基于單片機(jī)的抽油煙機(jī)控制及凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于單片機(jī)的抽油煙機(jī)控制及凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 年級班別 2011級2班 學(xué) 號 2011401020213 學(xué)生姓名 楊 能 指導(dǎo)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(wù).......................................................3 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案.........................................................4 2.1 本課題設(shè)計(jì)思路.......................................................4 2.2 系統(tǒng)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(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)........................................................10 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)..................................................10 3.2 電源電路設(shè)計(jì)........................................................10 3.3 油煙溫度檢測電路設(shè)計(jì)................................................11 3.4 油煙和煤氣濃度檢測電路設(shè)計(jì)..........................................12 3.5 顯示、按鍵和報(bào)警電路設(shè)計(jì)............................................13 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)............................................................16 4.1 軟件設(shè)計(jì)思想........................................................16 4.2 油煙溫度檢測程序設(shè)計(jì)................................................17 4.3 油煙和煤氣濃度檢測程序設(shè)計(jì)..........................................19 4.4 顯示、按鍵和報(bào)警程序設(shè)計(jì)............................................20 5 系統(tǒng)調(diào)試................................................................23 5.1 硬件調(diào)試............................................................23 5.2 軟件調(diào)試............................................................23 參考文獻(xiàn)..................................................................24 附錄......................................................................25 基于單片機(jī)的抽油煙機(jī)控制及凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 中國目前大多數(shù)家庭安裝的抽油煙機(jī)只能手動(dòng)操作，抽油煙效果也并不是特別好，這與它們的外形設(shè)計(jì)和內(nèi)部構(gòu)造都有一定關(guān)系，而且它們大多數(shù)是直接將油煙排到室外，不僅污染環(huán)境，一段時(shí)間后還會(huì)使附近的墻壁等覆蓋上一層厚厚的油煙。本設(shè)計(jì)對于溫度高、污染大的油煙使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測，對于溫度低、危險(xiǎn)系數(shù)大的天然氣使用氣敏傳感器檢測。當(dāng)廚房里的油煙或者可燃?xì)怏w濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，傳感器將檢測到的信號送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析后使相關(guān)程序運(yùn)行，從而使電機(jī)啟動(dòng)開始抽油煙并同時(shí)發(fā)出聲音報(bào)警。它還具有定時(shí)的功能，能夠設(shè)置抽油煙機(jī)的工作時(shí)間長度。本設(shè)計(jì)的硬件部分主要包括抽油煙機(jī)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(bào)警模塊等，系統(tǒng)軟件部分對各模塊的流程進(jìn)行了仔細(xì)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(bào)警服務(wù)子程序，通過這些程序便可實(shí)現(xiàn)抽油煙機(jī)的智能化控制。本設(shè)計(jì)還設(shè)置了油煙凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保的功能。本設(shè)計(jì)主要依靠單片機(jī)進(jìn)行控制，并由軟件方面的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)抽油煙機(jī)開關(guān)的自動(dòng)控制，它與普通抽油煙機(jī)相比，具有靈活性較好，功耗低，易于操作等優(yōu)點(diǎn)。它的凈化系統(tǒng)采用的是旋流式油煙凈化設(shè)備，油煙凈化效果更好。 【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 傳感器 抽油煙機(jī) 檢測 自動(dòng)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(jī)的發(fā)展史沿革在20世紀(jì)70年代末期，當(dāng)時(shí)我國在五金行業(yè)內(nèi)的科技信息工作人員依據(jù)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(jī)的想法。由于當(dāng)時(shí)各個(gè)方面條件的限制，在國內(nèi)還沒有任何一家公司開發(fā)這種產(chǎn)品。當(dāng)?shù)搅?987年7月，那個(gè)時(shí)候的上海桅燈廠把我國臺(tái)灣地區(qū)所生產(chǎn)的抽油煙機(jī)作為樣品，經(jīng)過拆卸分解，測繪仿制成了中國大陸地區(qū)的第一臺(tái)抽油煙機(jī)。從那以后抽油煙機(jī)在中國大陸開始迅速發(fā)展。 《中國抽油煙機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀的研究分析及市場前景的預(yù)測報(bào)告（2016年）》是抽油煙機(jī)行業(yè)內(nèi)企業(yè)、投資公司及相關(guān)政府部門精準(zhǔn)把握抽油煙機(jī)行業(yè)發(fā)展趨勢，清楚了解抽油煙機(jī)行業(yè)競爭格局、設(shè)法避免經(jīng)營和投資的風(fēng)險(xiǎn)、制定良性競爭和投資戰(zhàn)略決策的重要依據(jù)之一，具有很重要的參考價(jià)值?？