基于STM32的智能灶台控制系统设计与实现

木燚垚2026-05-16 8:25

一、系统方案介绍

随着物联网技术的快速发展，传统厨房设备正向智能化、安全化方向升级。本文设计了一款基于STM32F103C8T6单片机的智能灶台控制系统。该系统具备倒计时定时关闭、多档火力调节、烟雾/温度实时监测、电机模拟火力大小等核心功能，可有效防止因燃气泄漏、温度过高引发的安全事故，提升烹饪体验。

系统采用模块化设计，以STM32F103C8T6为主控芯片，外接0.96寸OLED显示屏、6个独立按键、MQ2烟雾传感器、DS18B20温度传感器、直流电机（带驱动器）及4个状态指示灯。用户通过按键可方便地设置倒计时、开关灶台、调节火力等级；同时传感器实时监测环境参数，一旦烟雾浓度或温度超过阈值，系统自动切断灶台工作，实现主动安全保护。

系统亮点：

  • 双重安全保障：烟雾+温度传感器联合监测，超阈值自动关闭

  • 人性化交互：OLED实时显示火力档位、倒计时、传感器数值

  • 可视化反馈：4个LED分别指示开关状态和高中低三档火力

  • 模拟执行机构：电机转速随火力线性变化，直观演示火力大小

二、系统架构图

三、实现方法

3.1 开发环境

  • IDE：Keil MDK 5.32

  • 库函数：STM32标准外设库

  • 调试工具：ST-Link V2

  • 编程语言：C语言

3.2 实现流程

  1. 初始化系统：时钟配置（72MHz）、GPIO、ADC、定时器PWM、I2C、单总线。

  2. 显示界面：OLED显示初始状态（火力关闭，烟雾/温度数值，倒计时00:00）。

  3. 按键扫描：循环检测6个按键动作，执行对应功能（带软件消抖）。

  4. 传感器采集：每200ms读取一次烟雾ADC值和DS18B20温度值。

  5. 安全判断：若烟雾值 > 阈值 或 温度 > 阈值 → 关闭灶台（`stove_on = 0`，电机停转，LED1灭）。

  6. 倒计时处理：倒计时模式下，每秒递减，减至0时自动关闭灶台。

  7. 火力输出：根据当前火力等级（0/1/2/3对应关闭/低/中/高）设置PWM占空比，控制电机转速。

3.3 核心算法

  • 按键消抖：延时20ms后再次读取确认。

  • PWM调速：低档对应20%占空比，中档50%，高档90%。

  • 传感器阈值：烟雾阈值设定为ADC值400（约0.8V，对应较高浓度），温度阈值60℃。

四、功能描述

|----------|---------------|---------------------------------|
| 功能模块 | 实现方式 | 用户操作/现象 |
| 灶台开关 | 按键4切换开关标志 | LED1亮表示开，灭表示关；火力加减仅在开状态下有效 |
| 火力调节 | 按键5增加，按键6减少 | 循环选择高/中/低三档；LED2/3/4分别对应高/中/低点亮 |
| 电机模拟火力 | PWM驱动电机 | 低档慢转，中档中速，高档快速旋转 |
| 倒计时模式 | 按键1进入，按键2/3加减 | 可设1~99分钟；倒计时结束自动关闭灶台 |
| 烟雾检测 | MQ2连续采样 | 超过阈值立即关灶台，OLED显示"Smoke Alert!" |
| 温度检测 | DS18B20测量环境温度 | 超过60℃关灶台，显示"Over Temp!" |
| 状态显示 | OLED 128x64 | 实时显示火力档位、倒计时剩余、烟雾值、温度值 |

