基于單片機的抽油煙機控制及凈化系統設計.doc

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本科畢業(yè)設計（論文） 基于單片機的抽油煙機控制及凈化系統設計 學 院 電子信息工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 年級班別 2011級2班 學 號 2011401020213 學生姓名 楊 能 指導教師 劉 鵬 2016年 3 月 26 日 目 錄 1 前言.....................................................................1 1.1 本課題研究背景和意義.................................................1 1.2 本課題研究任務.......................................................3 2 系統總體設計方案.........................................................4 2.1 本課題設計思路.......................................................4 2.2 系統各模塊方案選擇和論證.............................................6 2.2.1 溫度檢測模塊方案論證............................................6 2.2.2 氣體檢測模塊方案論證............................................6 2.2.3 油煙凈化模塊方案論證............................................7 2.2.4 顯示模塊方案論證................................................9 3 系統硬件電路設計........................................................10 3.1 單片機最小系統設計..................................................10 3.2 電源電路設計........................................................10 3.3 油煙溫度檢測電路設計................................................11 3.4 油煙和煤氣濃度檢測電路設計..........................................12 3.5 顯示、按鍵和報警電路設計............................................13 4 系統軟件設計............................................................16 4.1 軟件設計思想........................................................16 4.2 油煙溫度檢測程序設計................................................17 4.3 油煙和煤氣濃度檢測程序設計..........................................19 4.4 顯示、按鍵和報警程序設計............................................20 5 系統調試................................................................23 5.1 硬件調試............................................................23 5.2 軟件調試............................................................23 參考文獻..................................................................24 附錄......................................................................25 基于單片機的抽油煙機控制及凈化系統設計 摘 要 中國目前大多數家庭安裝的抽油煙機只能手動操作，抽油煙效果也并不是特別好，這與它們的外形設計和內部構造都有一定關系，而且它們大多數是直接將油煙排到室外，不僅污染環(huán)境，一段時間后還會使附近的墻壁等覆蓋上一層厚厚的油煙。本設計對于溫度高、污染大的油煙使用DS18B20數字溫度傳感器檢測，對于溫度低、危險系數大的天然氣使用氣敏傳感器檢測。當廚房里的油煙或者可燃氣體濃度達到設定值時，傳感器將檢測到的信號送入單片機，單片機經分析后使相關程序運行，從而使電機啟動開始抽油煙并同時發(fā)出聲音報警。它還具有定時的功能，能夠設置抽油煙機的工作時間長度。本設計的硬件部分主要包括抽油煙機的按鍵電路模塊、溫度檢測模塊、濃度檢測模塊、顯示電路模塊、聲音報警模塊等，系統軟件部分對各模塊的流程進行了仔細分析，包括控制主程序、油煙溫度檢測子程序、油煙和煤氣濃度檢測子程序、顯示子程序、中斷按鍵掃描子程序、中斷報警服務子程序，通過這些程序便可實現抽油煙機的智能化控制。本設計還設置了油煙凈化系統，實現了環(huán)保的功能。本設計主要依靠單片機進行控制，并由軟件方面的設計來實現抽油煙機開關的自動控制，它與普通抽油煙機相比，具有靈活性較好，功耗低，易于操作等優(yōu)點。它的凈化系統采用的是旋流式油煙凈化設備，油煙凈化效果更好。 