外部晶振或内部 RC，保证系统稳定运行。
2. 复位电路：上电复位与按键复位，避免上电后状态不确定。
3. 下载接口：预留 SWD（STM32）或 ISP（AVR/51）接口，用于烧录与调试。
4. 端口规划：提前规划 ADC 通道、按键 GPIO、显示接口、步进驱动 IO、蜂鸣器 IO 等，避免后期冲突。
电气注意事项：
1. MCU 供电建议 3.3V 或 5V（根据芯片与模块决定），并在电源引脚附近放置去耦电容（0.1uF + 10uF）。
2. 传感器模拟信号线尽量短，并与电机电源线隔离，减少干扰。
3. 步进电机驱动电流大，应与逻辑电源分区供电，避免电压跌落导致 MCU 复位。

2.3 MQ-3 酒精气体传感器模块

MQ-3 属于半导体气敏传感器，内部含加热丝与气敏电阻，输出通常为模拟电压（AO）和数字比较输出（DO，部分模块带 LM393 比较器）。
在本系统中建议使用 AO 接入 MCU 的 ADC 通道，以实现连续浓度趋势判断与可调阈值报警。
电路设计要点：
1. MQ-3 工作需要加热，模块供电通常为 5V，电流较大（约 150mA 级别，视模块而定），需要保证电源容量。
2. AO 输出是分压结果，通常在 0~5V 范围。若 MCU 采样电压为 3.3V，应通过分压或运放限幅使其进入 ADC 允许范围。
3. 为减少波动，可在 AO 端加入 RC 滤波（如 0.1uF 与适当电阻），并在软件做滑动平均。
使用注意：
1. MQ 系列需要预热时间，初始几分钟数据不稳定，应在程序中加入"预热计时"与提示。
2. 传感器受温湿度影响较大，阈值需允许用户调整。

2.4 MQ-9 一氧化碳/可燃气体传感器模块

MQ-9 可检测 CO 与可燃气体（如 LPG），同样输出模拟电压 AO，部分模块带 DO。
模块电路要点：
1. 供电与加热要求同 MQ-3，电源必须稳定。
2. 输出电压范围与 MCU ADC 兼容性处理同 MQ-3。
3. 建议使用独立 ADC 通道采样 MQ-9，避免与 MQ-3 共用通道导致采样误差。
抗干扰设计：
1. 模拟地与数字地可采用单点连接方式，防止电机驱动噪声进入 ADC。
2. 走线尽量远离步进电机驱动器与电源开关节点。
阈值策略：
1. MQ-9 输出对 CO 和可燃气体均敏感，实际应用中可将其视为"可燃/有毒气体综合指标"。
2. 为降低误报，可结合温度异常一起判断，例如"气体超标且温度升高"进入高危状态。

2.5 DHT11 温湿度传感器模块

DHT11 为单总线数字温湿度传感器，输出为数字信号，通信时序固定。
电路设计要点：
1. DHT11 供电一般为 3.3V~5V，数据引脚需要上拉电阻（通常 4.7kΩ~10kΩ）。
2. 数据线长度不宜过长，避免信号畸变；若必须延长，可降低通信频率并增强上拉能力。
功能定位：
1. 温度监测可辅助火灾早期判断。
2. 湿度信息可用于环境显示及传感器补偿（虽然 DHT11 精度一般，但足够用于趋势判断）。
可靠性：
1. DHT11 读取失败较常见，程序需做超时处理与重试机制，避免卡死。

2.6 按键输入模块（四按键）

本系统设置四个按键，用于阈值设置与模式切换。可定义如下：
1. KEY1：模式/项目切换（选择温度阈值、湿度阈值、MQ-3 阈值、MQ-9 阈值）
2. KEY2：数值增加
3. KEY3：数值减少
4. KEY4：确认/保存/退出设置
电路设计方式：
1. 独立按键接入 GPIO，采用上拉输入模式（或外部上拉电阻），按下接地。
2. 每个按键可并联小电容（如 0.01uF）用于硬件消抖，但更常见是仅软件消抖。
软件设计配合：
1. 采用定时扫描或中断触发。
2. 必须进行消抖处理（如 10~20ms）。
3. 支持长按连续加减，提高设置效率。

