2.1 主电路
2.1.1 单片机最小系统
单片机最小系统由晶振电路、STM32F103芯片和复位电路组成。只要有这三者存在，单片机就可以正常的工作。[1]
单片机最小系统框图如图2.1所示。
图2.1 单片机最小系统框图
2.1.2 STM32F103单片机
STM32F103单片机是一款低功耗、高性能的微控制器，是STC公司早期生产用于工业控制的单片机。其作用是控制各种传感器和外设，自行计算处理得到的数据和信号，并进行相应的操作[2]，在工业生产中起到大脑的作用。
对于本次设计选择的是STM32F103C8T6单片机。此单片机和51系列相比多了很多功能，不但运行速度比51单片机要快很多，自带2个AD转换，方便我们在设计烟雾的时候免去了需要加外部ADC进行转换，非常方便；
STM32有着很强大的通信功能和控制功能。这一点是51单片机无法比拟的。因为51单片机只有1个串口进行通信，而32单片机具有5个串口进行通信，所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换，所以这一点被市场上广泛的运用，32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作，所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地。
STM32特点：
(1)STM32C8T6系列的起振晶部分采用了RTC，低负载的方式，而没有像传统的比较廉价的圆柱晶振。
(2)引脚个数为48个。
(3)工作频率为72MHZ。
(4)单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器。
(5)单片机具有2个2位/16通道的ADC模数转换。
(6)使用了3.3V稳压芯片，可以保证最大输出300MA电流。
(7)支持ST-LINK和JTAG调试下载。
(8)存储资源为64kb byte FLASH和20byte Sram。
STM32实物图如图2.2所示。
图2.2 STM32F103C8T6 实物图
(1)电源指示灯LED(PWR通常为红色):如果电源指示灯亮亮说明单片机正常运行，如果较暗或者闪烁，表示此单片机可能存在故障。
(2)用户LED(PC13):这个功能的使用大大的方便了我们进行一些比较简单的功能测试，如单片机的运行状态等，方便初学者进行更好的测试。
(3)单片机上采用了跳帽的方式，我们可以对stm32进行3种编程方式。如用户的SARM、闪存和系统的存储器。
(4)为单片机的复位电路。
(5)8M晶振：主要是用于设置单片机系统的频率为72MHZ。
(6)32.768KHz晶振：可供内置RTC使用，避免了需要专门的时钟芯片进行定时器处理等。
2.1.3 晶振电路
晶振电路也是我们常说的时钟电路，整个系统处理信号和其它各部分运行也是一个频率，晶振电路就是为它们提供一个稳定的振荡频率，使系统各部分保持同步。本设计主要是采用两个30μF的电容和一个12MHz的晶振组成。采用了外部时钟方式的配合方法，电容帮助晶振起振使电路可以正常工作。单片机的XTAL2和XTAL1两个接口分别于晶振上的两个引脚相连。
晶振电路原理图如图2.3所示。
图2.3 晶振电路原理图
2.1.4 复位电路
复位电路的用途：在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能[3]。原理图如图2.4所示。
图2.4 复位电路原理图
2.2 按键控制电路
在本设计中，一共有2个按键，起到调节上限值的作用，是系统可操作性的保证。作为输入端，按键的单片机控制引脚默认为高电平，当按键按下后，单片机的相关引脚则变成低电平，进而实现对系统的手动输入。按键的一段连接单片机的双向I/O口，另一端接地。当按键开关处于张开状态时，I/O引脚和地断开，此时该I/O引脚处于高电平状态[4]。当按下按键时，I/O引脚接地，此时高电平置低电平，并返回一个低电平信号给单片机。
按键开关检测的原理是高低电平检测。 按键切换难免会因其切换时间而导致错误，因此在编写按键函数时要另外去写一个去抖函数，以提高其准确性。 系统通过按键设置计算出的气体浓度报警上限值。按键1代表增，按键2代表减。图2.5为按键控制电路原理图。