【關鍵詞】單片機 傳感器 抽油煙機 檢測 自動控制 油煙凈化 Microcontroller-Based Control And Purification System Design Hoods Abstract The design for high temperature, high polluting fumes using DS18B20 digital temperature sensor, the temperature is low, the risk coefficient large gas sensor to detect the use of natural gas. Signal when the kitchen fumes or combustible gas concentration reaches the set value, the sensor will detect into the microcontroller, the microcontroller was analyzed after making procedures run, so that the motor start and began to smoke fumes and simultaneously sound the alarm. The design also has a timer function, you can set the length of working time hood. The hardware design includes hoods key circuit module, the temperature detection module, a concentration detection module, a display module circuit, sound alarm module execution circuit module, system software part of the process of the modules were carefully analyzed, including main control, display routines, key scan interrupt routine, the interrupt service routine alarm, these programs can be realized through intelligent control hood. This design also set up a fume purification system, the function of environmental protection. This design relies on MCU control by software designed to achieve automatic control switch hoods, which compared with the normal range hoods, has good flexibility, low power consumption, easy operation. The design of the purification system uses a swirling fume purification equipment, fume purification better results. 【Key words】Microcontroller Sensor Range hood Detection Automatic control Fume purification 1 前言 1.1 本課題研究背景和意義 我國抽油煙機的發(fā)展史沿革在20世紀70年代末期，當時我國在五金行業(yè)內的科技信息工作人員依據掌握的國外方面的信息就大膽提出了在我國開發(fā)抽油煙機的想法。由于當時各個方面條件的限制，在國內還沒有任何一家公司開發(fā)這種產品。當到了1987年7月，那個時候的上海桅燈廠把我國臺灣地區(qū)所生產的抽油煙機作為樣品，經過拆卸分解，測繪仿制成了中國大陸地區(qū)的第一臺抽油煙機。從那以后抽油煙機在中國大陸開始迅速發(fā)展。 《中國抽油煙機行業(yè)現狀的研究分析及市場前景的預測報告（2016年）》是抽油煙機行業(yè)內企業(yè)、投資公司及相關政府部門精準把握抽油煙機行業(yè)發(fā)展趨勢，清楚了解抽油煙機行業(yè)競爭格局、設法避免經營和投資的風險、制定良性競爭和投資戰(zhàn)略決策的重要依據之一，具有很重要的參考價值?？紤]到當前抽油煙機行業(yè)發(fā)展中面臨的威脅和機遇，它提出了抽油煙機行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和投資方面的建議。并以嚴密的內容、具體的分析、十分可靠的數據、直觀形象的圖表等，幫助抽油煙機行業(yè)中的企業(yè)確切的掌握握了行業(yè)發(fā)展方向、正確制定出企業(yè)競爭戰(zhàn)略和投資策略。 《2015-2020年中國抽油煙機市場的前景研究與投資前景報告》目的是為項目投資人員或者企業(yè)管理人員提供關于抽油煙機產品的項目投資和其市場前景的深度分析，從而給投資人員及企業(yè)管理人員傳達正確的投資經營方面的理念和選擇，擬出一個中立、全面的投資方面的指導手冊，給抽油煙機產品市場的投資提供一個參考標準。該報告詳細陳述了抽油煙機產品的行業(yè)大概情況、市場目前發(fā)展現狀和抽油煙機未來5年的市場供需和發(fā)展趨勢預測，并且該報告在研究抽油煙機的市場競爭、原始材料、客戶需求的基礎之上，不僅對抽油煙機行業(yè)投資的前景方面和投資價值方面進行了研究，而且提出了大家對抽油煙機產品投資方面的建議。 