2.7 显示模块（LCD/OLED）

显示屏用于实时显示：
1. 当前温度、湿度
2. MQ-3 浓度值（可显示 ADC 值或换算百分比）
3. MQ-9 浓度值（同上）
4. 用户设定阈值
5. 系统状态（安全/预警/危险、云梯展开中、报警中等）
模块选择：
1. 1602/2004 LCD：成本低，字符显示直观，但占用 IO 多（可用 I2C 扩展板降低 IO）。
2. 0.96 寸 OLED（I2C）：显示效果好、占用引脚少，可显示更多信息与图标。
电路设计要点：
1. I2C 模式需上拉电阻（部分模块自带）。
2. OLED 供电一般 3.3V~5V，注意与 MCU 电平匹配。
3. 显示更新频率不宜过高，避免闪烁与占用 CPU。

2.8 步进电机驱动模块

云梯展开机构需要可靠驱动力与可控定位，步进电机是较合适的执行器。
典型方案：
1. 28BYJ-48 步进电机 + ULN2003 驱动板：成本低、控制简单，但扭矩有限，适合小型模型或轻载云梯演示。
2. NEMA17 步进电机 + A4988/DRV8825：扭矩大，适合实际工程驱动。
电路设计要点：
1. 电机供电需独立电源（如 12V），驱动模块与 MCU 共地。
2. 驱动模块附近加大电容（如 100uF~470uF），吸收电流波动。
3. 若使用 A4988/DRV8825，需设置电流限流电位器，防止过流烧毁电机或驱动器。
位置控制策略：
1. 采用固定步数展开云梯（例如展开 3000 步），并在显示屏提示"展开完成"。
2. 可扩展限位开关，实现"到位停止"与"回零复位"，提高安全性。
可靠性考虑：
1. 云梯属于安全相关装置，电机控制需避免误动作；因此报警触发逻辑需要稳定，最好加入"持续超限判定"或"双条件判定"。

2.9 声光报警模块

声光报警用于强化危险提示，特别是夜间或人员注意力分散时。
模块组成：
1. 有源蜂鸣器：MCU 输出高电平即可响，驱动简单。
2. LED 闪烁灯或警示灯：可通过 GPIO 或三极管驱动。
电路设计要点：
1. 蜂鸣器电流若超过 GPIO 驱动能力，应使用 NPN 三极管或 MOSFET 做开关驱动，并加反向保护（若为感性负载）。
2. LED 若为大功率警示灯，同样需要三极管/MOSFET 驱动，并串联限流电阻。
报警方式：
1. 蜂鸣器按固定频率间歇鸣叫。
2. LED 按 1Hz 或 2Hz 闪烁。
3. 进入危险状态后可持续报警，直到用户确认或环境恢复正常。

2.10 电源模块设计

系统电源是稳定性的基础。建议采用如下供电架构：
1. MCU 与显示模块：3.3V 或 5V（根据具体器件）
2. MQ 传感器：通常 5V
3. 步进电机：5V（28BYJ-48）或 12V/24V（NEMA17）
稳压方案：
1. 若系统主电源为 12V，可用降压模块（Buck）输出 5V，再用 LDO 输出 3.3V，保证噪声更低。
2. 步进电机电源建议单独从主电源分支供电，并增加滤波电容与 TVS 保护（可选）。
EMC 与安全：
1. 电机驱动噪声可能导致传感器读数抖动甚至 MCU 复位，因此应尽量让"强电部分"和"弱电采集部分"分区布局。
2. 所有模块必须共地，但走线建议采用星形连接，减少地线电流互相干扰。