紤]到當(dāng)前抽油煙機(jī)行業(yè)發(fā)展中面臨的威脅和機(jī)遇，它提出了抽油煙機(jī)行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和投資方面的建議。并以嚴(yán)密的內(nèi)容、具體的分析、十分可靠的數(shù)據(jù)、直觀形象的圖表等，幫助抽油煙機(jī)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(jī)市場的前景研究與投資前景報(bào)告》目的是為項(xiàng)目投資人員或者企業(yè)管理人員提供關(guān)于抽油煙機(jī)產(chǎn)品的項(xiàng)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(dá)正確的投資經(jīng)營方面的理念和選擇，擬出一個(gè)中立、全面的投資方面的指導(dǎo)手冊，給抽油煙機(jī)產(chǎn)品市場的投資提供一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。該報(bào)告詳細(xì)陳述了抽油煙機(jī)產(chǎn)品的行業(yè)大概情況、市場目前發(fā)展現(xiàn)狀和抽油煙機(jī)未來5年的市場供需和發(fā)展趨勢預(yù)測，并且該報(bào)告在研究抽油煙機(jī)的市場競爭、原始材料、客戶需求的基礎(chǔ)之上，不僅對抽油煙機(jī)行業(yè)投資的前景方面和投資價(jià)值方面進(jìn)行了研究，而且提出了大家對抽油煙機(jī)產(chǎn)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(huì)組織(IEC)年會(huì)和部分技術(shù)委員會(huì)組織(TC)、分技術(shù)委員會(huì)組織(SC)及工作組(WG)會(huì)議聲明日前，國內(nèi)最大的家用電器市場調(diào)研組織中怡康時(shí)代公司(CMM)公布2010年度1-11月份中國抽油煙機(jī)行業(yè)相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和發(fā)展趨勢分析，該數(shù)據(jù)顯示中國抽油煙機(jī)行業(yè)已邁入品牌競爭階段，品牌集中度逐年提升。根據(jù)中怡康數(shù)據(jù)顯示，2010年1-11月份各品牌油煙機(jī)零售額占有率累計(jì)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(qiáng)的方太、老板、華帝，一共劃走了油煙機(jī)39.36%的零售額市場份額。前十強(qiáng)零售額占有率則達(dá)到74.32%。 據(jù)國內(nèi)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(zhì)，它能夠?qū)е麦w內(nèi)細(xì)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(jī)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(nèi)暢銷品牌格林格抽油煙機(jī)的油煙分離板方面的設(shè)計(jì)就是依照阿里斯頓XH90抽油煙機(jī)及法貝MODULO蒙特洛系列抽油煙機(jī)設(shè)計(jì)出來的．對于歐式抽油煙機(jī)而言主要強(qiáng)調(diào)電機(jī)功率適宜、雙渦輪、小集煙倉和無集煙倉、許多層致密網(wǎng)板相互疊加。中式抽油煙機(jī)抽排煙果很好，可是油煙不易分離，對周圍環(huán)境會(huì)造成一定的污染，歐式抽油煙機(jī)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(shù)方面不過關(guān)基本已經(jīng)被市場淘汰，深抽型占領(lǐng)市場已有很長時(shí)間，歐式抽油煙機(jī)的發(fā)展空間相對較大。但歐式抽油煙機(jī)和中式抽油煙機(jī)相比，并沒有什么很特別的技術(shù)含量，產(chǎn)品的技術(shù)門檻并不高。 在大多的時(shí)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(fù)雜?？傊?，油煙是一種包含有氣、固、液三種形態(tài)物質(zhì)的氣體狀流體。對于治理家庭油煙污染所使用的凈化技術(shù)一般是分離法。分離法主要包括機(jī)械式凈化法、濕式凈化法和靜電式凈化法以及復(fù)合式凈化法等方法。機(jī)械式凈化法是指通過過濾、慣性碰撞、吸附或運(yùn)用其他機(jī)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?，F(xiàn)在市場上已經(jīng)有等離子體凈化油煙的設(shè)備開始投入使用，這項(xiàng)技術(shù)目前在國內(nèi)算是十分先進(jìn)的油煙凈化技術(shù)了。它的原理主要是在使用高壓靜電法時(shí)，同時(shí)在靜電場的前面設(shè)置等離子場，通過利用強(qiáng)大能量刺激所產(chǎn)生的許多活性自由基來對油霧微粒進(jìn)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(shí)，在產(chǎn)生等離子體的期間高頻放電釋放的瞬時(shí)強(qiáng)大能量，可以打開其中一些有害氣體分子化學(xué)鍵，進(jìn)而使這些氣體分子分解為單質(zhì)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(xiàn)在用于居民廚房的抽油煙機(jī)主要是通過葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，在產(chǎn)生簡單的慣性分離的時(shí)候，同時(shí)產(chǎn)生氣力輸送，再經(jīng)過過濾來達(dá)到對油煙凈化的目的。這種抽油煙機(jī)一般存在4方面的問題：第一由于片面注重美觀把機(jī)型設(shè)計(jì)為扁方淺型，因此與空氣動(dòng)力學(xué)原理相悖，使其無法形成絕佳的負(fù)壓區(qū)，油煙排除效果不佳，從而造成廚房內(nèi)油煙濃度仍然很大；第二葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性分離，效果不是很好，主要原因是葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的流場還沒有轉(zhuǎn)變成旋流場，油煙在此期間停留的時(shí)間太少，沒有足夠的時(shí)間來沉降分離；第三是過濾介質(zhì)極易被堵，因?yàn)橛蜔熅哂泻軓?qiáng)的粘附特性；第四過濾介質(zhì)被污染后不可以再利用，新的污染就產(chǎn)生了；抽油煙機(jī)在使用過程中，葉輪肯定會(huì)與油煙接觸，使用久了后葉輪上會(huì)滿是煙油，很難清洗。所以這種抽油煙機(jī)在用一段時(shí)間后便會(huì)出現(xiàn)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(shù)性能方面的比較。 表1.1 各種油煙處理技術(shù)性能比較 油煙處理技術(shù) 油煙除去率(%) 壓力降(Pa) 投資費(fèi)用 運(yùn)行費(fèi)用 過濾法 75～80 100～500 大 較大 靜電法 75～80 100～300 較大 耗電費(fèi)大 運(yùn)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(nèi)廚房油煙凈化的研究還處于起步階段，人們對油煙危害認(rèn)識(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。因此，分析油煙的污染狀況，提出油煙治理新技術(shù)，已經(jīng)刻不容緩。 廚房在家庭中是空氣污染特別嚴(yán)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(chǎn)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(shí)產(chǎn)生的油煙?