在美國西雅圖隆召開的第74屆國際電工委員會組織(IEC)年會和部分技術委員會組織(TC)、分技術委員會組織(SC)及工作組(WG)會議聲明日前，國內最大的家用電器市場調研組織中怡康時代公司(CMM)公布2010年度1-11月份中國抽油煙機行業(yè)相關監(jiān)控數據和發(fā)展趨勢分析，該數據顯示中國抽油煙機行業(yè)已邁入品牌競爭階段，品牌集中度逐年提升。根據中怡康數據顯示，2010年1-11月份各品牌油煙機零售額占有率累計中，方太以15.79%位居第一，其次依次是老板14.89%、華帝8.68%、西門子7.69%、帥康7.67%。位居前三強的方太、老板、華帝，一共劃走了油煙機39.36%的零售額市場份額。前十強零售額占有率則達到74.32%。 據國內外專家研究：廚房的油煙中具有一種被叫做苯并芘的致癌物質，它能夠導致體內細胞的染色體發(fā)生變異，引起局部組織發(fā)生癌變。國際品牌的抽油煙機在中國銷售的并不多，主要有意大利的阿里斯頓、華倫帝、家寶、法貝、艾麗卡、白朗、帝斯等。目前國內暢銷品牌格林格抽油煙機的油煙分離板方面的設計就是依照阿里斯頓XH90抽油煙機及法貝MODULO蒙特洛系列抽油煙機設計出來的．對于歐式抽油煙機而言主要強調電機功率適宜、雙渦輪、小集煙倉和無集煙倉、許多層致密網板相互疊加。中式抽油煙機抽排煙果很好，可是油煙不易分離，對周圍環(huán)境會造成一定的污染，歐式抽油煙機追求油煙分離、噪聲低、環(huán)保節(jié)能，可是其抽油煙效果比較差。薄型由于技術方面不過關基本已經被市場淘汰，深抽型占領市場已有很長時間，歐式抽油煙機的發(fā)展空間相對較大。但歐式抽油煙機和中式抽油煙機相比，并沒有什么很特別的技術含量，產品的技術門檻并不高。 在大多的時候，油煙中含有在烹飪過程中所生成的如燃料廢氣(如一氧化碳、二氧化碳、氮化物和硫化物等)、燃料小顆粒物(如碳粒、灰塵等)、油蒸氣和水蒸氣等，成份比較復雜。總之，油煙是一種包含有氣、固、液三種形態(tài)物質的氣體狀流體。對于治理家庭油煙污染所使用的凈化技術一般是分離法。分離法主要包括機械式凈化法、濕式凈化法和靜電式凈化法以及復合式凈化法等方法。機械式凈化法是指通過過濾、慣性碰撞、吸附或運用其他機械分離原理除去油煙的凈化方法。濕式凈化法是指利用水膜、噴霧、沖擊等液體具有吸收煙氣的原理除去油煙的凈化方法。靜電式凈化方法是指用靜電原理除去油煙的凈化方法。現在市場上已經有等離子體凈化油煙的設備開始投入使用，這項技術目前在國內算是十分先進的油煙凈化技術了。它的原理主要是在使用高壓靜電法時，同時在靜電場的前面設置等離子場，通過利用強大能量刺激所產生的許多活性自由基來對油霧微粒進行降解．使油霧微粒粘度下降，這樣有利于極板收集的油污可以在最大程度上沉降到集油槽中。與此同時，在產生等離子體的期間高頻放電釋放的瞬時強大能量，可以打開其中一些有害氣體分子化學鍵，進而使這些氣體分子分解為單質原于或者無害分子。等離子體凈化法對油煙的除去效果很明顯，凈化后的氣體也沒有什么異味。 現在用于居民廚房的抽油煙機主要是通過葉輪的轉動，在產生簡單的慣性分離的時候，同時產生氣力輸送，再經過過濾來達到對油煙凈化的目的。這種抽油煙機一般存在4方面的問題：第一由于片面注重美觀把機型設計為扁方淺型，因此與空氣動力學原理相悖，使其無法形成絕佳的負壓區(qū)，油煙排除效果不佳，從而造成廚房內油煙濃度仍然很大；第二葉輪轉動所產生的慣性分離，效果不是很好，主要原因是葉輪轉動產生的流場還沒有轉變成旋流場，油煙在此期間停留的時間太少，沒有足夠的時間來沉降分離；第三是過濾介質極易被堵，因為油煙具有很強的粘附特性；第四過濾介質被污染后不可以再利用，新的污染就產生了；抽油煙機在使用過程中，葉輪肯定會與油煙接觸，使用久了后葉輪上會滿是煙油，很難清洗。所以這種抽油煙機在用一段時間后便會出現除去和凈化油煙的效果都變差了，廚房甚至廚房附近的家具都鋪滿一層漆黑的油垢。表 1.1是各種油煙凈化處理技術性能方面的比較。 表1.1 各種油煙處理技術性能比較 油煙處理技術 油煙除去率(%) 壓力降(Pa) 投資費用 運行費用 過濾法 75～80 100～500 大 較大 靜電法 75～80 100～300 較大 耗電費大 運水煙罩 75～85 200～300 大 較大 活性碳吸附法 75～80 100～500 大 較大 蜂窩式凈化法 變化大 200～300 小 大 由于目前國內廚房油煙凈化的研究還處于起步階段，人們對油煙危害認識不足以及對其處理方法缺乏重視，我國餐飲企業(yè)和家庭廚房對油煙凈化的效率都遠遠達不到要求。因此，分析油煙的污染狀況，提出油煙治理新技術，已經刻不容緩。 廚房在家庭中是空氣污染特別嚴重的地方，其污染源頭主要有兩大方面；一方面是家里燃燒煤炭、煤氣、液化石油氣等氣體產生的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等有毒有害氣體；另一方面是炒菜時產生的油煙?，F在很多廚房裝修采用的是開放式設計，可是在做中餐的時候會產生大量油煙，因為是開放式的廚房，所以油煙很容易流通到家里其他地方，如果油煙不能很好的排除，就會使家里到處充滿油煙的污染。 油煙不僅危害環(huán)境，而且危害人體健康。中餐向來以美味享譽于世界，但是廚房油煙成分很復雜----含有200~300種有毒有害物質，是每個家庭健康的"大敵"。中國婦女一般都很少酗酒、吸煙，但她們中很多人極易衰老，這是為什么呢？研究人員發(fā)現，這和她們每天在家里做飯時會吸入大量油煙有很大關系。研究人員通過動物做實驗，發(fā)現油煙中含有可以導致癌癥的物質，這種物質能使細胞發(fā)生畸變。這些物質若被吸入肺部，會引起眾多疾病。但中國一般都是婦女在廚房做飯，難以避免會成為油煙污染最大的受害者。 對家庭：油煙被吸入呼吸管道，會引起食欲不振、心情煩躁、精神頹廢等癥狀；醫(yī)學上叫做"油煙綜合癥"。油煙主要成分是丙烯醛，它對眼、鼻、咽喉黏膜等有強烈的刺激，很可能會引起慢性角膜炎、鼻子發(fā)炎、咽喉發(fā)炎、氣管炎等疾病，除此之外油煙中有74種化學成分，能使細胞發(fā)生病變，甚者導致不育。