3 程序设计

3.1 软件总体结构与任务划分

软件采用模块化结构，典型可分为：
1. 系统初始化模块
2. 传感器采集模块
  1. MQ-3 采集与处理
  2. MQ-9 采集与处理
  3. DHT11 采集与处理
3. 按键扫描与阈值设置模块
4. 显示刷新模块
5. 报警判断与状态机模块
6. 步进电机控制模块
7. 声光报警控制模块
8. 参数存储模块（可扩展 EEPROM/Flash 保存）
主循环模式建议：
1. 使用定时器中断提供系统节拍（如 1ms 或 10ms tick）。
2. 主循环中按任务周期执行采集、按键、显示与控制。
3. 步进电机可使用状态机驱动，避免阻塞主循环。
状态机定义示例：
1. SAFE：安全状态
2. PREHEAT：传感器预热状态
3. WARNING：预警状态（轻度超限或持续短时间超限）
4. DANGER：危险状态（持续超限，触发云梯展开与报警）
5. LADDER_DEPLOY：云梯展开中
6. ALARMING：报警持续中
判定策略建议：
1. 避免瞬时误报：连续 N 次采样超限才进入危险状态。
2. 支持滞回：恢复正常需低于阈值一定比例（如 90%）持续一段时间，避免频繁跳变。

3.2 传感器采集模块设计

3.2.1 MQ-3 采集与滤波模块

MQ-3 输出为模拟量，程序步骤：
1. 读取 ADC 值 raw_mq3
2. 对 raw_mq3 做滑动平均或指数滤波得到 mq3_filtered
3. 将过滤值映射为"相对浓度值"（例如 0~100%）
关键点：
1. MQ-3 易受环境影响，软件滤波能显著降低抖动。
2. 传感器预热阶段应提示"数据不稳定"，并禁止触发云梯展开，以防误动作。

3.2.2 MQ-9 采集与滤波模块

逻辑与 MQ-3 类似：ADC 读取、滤波、映射。
可增加"危险等级"判断：
1. 轻度超限：进入预警，仅声光提示或屏幕闪烁。
2. 严重超限：直接进入危险，触发云梯展开。

3.2.3 DHT11 采集与异常处理模块

DHT11 读取需要严格时序，程序需：
1. 发送起始信号
2. 读取 40bit 数据
3. 校验和判断
常见问题：
1. 读取失败返回错误码，主程序应保留上一次有效值，并提示"读取失败"。
2. DHT11 采样周期不宜过快，建议 1~2 秒读一次。

3.3 按键扫描与阈值设置模块

3.3.1 按键消抖与扫描策略

扫描方法：
1. 10ms 扫描一次按键状态
2. 若检测到按下，延时/计数确认稳定后触发事件
事件类型：
1. 单击：切换项目/加减数值/确认
2. 长按：快速连续加减
防误触措施：
1. 长按触发前需保持按下超过 500ms
2. 长按连续加减间隔可设为 100ms

3.3.2 阈值数据结构与保存机制

典型阈值包括：
1. 温度报警阈值 temp_th
2. 湿度报警阈值 humi_th（可选，用于潮湿异常提示）
3. MQ-3 报警阈值 mq3_th
4. MQ-9 报警阈值 mq9_th
保存机制：
1. 简单方案：仅 RAM 保存，掉电恢复默认值。
2. 完整方案：在用户按确认后写入 EEPROM/Flash，掉电保持。

3.4 显示刷新模块

3.4.1 显示内容布局建议

页面 1：实时数据
1. 温度、湿度
2. MQ-3、MQ-9 浓度
页面 2：阈值设定值
1. temp_th、humi_th、mq3_th、mq9_th
页面 3：系统状态
1. SAFE / WARNING / DANGER
2. 云梯状态：未展开/展开中/已展开
通过按键 KEY1 可切换页面，或在危险状态自动切到状态页。

3.4.2 显示刷新频率

建议 200ms~500ms 刷新一次。
传感器读取频率与显示刷新分离，避免卡顿。

3.5 报警判断与控制逻辑模块

3.5.1 多条件报警判定

报警条件可设为任意一项超限即触发：
1. 温度 > temp_th
2. 湿度 > humi_th（可选）
3. MQ-3 > mq3_th
4. MQ-9 > mq9_th
为降低误报可采用"持续超限判定"：
1. 连续 5 次采样超限才判定为危险（采样周期 200ms 则约 1 秒确认）。
2. 若只是瞬时尖峰，则忽略。