，F(xiàn)在很多廚房裝修采用的是開放式設(shè)計(jì)，可是在做中餐的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量油煙，因?yàn)槭情_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(huì)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(yù)于世界，但是廚房油煙成分很復(fù)雜----含有200~300種有毒有害物質(zhì)，是每個(gè)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(xiàn)，這和她們每天在家里做飯時(shí)會(huì)吸入大量油煙有很大關(guān)系。研究人員通過動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)油煙中含有可以導(dǎo)致癌癥的物質(zhì)，這種物質(zhì)能使細(xì)胞發(fā)生畸變。這些物質(zhì)若被吸入肺部，會(huì)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(huì)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(huì)引起食欲不振、心情煩躁、精神頹廢等癥狀；醫(yī)學(xué)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(qiáng)烈的刺激，很可能會(huì)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(xué)成分，能使細(xì)胞發(fā)生病變，甚者導(dǎo)致不育。油煙使廚房感覺很臟的同時(shí)也給清潔廚房帶來了很大的負(fù)擔(dān)，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(zhì),長期吸入的煙霧從一個(gè)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(huì)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(dǎo)致女性皮膚干燥、粗糙、皺紋、色素沉著,使更多的脂肪,吸煙會(huì)損害免疫系統(tǒng),和五年的烹飪經(jīng)驗(yàn),會(huì)有不同程度的脫發(fā)。 對孩子：若一定量的油煙進(jìn)入孩子鼻子、眼睛和肺部等，容易引起相關(guān)部位疾病的產(chǎn)生，如：鼻炎、咽炎、肺炎等，對孩子的健康造成十分嚴(yán)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(yán)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(shí)需要將排出的油煙進(jìn)行凈化，才能做到不污染環(huán)境，這樣才能做到全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。而對于中國人制作中餐來說，烹飪產(chǎn)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(jī)就成了改變廚房環(huán)境的一個(gè)“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(jī)的抽油煙機(jī)控制及凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了抽油煙和凈化油煙，還實(shí)現(xiàn)了智能化抽油煙，本設(shè)計(jì)同時(shí)設(shè)有手動(dòng)開關(guān)，在手動(dòng)運(yùn)行下，其功能和普通油煙機(jī)一樣，可人為的要求開啟或關(guān)閉，但當(dāng)煤氣泄漏時(shí)，不論在自動(dòng)還是手動(dòng)運(yùn)行情況下，抽油煙機(jī)會(huì)立即啟動(dòng)，并伴隨聲音報(bào)警。所以我們不僅不用擔(dān)心時(shí)間長了油煙排不出去然后沾附到了墻上的問題，也不用擔(dān)心家里煤氣泄漏導(dǎo)致意外發(fā)生。 1.2 本課題研究任務(wù) 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)對油煙濃度的檢測，并對測試油煙環(huán)境的溫度進(jìn)行檢測，判斷油煙環(huán)境溫度是否達(dá)到危險(xiǎn)溫度，如達(dá)到危險(xiǎn)溫度即發(fā)出報(bào)警，并顯示出來。單片機(jī)通過對檢測信號的實(shí)時(shí)采集，對溫度高、污染大的煙氣采用數(shù)字溫度傳感器檢測，而溫度低但危險(xiǎn)較大的天然氣采用氣敏傳感器檢測。該系統(tǒng)可以根據(jù)油煙的濃度啟動(dòng)電機(jī)，單片機(jī)根據(jù)油煙氣敏傳感器檢測到的信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)油煙的濃度小于設(shè)定值時(shí)，油煙機(jī)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，轉(zhuǎn)速的可調(diào)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，避免了能源的浪費(fèi)；當(dāng)廚房的油煙或可燃有害氣體達(dá)到一定濃度值時(shí)，經(jīng)傳感器進(jìn)入單片機(jī)分析，使電機(jī)電路自動(dòng)啟動(dòng)并發(fā)出聲音報(bào)警，抽油機(jī)迅速將有害氣體抽走，當(dāng)油煙的溫度高于某一設(shè)定值時(shí)，迅速啟動(dòng)電機(jī)電路，抽走油煙，達(dá)到凈化環(huán)境的效果。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 2.1 本課題設(shè)計(jì)思路 根據(jù)目前抽油煙機(jī)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(jù)抽油煙機(jī)凈化技術(shù)方面研究的現(xiàn)狀和函待解決的問題。以國內(nèi)外研究資料作參考文獻(xiàn)，通過大量收集以單片機(jī)為核心模塊方面的資料和仔細(xì)分析現(xiàn)代油煙凈化設(shè)備的特性和原理，并基于該系統(tǒng)應(yīng)用和控制方面的要求來完成系統(tǒng)總體方案的制定。通過研究并比較相關(guān)元器件的所能實(shí)現(xiàn)的功能和特點(diǎn)來選擇出最適用的元器件。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面主要由單片機(jī)最小的系統(tǒng)、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(bào)警電路、自動(dòng)照明電路、油煙凈化系統(tǒng)等；在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，運(yùn)用最普遍的C語言進(jìn)行編程，通過Keil軟件進(jìn)行程序的編寫和不斷調(diào)試，再將調(diào)試好的程序通過燒錄軟件燒錄入單片機(jī)，在仿真方面都是通過Proteus仿真軟件繪制。以下是抽油煙機(jī)的三種方案設(shè)計(jì)與比較。 方案一：給出一個(gè)分立元件的抽油煙機(jī)的電路 基于分立元件的抽油煙機(jī)的控制系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的原理方框圖 方案二：基于AT89S51微處理器的抽油煙機(jī)的控制電路 該系統(tǒng)主要分為檢測和控制兩個(gè)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(gè)部分，該系統(tǒng)的控制部分主要包括單片機(jī)AT89S51、按鍵電路模塊、聲音報(bào)警電路模塊、定時(shí)顯示電路模塊四個(gè)部分組成，自動(dòng)照明電路只有在抽油煙機(jī)開始工作時(shí)才有用。