油煙使廚房感覺很臟的同時也給清潔廚房帶來了很大的負擔，所以最好的解決辦法就是將油煙去除。 對婦女:煙霧含有致癌物質,長期吸入的煙霧從一個組織病變,長期接觸氣體的比例40到60歲的女性的患病率會增加。粗糙的皮膚皺紋、脫發(fā)、色素、脂肪煤煙顆粒堵塞皮膚毛孔,導致女性皮膚干燥、粗糙、皺紋、色素沉著,使更多的脂肪,吸煙會損害免疫系統,和五年的烹飪經驗,會有不同程度的脫發(fā)。 對孩子：若一定量的油煙進入孩子鼻子、眼睛和肺部等，容易引起相關部位疾病的產生，如：鼻炎、咽炎、肺炎等，對孩子的健康造成十分嚴重的危害。 對年老者：由于老年人年老體衰，抵抗力比較差，特別容易受外部環(huán)境的影響，所以油煙污染容易使老年人得一些老年疾病。從而嚴重威脅到老年人的健康和壽命。 綜上所述，我們只有將油煙排除才能排除它對人體健康的威脅，同時需要將排出的油煙進行凈化，才能做到不污染環(huán)境，這樣才能做到全面協調可持續(xù)發(fā)展。而對于中國人制作中餐來說，烹飪產生的油煙尤其多，那么廚房抽油煙和凈化油煙顯得十分重要。所以抽油煙機就成了改變廚房環(huán)境的一個“有力武器”。它改變了廚房的大環(huán)境，減少油煙對廚房環(huán)境和人體健康造成傷害。 基于單片機的抽油煙機控制及凈化系統設計不僅實現了抽油煙和凈化油煙，還實現了智能化抽油煙，本設計同時設有手動開關，在手動運行下，其功能和普通油煙機一樣，可人為的要求開啟或關閉，但當煤氣泄漏時，不論在自動還是手動運行情況下，抽油煙機會立即啟動，并伴隨聲音報警。所以我們不僅不用擔心時間長了油煙排不出去然后沾附到了墻上的問題，也不用擔心家里煤氣泄漏導致意外發(fā)生。 1.2 本課題研究任務 本設計采用單片機對油煙濃度的檢測，并對測試油煙環(huán)境的溫度進行檢測，判斷油煙環(huán)境溫度是否達到危險溫度，如達到危險溫度即發(fā)出報警，并顯示出來。單片機通過對檢測信號的實時采集，對溫度高、污染大的煙氣采用數字溫度傳感器檢測，而溫度低但危險較大的天然氣采用氣敏傳感器檢測。該系統可以根據油煙的濃度啟動電機，單片機根據油煙氣敏傳感器檢測到的信號控制電機的轉速，當油煙的濃度小于設定值時，油煙機會自動關閉，轉速的可調，經濟環(huán)保，避免了能源的浪費；當廚房的油煙或可燃有害氣體達到一定濃度值時，經傳感器進入單片機分析，使電機電路自動啟動并發(fā)出聲音報警，抽油機迅速將有害氣體抽走，當油煙的溫度高于某一設定值時，迅速啟動電機電路，抽走油煙，達到凈化環(huán)境的效果。 2 系統總體設計方案 2.1 本課題設計思路 根據目前抽油煙機所存在的一些問題和油煙對大自然環(huán)境所造成的傷害程度，以及根據抽油煙機凈化技術方面研究的現狀和函待解決的問題。以國內外研究資料作參考文獻，通過大量收集以單片機為核心模塊方面的資料和仔細分析現代油煙凈化設備的特性和原理，并基于該系統應用和控制方面的要求來完成系統總體方案的制定。通過研究并比較相關元器件的所能實現的功能和特點來選擇出最適用的元器件。在系統硬件設計方面主要由單片機最小的系統、油煙溫度的檢測電路、油煙和煤氣濃度的檢測電路、顯示電路、聲音報警電路、自動照明電路、油煙凈化系統等；在系統軟件設計方面，運用最普遍的C語言進行編程，通過Keil軟件進行程序的編寫和不斷調試，再將調試好的程序通過燒錄軟件燒錄入單片機，在仿真方面都是通過Proteus仿真軟件繪制。以下是抽油煙機的三種方案設計與比較。 方案一：給出一個分立元件的抽油煙機的電路 基于分立元件的抽油煙機的控制系統部分主要是由控制電路模塊、鍵盤電路模塊、指示燈電路模塊和電機驅動電路模塊組成。它的原理框圖如下圖2.1所示。 圖2.1 基于分立元件抽油煙機的原理方框圖 方案二：基于AT89S51微處理器的抽油煙機的控制電路 該系統主要分為檢測和控制兩個部分，檢測部分包括鍵盤輸入電路模塊、煙霧檢測電路模塊、煤氣檢測電路模塊三個部分，該系統的控制部分主要包括單片機AT89S51、按鍵電路模塊、聲音報警電路模塊、定時顯示電路模塊四個部分組成，自動照明電路只有在抽油煙機開始工作時才有用。如下圖2.2所示。 圖2.2 基于AT89S51微處理器的系統原理圖 單片機通過對檢測信號的采集，對于污染大且溫度較高的油煙使用熱敏性傳感器來檢測，對于危險系數大且溫度低的燃氣將使用氣敏性傳感器來檢測。如果廚房里的油煙或者有害氣體的濃度達到一定值時，這時傳感器會將采集到的信號送入單片機，單片機經分析后會使控制電機啟動的電路和聲音報警電路同時啟動，有害氣體會被抽油煙機馬上抽走，從而確保廚房的環(huán)境安全。該設計設置有定時的功能，可以設置抽油煙機的工作時間長度，從而實現智能抽油煙的功能。該設計還設置有手動開關，當處于手動狀態(tài)下時，它的功能跟普通抽油煙機沒什么不一樣，能夠人為的開關，但是一旦發(fā)生煤氣泄漏事故，不管是在手動還是自動運行狀態(tài)下，電機都會馬上啟動，開始迅速抽油煙，同時伴隨著聲音報警，但是其穩(wěn)定性無法得到保證。 方案三：基于AT89S52微處理器的抽油煙機的控制電路 該系統劃分為檢測部分和控制部分（圖2.3），檢測部分由鍵盤輸入，煙霧探測，氣體檢測三部分組成，單片機控制電路分為AT89S52單片機，抽油煙機開關電路，聲音報警，顯示電路和油煙凈化系統五個部份，其中當抽油煙機開始工作時自動照明電路是有效的，以確保微控制器的正常操作，在本論文中還把看門狗的設計加入其中，從而使單片機正常運行得到一定保證，并且它可以隨時監(jiān)測電源是否穩(wěn)定和程序是否在正常的執(zhí)行。 圖2.3 基于AT89S52微處理器的系統原理圖 該系統中對油煙濃度的檢測使用方法是讓模數轉換芯片和單片機技術相結合，對于油煙溫度檢測模塊我們采用溫度傳感器檢測，溫度傳感器感知油煙環(huán)境狀況下的溫度，并通過采集信號判斷環(huán)境溫度是否達到所設定的危險溫度，如果達到就會發(fā)出聲音報警，同時啟動抽油機將油煙抽走，使廚房保持空氣清新，也避免了不必要的危險發(fā)生，并將環(huán)境的溫度顯示出來。