3.5.2 状态机控制

SAFE：正常监测与显示
WARNING：仅声光提示（可选）
DANGER：触发云梯展开 + 声光报警
LADDER_DEPLOY：展开过程中持续报警并显示进度
ALARMING：展开完成后持续报警，直到用户确认或恢复正常并手动复位

3.6 步进电机控制模块

3.6.1 电机展开动作逻辑

系统进入危险状态后，立即执行：
1. 设置目标步数 target_steps
2. 按固定频率输出相序（或 STEP/DIR 脉冲）
3. 达到目标步数后停止
为保证主循环不阻塞，建议使用定时器或状态机输出步进序列。

3.6.2 安全与保护

软保护：
1. 展开过程中检测电源电压（可扩展）或电机过热（可扩展）
硬保护（扩展建议）：
1. 限位开关：防止过度展开
2. 急停按键：人工强制停止电机动作

3.7 声光报警控制模块

声光报警可采用定时闪烁与鸣叫：
1. 100ms 切换蜂鸣器输出实现间歇鸣叫
2. 250ms 切换 LED 实现闪烁
设计要点：
1. 与状态机绑定：SAFE 不报警，DANGER 必报警，WARNING 可选。
2. 报警优先级高于显示刷新与阈值设置。危险状态下可禁止进入设置界面，避免误操作。

4 程序代码示例（模块化示意）

4.1 全局参数与数据结构

c 复制代码

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

/* ===========================
   阈值参数（可扩展EEPROM保存）
   =========================== */
typedef struct {
    uint8_t temp_th;      // 温度阈值(°C)
    uint8_t humi_th;      // 湿度阈值(%)
    uint16_t mq3_th;      // MQ-3阈值(ADC或映射值)
    uint16_t mq9_th;      // MQ-9阈值(ADC或映射值)
} Threshold_t;

static Threshold_t g_th = {
    .temp_th = 55,
    .humi_th = 85,
    .mq3_th  = 2200,
    .mq9_th  = 2400
};

/* ===========================
   实时传感器数据
   =========================== */
typedef struct {
    uint8_t  temperature;
    uint8_t  humidity;
    uint16_t mq3_raw;
    uint16_t mq9_raw;
    uint16_t mq3_filt;
    uint16_t mq9_filt;
} Sensor_t;

static Sensor_t g_sensor;

/* ===========================
   系统状态机
   =========================== */
typedef enum {
    SYS_PREHEAT = 0,
    SYS_SAFE,
    SYS_WARNING,
    SYS_DANGER,
    SYS_LADDER_DEPLOY,
    SYS_ALARMING
} SysState_t;

static SysState_t g_state = SYS_PREHEAT;

/* 计数器，用于持续超限判定 */
static uint8_t g_over_cnt = 0;
static uint32_t g_ms_tick = 0;  // 由定时器中断累加

4.2 MQ-3 / MQ-9 采集与滤波模块

c 复制代码

/* 读取ADC函数：根据MCU平台实现 */
extern uint16_t ADC_Read(uint8_t channel);

/* 简单滑动平均滤波：N=8 */
static uint16_t moving_avg_u16(uint16_t *buf, uint8_t n, uint16_t new_val)
{
    static uint32_t sum = 0;
    static uint8_t idx = 0;

    sum -= buf[idx];
    buf[idx] = new_val;
    sum += buf[idx];
    idx = (idx + 1) % n;

    return (uint16_t)(sum / n);
}

void MQ_SampleTask(void)
{
    static uint16_t mq3_buf[8] = {0};
    static uint16_t mq9_buf[8] = {0};

    g_sensor.mq3_raw = ADC_Read(0); // 假设通道0为MQ-3
    g_sensor.mq9_raw = ADC_Read(1); // 假设通道1为MQ-9

    g_sensor.mq3_filt = moving_avg_u16(mq3_buf, 8, g_sensor.mq3_raw);
    g_sensor.mq9_filt = moving_avg_u16(mq9_buf, 8, g_sensor.mq9_raw);
}