如下圖2.2所示。 圖2.2 基于AT89S51微處理器的系統(tǒng)原理圖 單片機(jī)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(xiǎn)系數(shù)大且溫度低的燃?xì)鈱⑹褂脷饷粜詡鞲衅鱽頇z測。如果廚房里的油煙或者有害氣體的濃度達(dá)到一定值時(shí)，這時(shí)傳感器會(huì)將采集到的信號送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析后會(huì)使控制電機(jī)啟動(dòng)的電路和聲音報(bào)警電路同時(shí)啟動(dòng)，有害氣體會(huì)被抽油煙機(jī)馬上抽走，從而確保廚房的環(huán)境安全。該設(shè)計(jì)設(shè)置有定時(shí)的功能，可以設(shè)置抽油煙機(jī)的工作時(shí)間長度，從而實(shí)現(xiàn)智能抽油煙的功能。該設(shè)計(jì)還設(shè)置有手動(dòng)開關(guān)，當(dāng)處于手動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，它的功能跟普通抽油煙機(jī)沒什么不一樣，能夠人為的開關(guān)，但是一旦發(fā)生煤氣泄漏事故，不管是在手動(dòng)還是自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)都會(huì)馬上啟動(dòng)，開始迅速抽油煙，同時(shí)伴隨著聲音報(bào)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(jī)的控制電路 該系統(tǒng)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(jī)控制電路分為AT89S52單片機(jī)，抽油煙機(jī)開關(guān)電路，聲音報(bào)警，顯示電路和油煙凈化系統(tǒng)五個(gè)部份，其中當(dāng)抽油煙機(jī)開始工作時(shí)自動(dòng)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(shè)計(jì)加入其中，從而使單片機(jī)正常運(yùn)行得到一定保證，并且它可以隨時(shí)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(tǒng)原理圖 該系統(tǒng)中對油煙濃度的檢測使用方法是讓模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)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(dá)到所設(shè)定的危險(xiǎn)溫度，如果達(dá)到就會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)抽油機(jī)將油煙抽走，使廚房保持空氣清新，也避免了不必要的危險(xiǎn)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(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)檢測到油煙煤氣濃度來對抽油煙機(jī)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)和停止，當(dāng)油煙和煤氣濃度超過某一設(shè)定值時(shí)，抽油煙機(jī)會(huì)自己開始工作，當(dāng)其濃度低于該設(shè)定值時(shí)，抽油煙機(jī)會(huì)自動(dòng)停止工作。并且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度是可以調(diào)節(jié)的，單片機(jī)根據(jù)檢測到的信號進(jìn)行分析，在油煙和煤氣超過使電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的濃度時(shí)，濃度越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但當(dāng)其濃度越來越高，超過設(shè)定最高值時(shí)，當(dāng)然超過這個(gè)值后很可能會(huì)慢慢對人體造成傷害，所以這個(gè)時(shí)候單片機(jī)根據(jù)檢測到的信號分析判斷，一邊使電機(jī)以最快的速度工作將油煙和煤氣迅速抽走，一邊啟動(dòng)報(bào)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(shè)計(jì)還通過看門狗實(shí)現(xiàn)了定時(shí)的作用，可以通過人為設(shè)置抽油煙的時(shí)間，從而達(dá)到抽油煙智能化的目的。這個(gè)設(shè)計(jì)不僅可以智能化抽油煙，而且可以通過手動(dòng)開關(guān)人為操作控制抽油煙，這個(gè)時(shí)候它和普通的抽油煙機(jī)沒什么區(qū)別，普通抽油煙機(jī)的使用方法同樣適用于它。但不管是在通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化操作情況下，還是人為運(yùn)作下，當(dāng)出現(xiàn)煤氣泄漏的情況時(shí)，抽油煙機(jī)都會(huì)自己啟動(dòng)工作，并同時(shí)使報(bào)警電路啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)防止因煤氣泄漏而造成的中毒事件發(fā)生。在保證室內(nèi)環(huán)境和安全的情況下，本設(shè)計(jì)同時(shí)也保證了室外大自然的環(huán)境，因?yàn)樵诔橛蜔煓C(jī)工作時(shí)，所抽出的有害油煙和氣體都會(huì)進(jìn)入到本設(shè)計(jì)油煙凈化系統(tǒng)，從凈化系統(tǒng)出來的氣體都會(huì)達(dá)到基本正常標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到環(huán)保的目的，實(shí)現(xiàn)人與大自然和諧相處。 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，最終方案的選擇必定要與實(shí)際情況聯(lián)系在一起，從多方面考慮該設(shè)計(jì)的可行性，我們不能僅僅考慮設(shè)計(jì)的先進(jìn)性，再先進(jìn)的設(shè)計(jì)如果無法與現(xiàn)實(shí)接軌，那也是一個(gè)失敗的設(shè)計(jì)，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(jī)通過純粹的硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，所以電路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，將會(huì)使用到很多集成IC，不僅功能實(shí)現(xiàn)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(jī)所采用的控制方式是硬件和軟件相結(jié)合的方式，電路比較簡單，所用到的集成IC也會(huì)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(jī)具備上述方案二的所有優(yōu)點(diǎn)，它所采用的控制芯片AT89S52是AT89S51的增強(qiáng)型，該單片機(jī)計(jì)算功能很強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)各種功能控制和算法。該單片機(jī)在大多領(lǐng)域都應(yīng)用十分寬廣，因?yàn)樗哂邢墓β市?、?jié)省空間、技術(shù)穩(wěn)定和劃算等優(yōu)勢。該設(shè)計(jì)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)殡娏骰螂妷盒盘枺詈笸ㄟ^A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號傳下去而且該設(shè)計(jì)添加了油煙凈化系統(tǒng)，符合生態(tài)文明理念。 