對于油煙煤氣濃度檢測模塊我們采用氣敏性傳感器，這個系統可以根據檢測到油煙煤氣濃度來對抽油煙機電機進行啟動和停止，當油煙和煤氣濃度超過某一設定值時，抽油煙機會自己開始工作，當其濃度低于該設定值時，抽油煙機會自動停止工作。并且電機轉動速度是可以調節(jié)的，單片機根據檢測到的信號進行分析，在油煙和煤氣超過使電機啟動時的濃度時，濃度越高電機轉速越快，但當其濃度越來越高，超過設定最高值時，當然超過這個值后很可能會慢慢對人體造成傷害，所以這個時候單片機根據檢測到的信號分析判斷，一邊使電機以最快的速度工作將油煙和煤氣迅速抽走，一邊啟動報警電路，對在場人員發(fā)出警告，并啟示我們迅速采取措施。本設計還通過看門狗實現了定時的作用，可以通過人為設置抽油煙的時間，從而達到抽油煙智能化的目的。這個設計不僅可以智能化抽油煙，而且可以通過手動開關人為操作控制抽油煙，這個時候它和普通的抽油煙機沒什么區(qū)別，普通抽油煙機的使用方法同樣適用于它。但不管是在通過單片機實現智能化操作情況下，還是人為運作下，當出現煤氣泄漏的情況時，抽油煙機都會自己啟動工作，并同時使報警電路啟動，從而實現防止因煤氣泄漏而造成的中毒事件發(fā)生。在保證室內環(huán)境和安全的情況下，本設計同時也保證了室外大自然的環(huán)境，因為在抽油煙機工作時，所抽出的有害油煙和氣體都會進入到本設計油煙凈化系統，從凈化系統出來的氣體都會達到基本正常標準，從而達到環(huán)保的目的，實現人與大自然和諧相處。 在系統的設計過程中，最終方案的選擇必定要與實際情況聯系在一起，從多方面考慮該設計的可行性，我們不能僅僅考慮設計的先進性，再先進的設計如果無法與現實接軌，那也是一個失敗的設計，所以我們要綜合考慮，尋找相對最佳的答案。 基于分立元件的抽油煙機通過純粹的硬件實現系統的控制，所以電路結構十分復雜，將會使用到很多集成IC，不僅功能實現起來非常麻煩，而且其電路的穩(wěn)定性也不太好。 基于AT89S51微處理器的抽油煙機所采用的控制方式是硬件和軟件相結合的方式，電路比較簡單，所用到的集成IC也會相對較少，功能比較完善，穩(wěn)定性也較高。 基于AT89S52微處理器的抽油煙機具備上述方案二的所有優(yōu)點，它所采用的控制芯片AT89S52是AT89S51的增強型，該單片機計算功能很強，程序編程也十分自由，靈活性好，所以能夠通過編寫程序代碼實現各種功能控制和算法。該單片機在大多領域都應用十分寬廣，因為它具有消耗功率小、節(jié)省空間、技術穩(wěn)定和劃算等優(yōu)勢。該設計通過溫度傳感器和氣敏性傳感器來檢測溫度和煙霧濃度，傳感器將檢測的信號變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘?，最后通過A/D轉換變?yōu)閿底中盘杺飨氯ザ以撛O計添加了油煙凈化系統，符合生態(tài)文明理念。 經過上述的方案比較和綜合各方面因素考慮后，本設計最后采用方案三。 2.2 系統各模塊方案選擇和論證 2.2.1 溫度檢測模塊方案論證 方案一：使用DS18B20數字溫度傳感器，信息從單線接口輸入DS18B20或者從DS18B20輸出，所以從控制核心AT89S52單片機到溫度傳感器DS18B20只需要連接一條線。讀寫與完成溫度轉換的電源能夠由數據線自身提供，所以可以不用外部電源。電路十分簡單，所需成本比較低，精度也很高，但編程相對復雜一點，轉換速度也不是很快。 方案二：使用AD590溫度傳感器，它是電流輸出型的兩端溫度傳感器。該傳感器是根據PN結構正向電流和溫度的關系制作而成，能夠把溫度轉化為電流信號，電流大小隨著熱力學溫度升高而增大，經過A/D轉換器后將信號傳送入單片機，單片機經分析后讀出。AD590溫度傳感器的優(yōu)點是轉換速度快，精度很高，編程也簡單，其缺點是必須與高精度的模數轉換器配合使用，而且校準十分麻煩，成本較高，電路也比較復雜。在監(jiān)測點較多且監(jiān)測點間距離超過10米的情況下，使用AD590溫度傳感器更加簡便。 方案三：使用Pt100鉑熱電阻測溫。鉑電阻溫度傳感器是利用電阻和溫度成一定函數關系而制成的溫度傳感器，測溫電路有橋式測溫電路和恒流源式測溫電路，橋式測溫電路利用電橋平衡原理輸出一個mV級的電壓差信號，經過運算放大器的放大后送入ADC轉換電路；恒流源測溫電路則需要提供一個1mA左右的穩(wěn)定電流，其原理和橋式測溫電路基本相同，都要采集鉑熱電阻兩端的電壓差信號。測溫范圍可在-200℃～650℃之間變化，測量精度在0.05℃～0.5℃之間變化。受Pt100鉑熱電阻本身非線性度的限制，它對硬件和軟件設計的要求就非常高，在一定程度上增加了設計的難度，在精度要求不高的場合很少用這種模擬溫度傳感器。 綜合上述方案比較和結合實際中各方面因素的考慮，我們選擇方案一。 2.2.2 氣體檢測模塊方案論證 方案一：采用NIS-09離子傳感器，其內部使用了極其少量的放射性物質镅241。但由于該傳感器自身被金屬制成的電極所包圍,所以不會將放射能泄漏到外界。NIS-09離子傳感器適用于各種對靈敏度要求較高的煙霧探測器和火災報警器等，其工作最大電壓為24V,主要會在報警系統中使用。 方案二：采用MQ-2煙霧傳感器，它的電阻值會隨著氣體的種類和濃度變化而發(fā)生變化，適用于液化石油氣、甲烷、丙烷、丁烷、氫氣、酒精和煙霧等的探測。MQ-2具有價格低廉，壽命長，使用既容易又方便，而且易于買到手等許多優(yōu)點，把相關電路焊接好便可進行油煙和煤氣濃度的檢測，輸出的模擬信號電壓為0-5伏。氣敏性傳感器將檢測的信號變換為電信號。再通過模數轉換模塊將信號變?yōu)閿底中盘栞敵?，這樣使單片機更加易于控制該系統。 方案三：采用MQ-5可燃氣體傳感器，它對可燃氣體濃度具有廣闊的探測范圍，具有高靈敏度、壽命長、低成本和快速響應恢復的特性，能夠用于家庭以及工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置方面， 適用于液化石油氣、甲烷、丙烷、丁烷、人工煤氣等的探測。