4.3 DHT11 读取模块（示意）

c 复制代码

/* 下面函数需要根据平台实现：GPIO方向控制、延时us级等 */
extern void DHT11_SetOutput(void);
extern void DHT11_SetInput(void);
extern void DHT11_WritePin(uint8_t val);
extern uint8_t DHT11_ReadPin(void);
extern void DelayUs(uint32_t us);
extern void DelayMs(uint32_t ms);

static bool DHT11_ReadData(uint8_t *temp, uint8_t *humi)
{
    uint8_t data[5] = {0};

    /* 起始信号 */
    DHT11_SetOutput();
    DHT11_WritePin(0);
    DelayMs(20);
    DHT11_WritePin(1);
    DelayUs(30);
    DHT11_SetInput();

    /* 等待响应（省略完整时序细节，实际工程需严格实现） */
    // ...读取40位数据到data[]
    // data[0]=湿度整数, data[2]=温度整数, data[4]=校验

    if ((uint8_t)(data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) != data[4]) {
        return false;
    }

    *humi = data[0];
    *temp = data[2];
    return true;
}

void DHT11_SampleTask(void)
{
    uint8_t t, h;
    if (DHT11_ReadData(&t, &h)) {
        g_sensor.temperature = t;
        g_sensor.humidity = h;
    }
    /* 若失败则保持上一次有效值，避免显示跳变 */
}

4.4 按键扫描与阈值设置模块（示意）

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extern uint8_t KEY_Read(uint8_t key_id); // 读取某个按键状态：1按下0松开

typedef enum {
    SET_ITEM_TEMP = 0,
    SET_ITEM_HUMI,
    SET_ITEM_MQ3,
    SET_ITEM_MQ9
} SetItem_t;

static SetItem_t g_set_item = SET_ITEM_TEMP;
static bool g_in_setting = false;

static void Threshold_Inc(void)
{
    switch (g_set_item) {
        case SET_ITEM_TEMP: if (g_th.temp_th < 99) g_th.temp_th++; break;
        case SET_ITEM_HUMI: if (g_th.humi_th < 99) g_th.humi_th++; break;
        case SET_ITEM_MQ3:  if (g_th.mq3_th  < 4095) g_th.mq3_th += 10; break;
        case SET_ITEM_MQ9:  if (g_th.mq9_th  < 4095) g_th.mq9_th += 10; break;
    }
}

static void Threshold_Dec(void)
{
    switch (g_set_item) {
        case SET_ITEM_TEMP: if (g_th.temp_th > 0) g_th.temp_th--; break;
        case SET_ITEM_HUMI: if (g_th.humi_th > 0) g_th.humi_th--; break;
        case SET_ITEM_MQ3:  if (g_th.mq3_th  > 10) g_th.mq3_th -= 10; break;
        case SET_ITEM_MQ9:  if (g_th.mq9_th  > 10) g_th.mq9_th -= 10; break;
    }
}

void Key_ScanTask(void)
{
    static uint8_t last[4] = {0};

    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
        uint8_t now = KEY_Read(i);
        if (now && !last[i]) {
            /* 检测到按键按下沿 */
            if (g_state >= SYS_DANGER) {
                /* 危险状态下可选择禁止设置，避免误操作 */
            } else {
                if (i == 0) { // KEY1
                    if (!g_in_setting) g_in_setting = true;
                    else g_set_item = (SetItem_t)((g_set_item + 1) % 4);
                } else if (i == 1) { // KEY2
                    if (g_in_setting) Threshold_Inc();
                } else if (i == 2) { // KEY3
                    if (g_in_setting) Threshold_Dec();
                } else if (i == 3) { // KEY4
                    g_in_setting = !g_in_setting; // 退出/进入
                    /* 可扩展保存到EEPROM */
                }
            }
        }
        last[i] = now;
    }
}