> 注意：倒计时模式下，若因烟雾/温度超限关闭灶台，倒计时将重置。

五、硬件架构

5.1 主控芯片

STM32F103C8T6

  • 内核：ARM Cortex-M3，最高72MHz

  • 存储：64KB Flash，20KB RAM

  • 外设：2个ADC（10通道）、3个通用定时器、1个高级定时器、I2C、USART等

5.2 外围电路设计

  • 按键模块：6个轻触开关，一端接GND，另一端接GPIO并配置内部上拉电阻。

  • LED指示：4个Φ5mm LED，串联220Ω电阻限流，高电平点亮。

  • OLED显示：0.96寸，SSD1306驱动，I2C接口（仅需两根信号线）。

  • MQ2烟雾传感器：模拟电压输出接ADC输入，预热3分钟以上得到稳定基线。

  • DS18B20温度传感器：寄生电源模式，数据线需接4.7k上拉电阻。

  • 电机及驱动器：使用L298N或TB6612，输入PWM信号和方向信号（本系统不需换向）。

5.3 电源设计

  • 系统供电：5V USB或12V适配器

  • 降压至3.3V给STM32、OLED、DS18B20

  • 电机驱动单独供电（避免干扰）

六、传感器介绍

6.1 MQ-2烟雾/可燃气体传感器

  • 检测气体：液化气、丙烷、氢气、甲烷、烟雾等

  • 输出电压：0.1V~5V（浓度越高电压越高）

  • 灵敏度：可通过电位器调节阈值

  • 使用注意：初次上电需预热60秒，避免接触有机溶剂

6.2 DS18B20数字温度传感器

  • 分辨率：9~12位可配置（默认12位）

  • 测温范围：-55℃ ~ +125℃

  • 精度：±0.5℃（-10℃~+85℃）

  • 通信协议：单总线（1-Wire），每个传感器有唯一64位ROM ID

七、软件架构

7.1 程序模块划分

├──main.c // 主循环、状态机

├── bsp_key.c/h // 按键扫描与消抖

├── bsp_led.c/h // LED控制

├── bsp_pwm.c/h // PWM初始化与占空比设置

├── bsp_adc.c/h // ADC初始化及读取MQ2

├── ds18b20.c/h // DS18B20操作函数

├── oled.c/h // OLED显示驱动

├── timer.c/h // 系统定时器（1ms基准）

└── control.c/h // 火力控制、倒计时管理

7.2 状态机设计

系统主状态：灶台开关状态

复制代码 
void STATE_ONOFF(u8 key)
{
    if(key == 4)
    {
        u8 old_onoff = onoff;
        onoff++;
        if(onoff >= 2) onoff = 0;
        // 设备从开变为关时，取消倒计时
        if(old_onoff == 1 && onoff == 0)
        {
            timer_state = 0;
            timer_100ms_cnt = 0;
        }
    }
    if(onoff == 0)
        OLED_ShowCHinese(48, 2, 16);
    if(onoff == 1)
        OLED_ShowCHinese(48, 2, 15);
    OLED_ShowString(80, 4, "  ", 16);
}

八、关键代码展示

8.1 主循环逻辑

（main.c）

复制代码 
int main(void)
{
    static u8 test_cnt = 0;
    int key_value;		//按键值
    delay_init();	    //延时函数初始化
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
    uart_init(115200);	 		//串口初始化为115200
    Adc1_Channe_Init();			//ADC通道初始化
    KEY_Init();					//按键引脚初始化
    LED_Init();                  //蜂鸣器初始化
    OLED_Init();				//OLED初始化
    OLED_Clear();				//OLED清屏

    STMFLASH_Read(FLASH_SAVE_ADDR + 10, &A_DS18B20_Temp, 2);	//开机读取温度阈值
    STMFLASH_Read(FLASH_SAVE_ADDR + 12, &M_DS18B20_Temp, 2);	//开机读取温度阈值
    STMFLASH_Read(FLASH_SAVE_ADDR + 14, &A_mq2_value, 2);	//开机读取湿度阈值

    while( DS18B20_Init())        //判断DS18B20是否初始化成功
    {
        OLED_ShowString(0, 0, "DS18B20 Error", 16);
    }
    while(1)
    {


        key_value = KEY_Scan(0);  //按键数据
        DS18B20_Temp = DS18B20_Get_Temp() / 10;
        DisPlay_Temp(32, 0, 16); //显示温度

        smoke_value = Get_SmokeValue_Filtered();    // 精确值
        smoke_percent = (u8)smoke_value;            // 取整用于显示整数


        // 温度保护
        if(DS18B20_Temp > 30 ||smoke_value>35)
        {
            if(onoff == 1 || timer_state != 0)
            {
                onoff = 0;
                timer_state = 0;
                timer_100ms_cnt = 0;
            }
        }