當該傳感器處于有可燃氣體存在的環(huán)境中，它的電導率與可燃氣體濃度成正比變化，只需要一個設計一個簡單的電路便可將電導率變化轉化為和氣體濃度變化對應的輸出信號。 綜合上述方案比較和結合實際中各方面因素的考慮，我們可選擇方案二或者方案三，本設計采用方案二。 2.2.3 油煙凈化模塊方案論證 方案一：采用慣性分離法，它是通過使流動方向發(fā)生改變而使油煙中的油滴排煙管發(fā)生慣性碰撞，從而使油滴從氣體中被分離出去。這種方法具有操作維護簡便，設備簡單，耗能低等優(yōu)點，但是它的凈化效率低，適用于對凈化效率要求不高的場合，一般會與其他方法結合使用。 方案二：采用過濾法，它的原理是當油煙氣流經過過濾層時，油煙顆粒會被過濾出來。一般的過濾法具有投資較少，機構和流程比較簡單，工作狀態(tài)下穩(wěn)定可靠；它的缺點是當使用一段時間后，過濾效果會變差很多，因為油煙顆粒粘性很強，極易阻塞，過濾層會越來越臟，不易清洗，過濾層中濾網是不能夠重復使用的，所以定期更換濾網大大增加了運行成本，使用過的濾網還有可能帶來二次污染。 方案三：采用靜電法，它是利用帶電粒子同極性相排斥，異極性相吸引的原理，利用陰極在高壓電場區(qū)中發(fā)射電子，通過電場使油煙顆粒帶上電荷，在電場力作用下，這些帶電油煙顆粒會聚集到陽極電極。這種設備的關鍵技術是在電源方面，兩極板間距離和電壓都對凈化效率有影響。該方法的優(yōu)點是凈化效率高，不會占太多面積，耗能低，但是造價很高，還不能夠除去氣態(tài)的污染物，集油板不易清洗，維護工作量很大。 方案四：采用濕式處理法，它的原理是使油煙通過吸收液，從而使污染物從氣相轉換為液相。如果僅僅用水噴淋，效果不太明顯，所以需要向水中投入一些化學試劑，使污染物從氣相變?yōu)橐合唷Ｔ摲椒ǖ膬?yōu)點是凈化效果較好，特別是對氣態(tài)污染物，且易于維護，占地面積相對不大，但是其投資高，阻力大，能耗高，對于洗手液的處理很可能造成二次污染。 方案五：采用旋流式凈化法，與其它的油煙凈化設備相比較，旋流式油煙凈化設備改進最大的地方就是使用了旋流器，它能夠產生高速旋流，利用流體動力學原理，讓油煙、廢氣、異味吸排更加徹底，凈化效率也大大提高了，旋流器作為一種分離設備，由于它有結構比較簡單，安裝十分方便，設備制造成本較低，運行穩(wěn)定可靠，又易于清洗，容易實現自動控制，在安裝方面也十分節(jié)省空間，不存在有碰頭或者滴油的擔心等諸多優(yōu)點，在化工、采礦、環(huán)保、能源等很多工業(yè)領域被廣泛應用。 綜合上述方案比較和結合實際中各方面因素的考慮，本設計采用方案五。 油煙凈化系統主要由四部分組成，分別是風機和風量調節(jié)閥、油煙凈化設備、油煙初級發(fā)生器。電氣控制裝置可以通過采集從檢測裝置和油煙凈化設備中獲得的信號，從而實現對風機的操作和控制。我們設置采樣點完全是出于系統的需要，油煙凈化系統的主要目的就是凈化油煙，所以它的最重要的裝置就是它的油煙凈化設備，目前的油煙凈化設備只能是減少油煙中的有害成分，并不能完全凈化油煙，但是經過凈化設備排出的油煙已經對環(huán)境危害很小了，從而達到凈化的目的，由于目前的技術問題，我們還不能將油煙完全凈化，所以對于油煙凈化設備進一步的研究并加以改進也是十分必要的。為了達到減少對空氣所造成的污染，實現凈化油煙的目的，我們通?？梢酝ㄟ^控制風機來調節(jié)油煙的排出流量。如下圖所示是油煙凈化系統的原理圖。 圖2.4 油煙凈化系統的原理圖 檢測裝置主要是通過對油煙壓力和流量的檢測并經過判斷分析，從而控制風機來調節(jié)油煙排出的流量大小來達到凈化目的。如果油煙流速太慢的話，那么油煙排出很可能會不通暢；如果油煙流速太快的話，那么油煙管道阻力又會過大，從而會使系統的噪音和能量消耗過高。所以油煙流速最好讓它在一定范圍內，這樣凈化效果相對會更好一些。當然油煙壓力也是我們必須考慮的一個關鍵因素，一般情況下，油煙進入的地方要呈現一定負壓，根據大氣壓強原理會使油煙交易進入凈化設備；所以同樣道理為了使油煙更好的排出，我們必須讓油煙出口的地方呈現一定正壓。 我們對于油煙壓力的檢測通常是通過壓力傳感器來實現的，壓力傳感器在采樣點處將所感知的壓力信號轉化為電信號，但電信號十分微弱，所以需要接入一個放大電路后再轉換成模擬電壓輸出，并且同時將信號傳導電氣控制裝置。在工程上我們通常是通過流速計和流量計來檢測和顯示對應的流速和流量，同時將檢測的信號傳給電氣控制裝置。在餐飲方面的凈化設備涉及到通風機和前端凈化器的兩個電機的控制，我們通常是操作繼電器和變頻器來調節(jié)電機轉速，從而達到減小噪聲和省電的效果，并且是凈化系統效果處在一個相對比較好狀態(tài)。 通過多方面優(yōu)缺點的比較，我們采用旋流式油煙凈化設備。它的原理是當油煙進入旋風筒，在筒內部劇烈旋轉，含油煙的氣體慢慢順著筒內壁呈螺旋運動下降，由于離心力作用使油霧被分離出筒內表面，最后油霧凝聚在一起形成大油滴，又由于重力作用使其沉降于底部，從而當達到一定量就排放。油煙中的油具有很強的粘連性，所以當離心作用時氣體中油滴很容易吸附在內壁上，這樣使凈化的功效就更加明顯了。這種方法凈化率可達到百分之九十，經凈化后的油煙氣體直接排到大氣中。旋流凈化設備的結構圖如下圖所示。 1-風機；2-三通管；3-軟管；4-旋流器；5-油杯 圖2.5 旋流式油煙凈化設備的結構 2.2.4顯示模塊方案論證 方案一：顯示模塊用液晶屏顯示，它的特點主要是質量輕體積小、省電、顯示的狀態(tài)十分穩(wěn)定，可視面積較大，而且看起來的視覺效果比較好，更容易辨識，具有極強的抵抗干擾能力。 方案二：采用LED數碼管顯示，它相對液晶屏顯示具有更多優(yōu)點，它在能量、物質損耗和電壓要求方面都很低，而且使用時間能夠很長，不易老化。無論在太陽照射，潮水浸泡，火災或高低溫的情況下都有自我防護作用，同時它顯示準確度高、質量輕、易于操作，對外界環(huán)境要求也不高。