經(jīng)過上述的方案比較和綜合各方面因素考慮后，本設(shè)計(jì)最后采用方案三。 2.2 系統(tǒng)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(shù)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(jī)到溫度傳感器DS18B20只需要連接一條線。讀寫與完成溫度轉(zhuǎn)換的電源能夠由數(shù)據(jù)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(fù)雜一點(diǎn)，轉(zhuǎn)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(jù)PN結(jié)構(gòu)正向電流和溫度的關(guān)系制作而成，能夠把溫度轉(zhuǎn)化為電流信號，電流大小隨著熱力學(xué)溫度升高而增大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后將信號傳送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析后讀出。AD590溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，精度很高，編程也簡單，其缺點(diǎn)是必須與高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器配合使用，而且校準(zhǔn)十分麻煩，成本較高，電路也比較復(fù)雜。在監(jiān)測點(diǎn)較多且監(jiān)測點(diǎn)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(shù)關(guān)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(gè)mV級的電壓差信號，經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大后送入ADC轉(zhuǎn)換電路；恒流源測溫電路則需要提供一個(gè)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(shè)計(jì)的要求就非常高，在一定程度上增加了設(shè)計(jì)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(jié)合實(shí)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(nèi)部使用了極其少量的放射性物質(zhì)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(huì)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(zāi)報(bào)警器等，其工作最大電壓為24V,主要會(huì)在報(bào)警系統(tǒng)中使用。 方案二：采用MQ-2煙霧傳感器，它的電阻值會(huì)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(jià)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(diǎn)，把相關(guān)電路焊接好便可進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)換模塊將信號變?yōu)閿?shù)字信號輸出，這樣使單片機(jī)更加易于控制該系統(tǒng)。 方案三：采用MQ-5可燃?xì)怏w傳感器，它對可燃?xì)怏w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(yīng)恢復(fù)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(dāng)該傳感器處于有可燃?xì)怏w存在的環(huán)境中，它的電導(dǎo)率與可燃?xì)怏w濃度成正比變化，只需要一個(gè)設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的電路便可將電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)化為和氣體濃度變化對應(yīng)的輸出信號。 綜合上述方案比較和結(jié)合實(shí)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(shè)計(jì)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(dòng)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(hù)簡便，設(shè)備簡單，耗能低等優(yōu)點(diǎn)，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(huì)與其他方法結(jié)合使用。 方案二：采用過濾法，它的原理是當(dāng)油煙氣流經(jīng)過過濾層時(shí)，油煙顆粒會(huì)被過濾出來。一般的過濾法具有投資較少，機(jī)構(gòu)和流程比較簡單，工作狀態(tài)下穩(wěn)定可靠；它的缺點(diǎn)是當(dāng)使用一段時(shí)間后，過濾效果會(huì)變差很多，因?yàn)橛蜔燁w粒粘性很強(qiáng)，極易阻塞，過濾層會(huì)越來越臟，不易清洗，過濾層中濾網(wǎng)是不能夠重復(fù)使用的，所以定期更換濾網(wǎng)大大增加了運(yùn)行成本，使用過的濾網(wǎng)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(huì)聚集到陽極電極。這種設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)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(diǎn)是凈化效率高，不會(huì)占太多面積，耗能低，但是造價(jià)很高，還不能夠除去氣態(tài)的污染物，集油板不易清洗，維護(hù)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(zhuǎn)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(xué)試劑，使污染物從氣相變?yōu)橐合?。該方法的?yōu)點(diǎn)是凈化效果較好，特別是對氣態(tài)污染物，且易于維護(hù)，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(shè)備相比較，旋流式油煙凈化設(shè)備改進(jìn)最大的地方就是使用了旋流器，它能夠產(chǎn)生高速旋流，利用流體動(dòng)力學(xué)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(shè)備，由于它有結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝十分方便，設(shè)備制造成本較低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，又易于清洗，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dān)心等諸多優(yōu)點(diǎn)，在化工、采礦、環(huán)保、能源等很多工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。 綜合上述方案比較和結(jié)合實(shí)際中各方面因素的考慮，本設(shè)計(jì)采用方案五。 油煙凈化系統(tǒng)主要由四部分組成，分別是風(fēng)機(jī)和風(fēng)量調(diào)節(jié)閥、油煙凈化設(shè)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(shè)備中獲得的信號，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的操作和控制。