        //速度选择
        if(fire_level == 0) sd_value = 19200;
        if(fire_level == 1) sd_value = 24000;
        if(fire_level == 2) sd_value = 28800;

        OLED_ShowCHinese(64, 0, 2);
        OLED_ShowCHinese(80, 0, 3);
        sprintf((char*)buff, ":%2d", smoke_value);   // 例：":25.6"
        OLED_ShowString(96, 0, buff, 16);              // 原位置显示百分比


        //第二行显示：开关
        OLED_ShowCHinese(0, 2, 13);
        OLED_ShowCHinese(16, 2, 14);
        OLED_ShowString(32, 2, ":", 16);
        STATE_ONOFF(key_value);

        //第三行显示：等级
        OLED_ShowCHinese(0, 4, 6);
        OLED_ShowCHinese(16, 4, 7);
        OLED_ShowCHinese(32, 4, 8);
        OLED_ShowCHinese(48, 4, 9);
        OLED_ShowString(64, 4, ":", 16);

        //第四行显示：时间
        OLED_ShowCHinese(0, 6, 4);
        OLED_ShowCHinese(16, 6, 5);

        //控制执行
        if(onoff == 1)
        {
            SPEED_UP(key_value);
            SPEED_DOWN(key_value);
            MOTOR_Init_COLD( sd_value, sd_value );
            LED = 0;
            if(fire_level == 0)
            {
                LED1 = 0;
            }
            else
            {
                LED1 = 1;
            }
            if(fire_level == 1)
            {
                LED2 = 0;
            }
            else
            {
                LED2 = 1;
            }
            if(fire_level == 2)
            {
                LED3 = 0;
            }
            else
            {
                LED3 = 1;
            }
        }
        else
        {
            MOTOR_Init_COLD( 0, 0 );
            LED = 1;
            LED1 = 1;
            LED2 = 1;
            LED3 = 1;
        }


        // ========== 倒计时处理 ==========
        // 100ms 定时（利用 delay_ms(100) 保证每次循环约 100ms）
        timer_100ms_cnt++;
        if(timer_100ms_cnt >= 10)   // 1秒到
        {
            timer_100ms_cnt = 0;
            if(timer_state == 2 && timer_remain > 0)
            {
                timer_remain--;
                if(timer_remain == 0)
                {
                    timer_state = 0;      // 倒计时结束，回到空闲
                    onoff = 0;
                    // BEEP_ON(); delay_ms(200); BEEP_OFF();
                }
            }
        }

        // 按键处理（优先级：先处理倒计时按键）
        Handle_Timer(key_value);
        Display_Timer();          // 刷新第6行倒计时显示


        delay_ms(100);
    }
}

8.2 DS18B20读取温度

（单总线时序）

复制代码 
#include "ds18b20.h"


//复位DS18B20
u8 Temp[15];