图2.5 按键控制电路原理图
2.3 报警电路
设计报警模块是为了通过蜂鸣器来触发警报，当烟雾传感器检测到的烟雾浓度超过设定烟雾报警上限值时，STM32F103单片机控制三极管驱动蜂鸣器进行蜂鸣，起到报警的作用。
蜂鸣器的一端连着三极管的e引脚，另一端接地，蜂鸣器电路如图2.6所示。三极管使用三极管PNP，起到放大电流和电平特性的功能，因为单个电路中的电路太小，无法提供足够多的触发信号所需的电流，三极管放大电流以后，电流被放大了200倍，足够触发信号，蜂鸣器报警。[15]同时三极管的上拉电阻起到限流的作用，防止电流过大从而击穿蜂鸣器。
图2.6 蜂鸣器电路原理图
2.4 LCD1602液晶显示电路
本次设计采用LCD1602液晶显示器作为输出显示器。LCD1602的作用是显示文本，本设计需要有两行文本显示，并且不需要彩色。第一行显示当前检测的气体浓度，第二行显示设定气体浓度的阈值。使用LCD1602可以满足本计的全部需求。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电。它需要5V的电压来进行工作，通过改变电压达到控制区域显示，通过单片机输出的数字信号在显示屏上显示出我想要的字符。显示屏具有2行输出，每行16个字符，能够同时显示16×2即32个字符。图2.7是LCD1602液晶屏的引脚图，从图中可以看出，引脚1是电源接地引脚，和单片机的GND联通。引脚2是VCC电源输入引脚，其工作电压为5V。引脚3—VO引脚可以调节显示屏的显示亮度，引脚4—RS引脚用于寄存器的选择，高电平时作为数据寄存器，低电平时作为指令寄存器，引脚5是RW读写信号，用于数据的读写。引脚6—EN引脚为使能端，高电平读取信息，低电平执行指令。引脚7~14是8位双向数据段口，引脚15和引脚16是背景灯的电源引脚。在和单片机进行通信时，和P0口进行连接，中间要有上拉电阻进行连接。[23]本次设计LCD1602液晶显示屏上展示检测到的气体浓度值，并展示气体浓度上限值的设置过程。其引脚连接图如图2.7所示。
图2.7 LCD1602液晶显示电路图
2.5 ESP8266模块电路
这部分无线通信使用ESP8266无线串行模块作为数据传输模块。ESP8266是一个非常强大的UART WiFi数据传输模块，耗电量非常低，价格非常低，体积非常小，允许嵌入任何具有强大的LWIP控制系统的产品，支持三个AP、STA、AP+STA模型，和简洁而有效的AT指令。ESP8266的工作电压为3.3V，而单片机的工作电压为5V，足够达到其工作电压的要求，还具有价格便宜、体积小的优点。在本次设计中用于单片机和手机之间的无线通信，通过WIFI模块，单片机将气体浓度值发送给手机端，最后显示在APP上。图2.8是ESP8266模块电路图，从图2.8中可以看出，1号引脚连接单片机的A10引脚，5号引脚连接单片机的A9引脚，而2号、4号和8号引脚接地。
图2.8 ESP8266模块电路
2.6 传感器模块电路
烟雾探测器用于探测场所内的烟雾浓度，也可用于报警，烟雾报警器采用的是离子式烟雾探测器。它广泛应用于各种信号系统。离子烟雾传感器是稳定可靠的，技术先进的传感器，比气敏电阻类传感器性能更佳。[8]
烟雾传感器是用来检测当前位置的烟雾浓度，以达到防灾的目的，烟雾传感器的内部采用的是离子式的烟雾感应，在各种报警系统中都得到了广泛的应用。离子烟雾传感器具有稳定可靠的优点，传感器技术先进，气敏电阻式报警器的性能远不如离子烟雾传感器好。
石油化工厂中排放出的危险气体是本系统所针对的目标，这些气体中绝大多数含有甲烷，所以选择MQ-4传感器，其对甲烷具有很高的灵敏度。以下是该传感器特性：
（1）输入电压范围： 5±0.2V DC；
（2）检测浓度：300~10000ppm（甲烷）；
（3）电流消耗：150mA；
（4）使用寿命：5年；
（5）工作温度：-10~50℃；
（6）存储温度：-20~70℃。
（7）尺寸大小：32mm×20mm×22mm。
气敏式烟雾传感器的工作原理：使用空气中电导率较低的二氧化锡，当传感器所在的环境中存在被测的甲烷气体时，传感器的电导率和气体浓度成线性化比，通过数模转换模块，就可以将信号量转换成数字量，从而输出给单片机，最终在LCD1602液晶显示屏上显示出来。其电路原理图如图2.9所示。
图2.9 传感器的电路原理图