我們設(shè)置采樣點(diǎn)完全是出于系統(tǒng)的需要，油煙凈化系統(tǒng)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(shè)備，目前的油煙凈化設(shè)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(jīng)過凈化設(shè)備排出的油煙已經(jīng)對環(huán)境危害很小了，從而達(dá)到凈化的目的，由于目前的技術(shù)問題，我們還不能將油煙完全凈化，所以對于油煙凈化設(shè)備進(jìn)一步的研究并加以改進(jìn)也是十分必要的。為了達(dá)到減少對空氣所造成的污染，實(shí)現(xiàn)凈化油煙的目的，我們通?？梢酝ㄟ^控制風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)油煙的排出流量。如下圖所示是油煙凈化系統(tǒng)的原理圖。 圖2.4 油煙凈化系統(tǒng)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(jīng)過判斷分析，從而控制風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)油煙排出的流量大小來達(dá)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(huì)不通暢；如果油煙流速太快的話，那么油煙管道阻力又會(huì)過大，從而會(huì)使系統(tǒng)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(nèi)，這樣凈化效果相對會(huì)更好一些。當(dāng)然油煙壓力也是我們必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素，一般情況下，油煙進(jìn)入的地方要呈現(xiàn)一定負(fù)壓，根據(jù)大氣壓強(qiáng)原理會(huì)使油煙交易進(jìn)入凈化設(shè)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)的，壓力傳感器在采樣點(diǎn)處將所感知的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，但電信號十分微弱，所以需要接入一個(gè)放大電路后再轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，并且同時(shí)將信號傳導(dǎo)電氣控制裝置。在工程上我們通常是通過流速計(jì)和流量計(jì)來檢測和顯示對應(yīng)的流速和流量，同時(shí)將檢測的信號傳給電氣控制裝置。在餐飲方面的凈化設(shè)備涉及到通風(fēng)機(jī)和前端凈化器的兩個(gè)電機(jī)的控制，我們通常是操作繼電器和變頻器來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到減小噪聲和省電的效果，并且是凈化系統(tǒng)效果處在一個(gè)相對比較好狀態(tài)。 通過多方面優(yōu)缺點(diǎn)的比較，我們采用旋流式油煙凈化設(shè)備。它的原理是當(dāng)油煙進(jìn)入旋風(fēng)筒，在筒內(nèi)部劇烈旋轉(zhuǎn)，含油煙的氣體慢慢順著筒內(nèi)壁呈螺旋運(yùn)動(dòng)下降，由于離心力作用使油霧被分離出筒內(nèi)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(dāng)達(dá)到一定量就排放。油煙中的油具有很強(qiáng)的粘連性，所以當(dāng)離心作用時(shí)氣體中油滴很容易吸附在內(nèi)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(dá)到百分之九十，經(jīng)凈化后的油煙氣體直接排到大氣中。旋流凈化設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。 1-風(fēng)機(jī)；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(shè)備的結(jié)構(gòu) 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(diǎn)主要是質(zhì)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(shí)，具有極強(qiáng)的抵抗干擾能力。 方案二：采用LED數(shù)碼管顯示，它相對液晶屏顯示具有更多優(yōu)點(diǎn)，它在能量、物質(zhì)損耗和電壓要求方面都很低，而且使用時(shí)間能夠很長，不易老化。無論在太陽照射，潮水浸泡，火災(zāi)或高低溫的情況下都有自我防護(hù)作用，同時(shí)它顯示準(zhǔn)確度高、質(zhì)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(shù)碼管相對較容易，不會(huì)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(diǎn)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(jī)直接相連接，但價(jià)格相對稍微貴一點(diǎn)。 綜合上述方案比較和結(jié)合實(shí)際中各方面因素的考慮，第二種方案更加符合實(shí)際情況，更加實(shí)用。所以本設(shè)計(jì)采用方案二。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)一般由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。單片機(jī)時(shí)鐘電路里面包含有晶振和電容，并且晶振和電容構(gòu)成了自激振蕩電路，它可以為單片機(jī)工作時(shí)提供所需要的內(nèi)部時(shí)鐘信號。單片機(jī)的處理速度和單片機(jī)最小系統(tǒng)晶振震蕩頻率大小直接相關(guān)，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(jì)算其機(jī)器周期。若在RES(9腳)上提供2個(gè)連續(xù)的機(jī)器周期高電平，那么就能夠使該單片機(jī)整體達(dá)到復(fù)位的目的。該單片機(jī)復(fù)位所需時(shí)間與復(fù)位電路中的極性電容有直接的關(guān)系，且該單片機(jī)最小系統(tǒng)容值與其復(fù)位時(shí)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(tǒng)采用的極性電容容值為22uF。如下圖所示。 圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2 電源電路設(shè)計(jì) 穩(wěn)定直流源的設(shè)計(jì)通常是讓輸入電壓先經(jīng)過電壓變壓器降壓，然后經(jīng)過整流網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)，最后經(jīng)過穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)得到穩(wěn)定的電壓輸出。方案一：采用橋式整流電路來實(shí)現(xiàn)整流的目的，用大電容作為濾波電路，再與負(fù)載相接。但是這種方法有一些缺點(diǎn)，如沒有保護(hù)電路，電壓值不可以調(diào)整，負(fù)載的影響特別大等許多缺點(diǎn)。方案二：在方案一中我們使用一些芯片，可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，整流網(wǎng)絡(luò)使用全波整流電路，濾波網(wǎng)絡(luò)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(diào)。