而且在編程方面數碼管相對較容易，不會占很多資源，成本相對較低，使用壽命比較長。 方案三：顯示模塊用12864LCM點陣顯示器，它具有顯示界面效果好，可以顯示大量的信息，接口電路相對簡單，能夠和單片機直接相連接，但價格相對稍微貴一點。 綜合上述方案比較和結合實際中各方面因素的考慮，第二種方案更加符合實際情況，更加實用。所以本設計采用方案二。 3 系統硬件電路設計 3.1 單片機最小系統設計 單片機最小系統一般由時鐘電路和復位電路組成。單片機時鐘電路里面包含有晶振和電容，并且晶振和電容構成了自激振蕩電路，它可以為單片機工作時提供所需要的內部時鐘信號。單片機的處理速度和單片機最小系統晶振震蕩頻率大小直接相關，處理速度和其震蕩頻率成正比。我們之所以選擇采用12MHZ的晶振，是為了更容易計算其機器周期。若在RES(9腳)上提供2個連續(xù)的機器周期高電平，那么就能夠使該單片機整體達到復位的目的。該單片機復位所需時間與復位電路中的極性電容有直接的關系，且該單片機最小系統容值與其復位時間成反比，所以我們一般采用10-30uF的極性電容，而該最小系統采用的極性電容容值為22uF。如下圖所示。 圖3.1 單片機最小系統設計 3.2 電源電路設計 穩(wěn)定直流源的設計通常是讓輸入電壓先經過電壓變壓器降壓，然后經過整流網絡，再經過濾波網絡，最后經過穩(wěn)壓網絡得到穩(wěn)定的電壓輸出。方案一：采用橋式整流電路來實現整流的目的，用大電容作為濾波電路，再與負載相接。但是這種方法有一些缺點，如沒有保護電路，電壓值不可以調整，負載的影響特別大等許多缺點。方案二：在方案一中我們使用一些芯片，可以彌補上述缺點，整流網絡使用全波整流電路，濾波網絡用極性電容，雙極性穩(wěn)定直流源是由固定模式的三端集成穩(wěn)壓電路7805和7905制作成的，可以連續(xù)可調。220V（幅值311V）50Hz市電經變壓器220:25輸出兩組獨立的25V交流，經橋堆整流、大電容濾波后分別經過集成穩(wěn)壓塊LM7805C與LM7905C作用得到5V的直流輸出。 穩(wěn)壓直流源通常包括變壓器、整流器、穩(wěn)壓器三部分，如下圖所示。 圖3.2 直流電源系統方框圖 電源變壓器：將電網提供的220V交流電壓轉換為各種電路設備所需的交流電壓。 整流電路：利用單向導電器件將交流電轉換成脈動直流電路。 濾波電路：利用儲能元件（電感或電容）把脈動直流電轉換成比較平坦的直流電。 穩(wěn)壓電路：利用電路的調整作用使輸出電壓穩(wěn)定的過程稱為穩(wěn)壓。 具體電路如下圖3.3所示： 圖3.3 電源電路設計 輸入電容C1、C2用于抑制紋波電壓，輸出電容C3、C4用于消振，緩沖沖擊性負載，保證電路工作穩(wěn)定。同時由于輸出電容C3、C4的存在，容易發(fā)生電容放電而損壞穩(wěn)壓器，RV1和RV2是滑動變阻器，可以調節(jié)輸出的電壓。R1和R2是限流電阻，防止線路電流太大。 3.3 油煙溫度檢測電路設計 由上面第二章論述可知我們對油煙溫度檢測電路模塊采用的是DS18B20溫度傳感器芯片。假定我們將30攝氏度設置成抽油煙機的最低開始工作溫度，電阻采用阻值為4.7千歐電阻，當氣溫比較低且空氣中油煙蒸汽不多時，此時若溫度比所設定最低溫度還低，那么單片機對采集到的信號進行分析，進入相應編寫好的程序，從而單片機從P3.0端口顯示出高電位，再經過反向器74LS04芯片后轉化為低電位，此時電機不能夠被啟動。但如果由于某種原因造成造成空氣中油煙蒸汽濃度較大時，這時候其周邊環(huán)境溫度也會相應升高，當環(huán)境溫度超出電機啟動溫度設定值時，溫度傳感器會將檢測到的信號傳入單片機，單片機經分析后，使相應的程序開始執(zhí)行，從而使低電平從單片機P3.0輸出，同樣經過具有反向功能的芯片74LS04后轉化為高電平，此時電機會開始運行工作，同時發(fā)出報警聲音。我們?yōu)榱吮苊饨洺ｉ]合斷開造成的困擾，所以將程序編寫使其每隔120秒就溫度檢測一次，從而保證系統的正常工作運行。該設計油煙溫度檢測電路圖如下圖所示。 圖3.4 油煙溫度檢測電路設計 3.4 油煙和煤氣濃度檢測電路設計 MQ-2型氣體傳感器所呈現的電阻值會與氣體的種類和氣體的濃度有很大關系，所以對于這種類型的傳感器，它的靈敏度調整電阻的選擇就顯得十分重要。在此次設計中我們選擇阻值為10千歐名稱為R10的電阻作為其靈敏度的調整。此次設計采用的MQ-2氣體傳感器具有很多優(yōu)點，像一般的氣體傳感器所具備的響應迅速、十分靈敏、具有極強的抗干擾能力、使用時間特別長等特點它都具備。并且它可以將環(huán)境中的煤氣濃度檢測出來并變換成電流或者電壓信號，再經過模數轉換電路，將模擬信號變?yōu)閿底中问降男盘杺魉徒o單片機，單片機對所接收的信號進行分析處理，使系統相應的子函數開始執(zhí)行，從而達到啟動電機和完成聲音報警控制等方面的工作。氣體傳感器型油煙煤氣檢測模塊的電路圖如下圖所示。 圖3.5 油煙和煤氣濃度檢測電路設計 3.5 顯示、按鍵和報警電路設計 本次論文設計顯示電路模塊所采用的是七段LED數碼管顯示，它將實現顯示所設定定時時間長度、定時所還剩下的時間和當前環(huán)境溫度。通常我們將顯示分為兩種：一種是靜止不動的顯示，另一種則為不斷閃爍跳動的顯示。它們都有各自的優(yōu)缺點，第一種相對靜止的顯示雖然不會出現閃爍不定的情況，在程序編寫方面也相對簡單一些，而且還可以減少CPU運行的時間，但是它會占用很多端口；第二種顯示的穩(wěn)定性明顯沒有第一種好，在程序編寫方面也相對較為復雜，但是它相對第一種顯示而言需要占用的端口資源要少的多。由于此次設計需要節(jié)省端口資源以備它用，所以綜上所述，我們采用第二種顯示方法。 此次設計中將從P0口把位選碼輸出，從P2口將顯示碼輸出。發(fā)光二極管只有當電流在十幾到幾十mA范圍內時，發(fā)光二級管才能被驅動導通，從而正常發(fā)光。