4.5 报警判断与状态机模块

c 复制代码

static bool IsOverThreshold(void)
{
    if (g_sensor.temperature > g_th.temp_th) return true;
    if (g_sensor.humidity    > g_th.humi_th) return true;
    if (g_sensor.mq3_filt    > g_th.mq3_th)  return true;
    if (g_sensor.mq9_filt    > g_th.mq9_th)  return true;
    return false;
}

void StateMachine_Task(void)
{
    static uint32_t preheat_start = 0;

    switch (g_state) {
        case SYS_PREHEAT:
            if (preheat_start == 0) preheat_start = g_ms_tick;
            if (g_ms_tick - preheat_start > 60000) { // 预热60秒示例
                g_state = SYS_SAFE;
            }
            break;

        case SYS_SAFE:
            if (IsOverThreshold()) {
                g_over_cnt++;
                if (g_over_cnt >= 5) { // 连续超限
                    g_state = SYS_DANGER;
                    g_over_cnt = 0;
                }
            } else {
                g_over_cnt = 0;
            }
            break;

        case SYS_DANGER:
            g_state = SYS_LADDER_DEPLOY;
            break;

        case SYS_LADDER_DEPLOY:
            /* 等待电机展开完成后切换 */
            // if (Stepper_IsDone()) g_state = SYS_ALARMING;
            break;

        case SYS_ALARMING:
            /* 可在此等待用户确认或环境恢复 */
            break;

        default:
            g_state = SYS_SAFE;
            break;
    }
}

4.6 步进电机控制模块（示意）

c 复制代码

extern void Stepper_StartDeploy(uint32_t steps);
extern bool Stepper_IsDone(void);

void Ladder_ControlTask(void)
{
    static bool started = false;

    if (g_state == SYS_LADDER_DEPLOY) {
        if (!started) {
            Stepper_StartDeploy(3000); // 展开3000步示例
            started = true;
        } else {
            if (Stepper_IsDone()) {
                g_state = SYS_ALARMING;
            }
        }
    } else {
        started = false;
    }
}

4.7 声光报警控制模块（示意）

c 复制代码

extern void BUZZER_Set(uint8_t on);
extern void LED_Set(uint8_t on);

void Alarm_Task(void)
{
    static uint32_t t_buzzer = 0;
    static uint32_t t_led = 0;
    static uint8_t buzzer_on = 0;
    static uint8_t led_on = 0;

    if (g_state >= SYS_DANGER) {
        if (g_ms_tick - t_buzzer >= 100) {
            t_buzzer = g_ms_tick;
            buzzer_on = !buzzer_on;
            BUZZER_Set(buzzer_on);
        }
        if (g_ms_tick - t_led >= 250) {
            t_led = g_ms_tick;
            led_on = !led_on;
            LED_Set(led_on);
        }
    } else {
        BUZZER_Set(0);
        LED_Set(0);
        buzzer_on = 0;
        led_on = 0;
    }
}

4.8 显示模块（示意）

c 复制代码

extern void OLED_Clear(void);
extern void OLED_Print(uint8_t x, uint8_t y, const char *str);

void Display_Task(void)
{
    char line[32];

    OLED_Clear();

    /* 当前值显示 */
    snprintf(line, sizeof(line), "T:%dC H:%d%%", g_sensor.temperature, g_sensor.humidity);
    OLED_Print(0, 0, line);

    snprintf(line, sizeof(line), "MQ3:%u TH:%u", g_sensor.mq3_filt, g_th.mq3_th);
    OLED_Print(0, 1, line);

    snprintf(line, sizeof(line), "MQ9:%u TH:%u", g_sensor.mq9_filt, g_th.mq9_th);
    OLED_Print(0, 2, line);

    /* 状态显示 */
    if (g_state == SYS_PREHEAT) OLED_Print(0, 3, "STATE: PREHEAT");
    else if (g_state == SYS_SAFE) OLED_Print(0, 3, "STATE: SAFE");
    else if (g_state == SYS_DANGER) OLED_Print(0, 3, "STATE: DANGER");
    else if (g_state == SYS_LADDER_DEPLOY) OLED_Print(0, 3, "STATE: DEPLOY");
    else if (g_state == SYS_ALARMING) OLED_Print(0, 3, "STATE: ALARMING");
}