220V（幅值311V）50Hz市電經(jīng)變壓器220:25輸出兩組獨(dú)立的25V交流，經(jīng)橋堆整流、大電容濾波后分別經(jīng)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(tǒng)方框圖 電源變壓器：將電網(wǎng)提供的220V交流電壓轉(zhuǎn)換為各種電路設(shè)備所需的交流電壓。 整流電路：利用單向?qū)щ娖骷⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動(dòng)直流電路。 濾波電路：利用儲(chǔ)能元件（電感或電容）把脈動(dòng)直流電轉(zhuǎn)換成比較平坦的直流電。 穩(wěn)壓電路：利用電路的調(diào)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(shè)計(jì) 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(fù)載，保證電路工作穩(wěn)定。同時(shí)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(dòng)變阻器，可以調(diào)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(shè)計(jì) 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(shè)置成抽油煙機(jī)的最低開始工作溫度，電阻采用阻值為4.7千歐電阻，當(dāng)氣溫比較低且空氣中油煙蒸汽不多時(shí)，此時(shí)若溫度比所設(shè)定最低溫度還低，那么單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行分析，進(jìn)入相應(yīng)編寫好的程序，從而單片機(jī)從P3.0端口顯示出高電位，再經(jīng)過反向器74LS04芯片后轉(zhuǎn)化為低電位，此時(shí)電機(jī)不能夠被啟動(dòng)。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(shí)，這時(shí)候其周邊環(huán)境溫度也會(huì)相應(yīng)升高，當(dāng)環(huán)境溫度超出電機(jī)啟動(dòng)溫度設(shè)定值時(shí)，溫度傳感器會(huì)將檢測到的信號傳入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析后，使相應(yīng)的程序開始執(zhí)行，從而使低電平從單片機(jī)P3.0輸出，同樣經(jīng)過具有反向功能的芯片74LS04后轉(zhuǎn)化為高電平，此時(shí)電機(jī)會(huì)開始運(yùn)行工作，同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音。我們?yōu)榱吮苊饨?jīng)常閉合斷開造成的困擾，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(tǒng)的正常工作運(yùn)行。該設(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 3.4 油煙和煤氣濃度檢測電路設(shè)計(jì) MQ-2型氣體傳感器所呈現(xiàn)的電阻值會(huì)與氣體的種類和氣體的濃度有很大關(guān)系，所以對于這種類型的傳感器，它的靈敏度調(diào)整電阻的選擇就顯得十分重要。在此次設(shè)計(jì)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(diào)整。此次設(shè)計(jì)采用的MQ-2氣體傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，像一般的氣體傳感器所具備的響應(yīng)迅速、十分靈敏、具有極強(qiáng)的抗干擾能力、使用時(shí)間特別長等特點(diǎn)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(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號變?yōu)閿?shù)字形式的信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對所接收的信號進(jìn)行分析處理，使系統(tǒng)相應(yīng)的子函數(shù)開始執(zhí)行，從而達(dá)到啟動(dòng)電機(jī)和完成聲音報(bào)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(shè)計(jì) 3.5 顯示、按鍵和報(bào)警電路設(shè)計(jì) 本次論文設(shè)計(jì)顯示電路模塊所采用的是七段LED數(shù)碼管顯示，它將實(shí)現(xiàn)顯示所設(shè)定定時(shí)時(shí)間長度、定時(shí)所還剩下的時(shí)間和當(dāng)前環(huán)境溫度。通常我們將顯示分為兩種：一種是靜止不動(dòng)的顯示，另一種則為不斷閃爍跳動(dòng)的顯示。它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，第一種相對靜止的顯示雖然不會(huì)出現(xiàn)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(yùn)行的時(shí)間，但是它會(huì)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(fù)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dāng)電流在十幾到幾十mA范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)光二級管才能被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通，從而正常發(fā)光。顯示控制信號發(fā)出后經(jīng)鎖存器74HC573芯片后來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常工作，數(shù)碼管的COM0、COM1、COM2、COM3端子引腳分別與單片機(jī)的P07、P06、P05、P04端口引腳對應(yīng)連接，數(shù)碼管對應(yīng)的四個(gè)端口若其中任何一個(gè)輸出為低電位，那么所與之對應(yīng)的數(shù)碼管就被導(dǎo)通。顯示電路原理圖如下圖所示。 圖3.6 顯示電路設(shè)計(jì) 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(jì)算機(jī)鍵盤。而在單片機(jī)組成的各種系統(tǒng)中，鍵盤的識(shí)別靠軟件編程來實(shí)現(xiàn)，稱為非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤，本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤。 單片機(jī)檢測按鍵的原理是：單片機(jī)的I/O既可作為輸出也可作為輸入使用，當(dāng)檢測按鍵時(shí)用的是它的輸入功能，把按鍵的一端接地，另一端與單片機(jī)的某個(gè)I/O口相連，開始時(shí)先給I/0口賦一高電平，然后讓單片機(jī)不斷檢測該I/O口是否變?yōu)榈碗娖?，?dāng)按鍵閉合時(shí)，即相當(dāng)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(yīng)的指令。按鍵模塊與單片機(jī)連接電路圖如圖3.7所示。 圖3.7 按鍵電路設(shè)計(jì) 當(dāng)在廚房烹飪過程中產(chǎn)生的油煙蒸汽使環(huán)境溫度升高到所設(shè)定值時(shí)或者氣體傳感器檢測到油煙和煤氣濃度過高時(shí)，P3.1端口會(huì)從中斷服務(wù)子程序那獲得一個(gè)低電平，從而使蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)抽油機(jī)開始運(yùn)行，將油煙不斷抽走。 