顯示控制信號發(fā)出后經鎖存器74HC573芯片后來驅動數碼管正常工作，數碼管的COM0、COM1、COM2、COM3端子引腳分別與單片機的P07、P06、P05、P04端口引腳對應連接，數碼管對應的四個端口若其中任何一個輸出為低電位，那么所與之對應的數碼管就被導通。顯示電路原理圖如下圖所示。 圖3.6 顯示電路設計 鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種。編碼鍵盤由硬件編碼器組成，如計算機鍵盤。而在單片機組成的各種系統中，鍵盤的識別靠軟件編程來實現，稱為非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤，本設計采用獨立式鍵盤。 單片機檢測按鍵的原理是：單片機的I/O既可作為輸出也可作為輸入使用，當檢測按鍵時用的是它的輸入功能，把按鍵的一端接地，另一端與單片機的某個I/O口相連，開始時先給I/0口賦一高電平，然后讓單片機不斷檢測該I/O口是否變?yōu)榈碗娖?，當按鍵閉合時，即相當于該I/0口通過按鍵與地相連，變?yōu)榈碗娖?，程序一旦檢測到I/O口變?yōu)榈碗娖絼t說明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應的指令。按鍵模塊與單片機連接電路圖如圖3.7所示。 圖3.7 按鍵電路設計 當在廚房烹飪過程中產生的油煙蒸汽使環(huán)境溫度升高到所設定值時或者氣體傳感器檢測到油煙和煤氣濃度過高時，P3.1端口會從中斷服務子程序那獲得一個低電平，從而使蜂鳴器發(fā)出報警聲音，同時抽油機開始運行，將油煙不斷抽走。 由于流經單片機I/O口的電流太小，而蜂鳴器所需要的驅動電流又很大，所以我們在接入蜂鳴器之前接入一個放大電路，從而達到驅動蜂鳴器的目的。此次設計放大電路很簡單，就接入一個簡單的三極管來放大電流就足夠了，我們所用到的蜂鳴器為5V有源蜂鳴器YMD12065。聲音報警電路的原理圖如下圖所示。 圖3.8 報警電路設計 4 系統軟件設計 4.1 軟件設計思想 軟件設計從工程角度講一般分為概要設計和詳細設計。概要設計主要目的是概括回答軟件系統如何實現，所以概要設計有時又被稱為初步設計或者總體設計，在這個階段將劃分出組成系統的物理元素—文件、數據庫、程序、人工過程和文檔等，每個物理元素具體還不明確，具體內容會在以后再仔細設計。概要設計最重要就是要確立軟件的總體結構，即確定組成軟件系統的子系統或模塊以及它們之間的相互聯系；詳細設計主要是對概要設計結果的進一步細化，它的主要任務是確定確定軟件各組成成分內部的結構和算法過程，詳細設計一般方法有結構化方法和面向對象方法。我們首先要根據需要實現的功能來設計一份合理的系統流程圖，然后為這個系統設計軟件結構，進行必要的數據庫設計，確定測試要求并制定測試計劃。 本系統使用C語言編程，proteus進行仿真，CAD繪圖軟件進行相關圖的繪制，主程序主要包括五部分，系統通電后先進行初始化，依次完成溫度和氣體濃度采集、溫度和氣體濃度處理、數據顯示、鍵盤處理等四項功能。溫度和氣體濃度采集部分主要完成溫度和濃度測試段的溫度和氣體濃度數據采集任務；溫度和氣體濃度處理部分主要是將采集到的溫度和濃度數據與本設計設定的各點上限溫度和氣體濃度值進行比較處理，并判斷是否超出設定上限值，如果超出那么蜂鳴器便會發(fā)出聲音報警；數據顯示部分主要實現溫度數據的顯示，顯示方式根據設計要求支持1-4個溫度測試點的輪流循環(huán)顯示和固定顯示兩種方式；鍵盤處理部分主要實現用戶對系統參數的設置，結合顯示部分，實現用戶與系統之間的人機接口。系統軟件的主程序設計流程圖如圖4.1所示。 圖4.1 主程序設計流程圖 系統主控機的設計包括油煙溫度檢測程序、油煙和煤氣濃度檢測程序、中斷鍵盤掃描程序、LED顯示程序、中斷報警服務程序，主要任務是選擇從機設備號并發(fā)送命令，對接收的數據進行處理并顯示。運行狀態(tài)標志位f=0時，系統受手動開/關S1的控制；運行狀態(tài)標志位f=1時，系統自動檢測運行。 主要流程是：首先是對單片機進行系統初始化設置， 接著顯示開機界面。當運行狀態(tài)標志位f=1時，系統自動檢測運行，若此時端口P3.0顯示低電平，電機啟動開始抽油煙，抽油煙工作時間設定為120s，然后程序返回從頭執(zhí)行；若此時端口P3.0為高電平，電機關閉，程序返回從頭執(zhí)行。運行狀態(tài)標志位f=0時，系統受手動開/關S1的控制；當S1按下，電機啟動，開始抽油煙。 4.2 油煙溫度檢測程序設計 DS18B20采用單總線技術，即一條信號線，既可傳輸時鐘信號，又可傳輸數據，而且數據的傳輸是雙向進行的。溫度檢測主程序流程圖如圖4.2所示。 圖4.2 溫度檢測程序流程圖 DS18B20讀數據時序可分為控制器讀“0”時間隙和讀“1”時間隙，主機把單總線拉低之后，必須在15m之內釋放單總線，從單總線得到一個狀態(tài)位，并進行數據處理。DS18B20完成一個讀時序過程至少要60us的時間。 通過按鍵來設定電路的報警溫度，按鍵一旦按下則報警溫度上升，用不斷循環(huán)來使得報警溫度能時時隨著使用者的心意改變。流程圖如圖4.3所示。溫度采集模塊的作用是測量環(huán)境的溫度，再將數據發(fā)送到顯示器。流程圖如圖4.4所示。 圖4.3 溫度設定模塊流程圖 圖4.4 溫度采集模塊流程圖 4.3 油煙和煤氣濃度檢測程序設計 首先需要給傳感器預熱3分鐘，因為MQ-2型傳感器在不通電放置一段時間后，當它再次上電情況下不能夠立即正常采集油煙和煤氣的信息，需要幾分鐘預熱時間。程序開始執(zhí)行后，系統進入監(jiān)控狀態(tài)。然后通過對傳感器檢測的油煙和氣體濃度信號進行A/D轉換后送入單片機進行數據處理，將濃度值與報警限設定值相比較，如果環(huán)境內天然氣濃度超出安全設定值就進行啟動抽油煙和報警，否則繼續(xù)檢測。其程序流程圖如圖4.5所示。 圖4.5油煙和煤氣濃度檢測程序流程圖 4.4 顯示、按鍵和報警程序設計