void DS18B20_Rst(void)
{
    DS18B20_IO_OUT(); 	//SET PG11 OUTPUT
    DS18B20_DQ_OUT = 0; 	//拉低DQ
    delay_us(750);    	//拉低750us
    DS18B20_DQ_OUT = 1; 	//DQ=1
    delay_us(15);     	//15US
}
//等待DS18B20的回应
//返回1:未检测到DS18B20的存在
//返回0:存在
u8 DS18B20_Check(void)
{
    u8 retry = 0;
    DS18B20_IO_IN();	//SET PG11 INPUT
    while (DS18B20_DQ_IN && retry < 200)
    {
        retry++;
        delay_us(1);
    };
    if(retry >= 200)return 1;
    else retry = 0;
    while (!DS18B20_DQ_IN && retry < 240)
    {
        retry++;
        delay_us(1);
    };
    if(retry >= 240)return 1;
    return 0;
}
//从DS18B20读取一个位
//返回值：1/0
u8 DS18B20_Read_Bit(void)
{
    u8 data;
    DS18B20_IO_OUT();	//SET PG11 OUTPUT
    DS18B20_DQ_OUT = 0;
    delay_us(2);
    DS18B20_DQ_OUT = 1;
    DS18B20_IO_IN();	//SET PG11 INPUT
    delay_us(12);
    if(DS18B20_DQ_IN)data = 1;
    else data = 0;
    delay_us(50);
    return data;
}
//从DS18B20读取一个字节
//返回值：读到的数据
u8 DS18B20_Read_Byte(void)
{
    u8 i, j, dat;
    dat = 0;
    for (i = 1; i <= 8; i++)
    {
        j = DS18B20_Read_Bit();
        dat = (j << 7) | (dat >> 1);
    }
    return dat;
}
//写一个字节到DS18B20
//dat：要写入的字节
void DS18B20_Write_Byte(u8 dat)
{
    u8 j;
    u8 testb;
    DS18B20_IO_OUT();	//SET PG11 OUTPUT;
    for (j = 1; j <= 8; j++)
    {
        testb = dat & 0x01;
        dat = dat >> 1;
        if (testb)
        {
            DS18B20_DQ_OUT = 0;	// Write 1
            delay_us(2);
            DS18B20_DQ_OUT = 1;
            delay_us(60);
        }
        else
        {
            DS18B20_DQ_OUT = 0;	// Write 0
            delay_us(60);
            DS18B20_DQ_OUT = 1;
            delay_us(2);
        }
    }
}
//开始温度转换
void DS18B20_Start(void)
{
    DS18B20_Rst();
    DS18B20_Check();
    DS18B20_Write_Byte(0xcc);	// skip rom
    DS18B20_Write_Byte(0x44);	// convert
}

//初始化DS18B20的IO口 DQ 同时检测DS的存在
//返回1:不存在
//返回0:存在
u8 DS18B20_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);	 //使能PORTG口时钟

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;				//PORTG.11 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);   //输出1

    DS18B20_Rst();

    return DS18B20_Check();
}
//从ds18b20得到温度值
//精度：0.1C
//返回值：温度值 （-550~1250）
short DS18B20_Get_Temp(void)
{
    u8 temp;
    u8 TL, TH;
    short tem;
    DS18B20_Start ();  			// ds1820 start convert
    DS18B20_Rst();
    DS18B20_Check();
    DS18B20_Write_Byte(0xcc);	// skip rom
    DS18B20_Write_Byte(0xbe);	// convert
    TL = DS18B20_Read_Byte(); 	// LSB
    TH = DS18B20_Read_Byte(); 	// MSB

    if(TH > 7)
    {
        TH = ~TH;
        TL = ~TL;
        temp = 0;					//温度为负
    } else temp = 1;				//温度为正
    tem = TH; 					//获得高八位
    tem <<= 8;
    tem += TL;					//获得底八位
    tem = (float)tem * 0.625;		//转换
    if(temp)return tem; 		//返回温度值
    else return -tem;
}

void DisPlay_Temp(u16 x, u16 y, u8 size)
{
    short temperature; //保存温度
    temperature = DS18B20_Get_Temp();
    // printf("%d\r\n",temperature);


    //带小数部分
//		if(temperature<0)
//		{
//			temperature=-temperature;	//转为正数
//			sprintf((char*)Temp,"Temp:-%d.%dC",temperature/10,temperature%10);
//		}else sprintf((char*)Temp,"Temp:+%d.%dC",temperature/10,temperature%10);
//
    //无小数部分
//    	if(temperature<0)
//		{
//			temperature=-temperature;	//转为正数
//			sprintf((char*)Temp,"Temp:-%dC",temperature/10);
//		}else sprintf((char*)Temp,"Temp:+%dC",temperature/10);
//
    if(temperature < 0)
    {
        temperature = -temperature;	//转为正数
        sprintf((char*)Temp, ":-%dC", temperature / 10);
    } else sprintf((char*)Temp, ":%dC", temperature / 10);


    OLED_ShowCHinese(0, 0, 0);
    OLED_ShowCHinese(16, 0, 1);

    OLED_ShowString(x, y, Temp, size);	//显示温度

}

九、总结与展望

本文完成了一款基于STM32F103C8T6的智能灶台控制系统，实现了按键交互、倒计时定时、多档火力调节、烟雾/温度安全监测、电机模拟执行等功能。系统运行稳定，响应及时，验证了设计方案的可行性。

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