由于流經(jīng)單片機(jī)I/O口的電流太小，而蜂鳴器所需要的驅(qū)動(dòng)電流又很大，所以我們在接入蜂鳴器之前接入一個(gè)放大電路，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的目的。此次設(shè)計(jì)放大電路很簡單，就接入一個(gè)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(bào)警電路的原理圖如下圖所示。 圖3.8 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 軟件設(shè)計(jì)思想 軟件設(shè)計(jì)從工程角度講一般分為概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。概要設(shè)計(jì)主要目的是概括回答軟件系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)，所以概要設(shè)計(jì)有時(shí)又被稱為初步設(shè)計(jì)或者總體設(shè)計(jì)，在這個(gè)階段將劃分出組成系統(tǒng)的物理元素—文件、數(shù)據(jù)庫、程序、人工過程和文檔等，每個(gè)物理元素具體還不明確，具體內(nèi)容會(huì)在以后再仔細(xì)設(shè)計(jì)。概要設(shè)計(jì)最重要就是要確立軟件的總體結(jié)構(gòu)，即確定組成軟件系統(tǒng)的子系統(tǒng)或模塊以及它們之間的相互聯(lián)系；詳細(xì)設(shè)計(jì)主要是對概要設(shè)計(jì)結(jié)果的進(jìn)一步細(xì)化，它的主要任務(wù)是確定確定軟件各組成成分內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和算法過程，詳細(xì)設(shè)計(jì)一般方法有結(jié)構(gòu)化方法和面向?qū)ο蠓椒?。我們首先要根?jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能來設(shè)計(jì)一份合理的系統(tǒng)流程圖，然后為這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，確定測試要求并制定測試計(jì)劃。 本系統(tǒng)使用C語言編程，proteus進(jìn)行仿真，CAD繪圖軟件進(jìn)行相關(guān)圖的繪制，主程序主要包括五部分，系統(tǒng)通電后先進(jìn)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(shù)據(jù)顯示、鍵盤處理等四項(xiàng)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(shù)據(jù)采集任務(wù)；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(shù)據(jù)與本設(shè)計(jì)設(shè)定的各點(diǎn)上限溫度和氣體濃度值進(jìn)行比較處理，并判斷是否超出設(shè)定上限值，如果超出那么蜂鳴器便會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警；數(shù)據(jù)顯示部分主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示，顯示方式根據(jù)設(shè)計(jì)要求支持1-4個(gè)溫度測試點(diǎn)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(shí)現(xiàn)用戶對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，結(jié)合顯示部分，實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的人機(jī)接口。系統(tǒng)軟件的主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4.1所示。 圖4.1 主程序設(shè)計(jì)流程圖 系統(tǒng)主控機(jī)的設(shè)計(jì)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(bào)警服務(wù)程序，主要任務(wù)是選擇從機(jī)設(shè)備號并發(fā)送命令，對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示。運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位f=0時(shí)，系統(tǒng)受手動(dòng)開/關(guān)S1的控制；運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位f=1時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測運(yùn)行。 主要流程是：首先是對單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置， 接著顯示開機(jī)界面。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位f=1時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)檢測運(yùn)行，若此時(shí)端口P3.0顯示低電平，電機(jī)啟動(dòng)開始抽油煙，抽油煙工作時(shí)間設(shè)定為120s，然后程序返回從頭執(zhí)行；若此時(shí)端口P3.0為高電平，電機(jī)關(guān)閉，程序返回從頭執(zhí)行。運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位f=0時(shí)，系統(tǒng)受手動(dòng)開/關(guān)S1的控制；當(dāng)S1按下，電機(jī)啟動(dòng)，開始抽油煙。 4.2 油煙溫度檢測程序設(shè)計(jì) DS18B20采用單總線技術(shù)，即一條信號線，既可傳輸時(shí)鐘信號，又可傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)的傳輸是雙向進(jìn)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(shù)據(jù)時(shí)序可分為控制器讀“0”時(shí)間隙和讀“1”時(shí)間隙，主機(jī)把單總線拉低之后，必須在15m之內(nèi)釋放單總線，從單總線得到一個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。DS18B20完成一個(gè)讀時(shí)序過程至少要60us的時(shí)間。 通過按鍵來設(shè)定電路的報(bào)警溫度，按鍵一旦按下則報(bào)警溫度上升，用不斷循環(huán)來使得報(bào)警溫度能時(shí)時(shí)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(shù)據(jù)發(fā)送到顯示器。流程圖如圖4.4所示。 圖4.3 溫度設(shè)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(shè)計(jì) 首先需要給傳感器預(yù)熱3分鐘，因?yàn)镸Q-2型傳感器在不通電放置一段時(shí)間后，當(dāng)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(yù)熱時(shí)間。程序開始執(zhí)行后，系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將濃度值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，如果環(huán)境內(nèi)天然氣濃度超出安全設(shè)定值就進(jìn)行啟動(dòng)抽油煙和報(bào)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(bào)警程序設(shè)計(jì)