基于单片机的抽油烟机控制及净化系统设计

本科毕业设计（论文）基于单片机的抽油烟机控制及净化系统设计学 院 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 年级班别 2011级2班 学 号 2011401020213 学生姓名 杨 能 指导教师 刘 鹏 2016年 3 月 26 日目 录1 前言.1 1.1 本课题研究背景和意义.1 1.2 本课题研究任务.32 系统总体设计方案.4 2.1 本课题设计思路.4 2.2 系统各模块方案选择和论证.6 2.2.1 温度检测模块方案论证.6 2.2.2 气体检测模块方案论证.6 2.2.3 油烟净化模块方案论证.7 2.2.4 显示模块方案论证.93 系统硬件电路设计.103.1 单片机最小系统设计.103.2 电源电路设计.10 3.3 油烟温度检测电路设计.113.4 油烟和煤气浓度检测电路设计.123.5 显示、按键和报警电路设计.134 系统软件设计.164.1 软件设计思想.164.2 油烟温度检测程序设计.174.3 油烟和煤气浓度检测程序设计.194.4 显示、按键和报警程序设计.205 系统调试.235.1 硬件调试.235.2 软件调试.23参考文献.24 附录.25基于单片机的抽油烟机控制及净化系统设计摘 要中国目前大多数家庭安装的抽油烟机只能手动操作，抽油烟效果也并不是特别好，这与它们的外形设计和内部构造都有一定关系，而且它们大多数是直接将油烟排到室外，不仅污染环境，一段时间后还会使附近的墙壁等覆盖上一层厚厚的油烟。本设计对于温度高、污染大的油烟使用DS18B20数字温度传感器检测，对于温度低、危险系数大的天然气使用气敏传感器检测。当厨房里的油烟或者可燃气体浓度达到设定值时，传感器将检测到的信号送入单片机，单片机经分析后使相关程序运行，从而使电机启动开始抽油烟并同时发出声音报警。它还具有定时的功能，能够设置抽油烟机的工作时间长度。本设计的硬件部分主要包括抽油烟机的按键电路模块、温度检测模块、浓度检测模块、显示电路模块、声音报警模块等，系统软件部分对各模块的流程进行了仔细分析，包括控制主程序、油烟温度检测子程序、油烟和煤气浓度检测子程序、显示子程序、中断按键扫描子程序、中断报警服务子程序，通过这些程序便可实现抽油烟机的智能化控制。本设计还设置了油烟净化系统，实现了环保的功能。本设计主要依靠单片机进行控制，并由软件方面的设计来实现抽油烟机开关的自动控制，它与普通抽油烟机相比，具有灵活性较好，功耗低，易于操作等优点。它的净化系统采用的是旋流式油烟净化设备，油烟净化效果更好。【关键词】单片机 传感器 抽油烟机 检测 自动控制 油烟净化Microcontroller-Based ControlAnd Purification System Design HoodsAbstract 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 purification1 前言1.1 本课题研究背景和意义我国抽油烟机的发展史沿革在20世纪70年代末期，当时我国在五金行业内的科技信息工作人员依据掌握的国外方面的信息就大胆提出了在我国开发抽油烟机的想法。由于当时各个方面条件的限制，在国内还没有任何一家公司开发这种产品。当到了1987年7月，那个时候的上海桅灯厂把我国台湾地区所生产的抽油烟机作为样品，经过拆卸分解，测绘仿制成了中国大陆地区的第一台抽油烟机。从那以后抽油烟机在中国大陆开始迅速发展。中国抽油烟机行业现状的研究分析及市场前景的预测报告（2016年）是抽油烟机行业内企业、投资公司及相关政府部门精准把握抽油烟机行业发展趋势，清楚了解抽油烟机行业竞争格局、设法避免经营和投资的风险、制定良性竞争和投资战略决策的重要依据之一，具有很重要的参考价值。