5 系统综合工作过程说明

5.1 正常监测阶段

系统上电后进入预热阶段，提示用户传感器预热中，避免 MQ-3、MQ-9 输出波动造成误报警。
预热结束后进入安全状态，定时执行：
1. MQ-3、MQ-9 模拟采样与滤波处理
2. DHT11 温湿度采样
3. 显示刷新当前数据与阈值数据
用户可通过按键进入设置模式，调整各项阈值并保存，以适应不同场所环境（如厨房、实验室、车库、宿舍等）。

5.2 超限预警与危险触发阶段

当任意监测值超过阈值时，系统并不立即执行展开动作，而是采用"持续超限计数"方式进行确认。
若超限持续存在，系统进入危险状态：
1. 启动步进电机展开云梯
2. 启动蜂鸣器与警示灯
3. 显示屏提示当前危险来源（温度超限、气体超限等）
该逻辑设计的意义在于：
1. 避免瞬时干扰导致误展开
2. 确保真正的危险事件触发强制逃生辅助与报警

5.3 云梯展开与报警持续阶段

云梯展开过程由步进电机控制模块执行，可采用定步数展开或限位开关到位停止。
展开完成后进入持续报警状态，确保人员在紧急情况下能够清晰察觉并迅速撤离。
在真实工程中，云梯属于安全关键装置，建议采用"展开后锁定"策略，即展开后不会自动回收，需要人员确认环境安全后手动复位，避免二次风险。

6 设计扩展与可靠性建议

6.1 传感器精度与校准建议

MQ-3、MQ-9 传感器输出与真实浓度并非线性关系，且不同模块的电阻、老化、环境温度湿度都会影响输出。
若用于教学与演示，可采用 ADC 阈值判断即可；若用于更严谨场景，可增加：
1. 标定曲线拟合
2. 温湿度补偿
3. 多点标定与传感器漂移校正

6.2 安全性与误动作抑制

云梯展开属于高风险动作，必须避免误触发。建议增加：
1. 双条件触发：气体超限 + 温度超限或气体超限持续更长时间
2. 手动确认模式：报警后提示用户确认展开（适用于人员在场的环境）
3. 机械限位与急停按键：保证任何异常情况下可立即停止动作
对于噪声干扰，应在电源与布线上做好隔离，软件层面加入滤波与滞回。

6.3 系统扩展方向

无线联网：增加 Wi-Fi/4G/LoRa 模块，将报警信息推送至手机或物业中心，实现远程预警。
增加烟雾、火焰传感器：提高火灾识别能力，减少漏报。
增加电池备份：停电情况下仍可报警与展开云梯，提升可靠性。
增加数据记录：将历史温湿度与气体变化记录到存储器，便于事故追溯与环境分析。

7 总结

本设计围绕"多传感器监测 + 自动展开云梯 + 声光报警 + 阈值可调 + 信息显示"构建完整的智能逃生控制器方案。通过 MQ-3、MQ-9 与 DHT11 的组合，系统能够实时感知环境中酒精气体、CO/可燃气体以及温湿度变化，并在超过安全阈值时迅速作出响应，驱动步进电机展开云梯，为人员提供直接逃生通道，同时以声光报警强化提示。
在电路设计方面，本系统采用模块化结构，重点解决了传感器模拟采样、电机驱动隔离、电源稳定与抗干扰等问题，使得系统既具备可实现性，也便于扩展。
在程序设计方面，本系统采用状态机与任务划分的方法，将采集、显示、按键、判断、执行与报警相互解耦，逻辑清晰、可维护性强，并通过滤波、持续超限判定与预热机制提高系统稳定性。
总体而言，该系统既能满足课程设计与演示需求，也具备进一步工程化升级的潜力，适用于智能消防与紧急逃生辅助方向的研究与实践。