考虑到当前抽油烟机行业发展中面临的威胁和机遇，它提出了抽油烟机行业发展战略和投资方面的建议。并以严密的内容、具体的分析、十分可靠的数据、直观形象的图表等，帮助抽油烟机行业中的企业确切的掌握握了行业发展方向、正确制定出企业竞争战略和投资策略。2015-2020年中国抽油烟机市场的前景研究与投资前景报告目的是为项目投资人员或者企业管理人员提供关于抽油烟机产品的项目投资和其市场前景的深度分析，从而给投资人员及企业管理人员传达正确的投资经营方面的理念和选择，拟出一个中立、全面的投资方面的指导手册，给抽油烟机产品市场的投资提供一个参考标准。该报告详细陈述了抽油烟机产品的行业大概情况、市场目前发展现状和抽油烟机未来5年的市场供需和发展趋势预测，并且该报告在研究抽油烟机的市场竞争、原始材料、客户需求的基础之上，不仅对抽油烟机行业投资的前景方面和投资价值方面进行了研究，而且提出了大家对抽油烟机产品投资方面的建议。在美国西雅图隆召开的第74届国际电工委员会组织(IEC)年会和部分技术委员会组织(TC)、分技术委员会组织(SC)及工作组(WG)会议声明日前，国内最大的家用电器市场调研组织中怡康时代公司(CMM)公布2010年度1-11月份中国抽油烟机行业相关监控数据和发展趋势分析，该数据显示中国抽油烟机行业已迈入品牌竞争阶段，品牌集中度逐年提升。根据中怡康数据显示，2010年1-11月份各品牌油烟机零售额占有率累计中，方太以15.79%位居第一，其次依次是老板14.89%、华帝8.68%、西门子7.69%、帅康7.67%。位居前三强的方太、老板、华帝，一共划走了油烟机39.36%的零售额市场份额。前十强零售额占有率则达到74.32%。据国内外专家研究：厨房的油烟中具有一种被叫做苯并芘的致癌物质，它能够导致体内细胞的染色体发生变异，引起局部组织发生癌变。国际品牌的抽油烟机在中国销售的并不多，主要有意大利的阿里斯顿、华伦帝、家宝、法贝、艾丽卡、白朗、帝斯等。目前国内畅销品牌格林格抽油烟机的油烟分离板方面的设计就是依照阿里斯顿XH90抽油烟机及法贝MODULO蒙特洛系列抽油烟机设计出来的对于欧式抽油烟机而言主要强调电机功率适宜、双涡轮、小集烟仓和无集烟仓、许多层致密网板相互叠加。中式抽油烟机抽排烟果很好，可是油烟不易分离，对周围环境会造成一定的污染，欧式抽油烟机追求油烟分离、噪声低、环保节能，可是其抽油烟效果比较差。薄型由于技术方面不过关基本已经被市场淘汰，深抽型占领市场已有很长时间，欧式抽油烟机的发展空间相对较大。但欧式抽油烟机和中式抽油烟机相比，并没有什么很特别的技术含量，产品的技术门槛并不高。 在大多的时候，油烟中含有在烹饪过程中所生成的如燃料废气(如一氧化碳、二氧化碳、氮化物和硫化物等)、燃料小颗粒物(如碳粒、灰尘等)、油蒸气和水蒸气等，成份比较复杂。总之，油烟是一种包含有气、固、液三种形态物质的气体状流体。对于治理家庭油烟污染所使用的净化技术一般是分离法。分离法主要包括机械式净化法、湿式净化法和静电式净化法以及复合式净化法等方法。机械式净化法是指通过过滤、惯性碰撞、吸附或运用其他机械分离原理除去油烟的净化方法。湿式净化法是指利用水膜、喷雾、冲击等液体具有吸收烟气的原理除去油烟的净化方法。静电式净化方法是指用静电原理除去油烟的净化方法。现在市场上已经有等离子体净化油烟的设备开始投入使用，这项技术目前在国内算是十分先进的油烟净化技术了。它的原理主要是在使用高压静电法时，同时在静电场的前面设置等离子场，通过利用强大能量刺激所产生的许多活性自由基来对油雾微粒进行降解使油雾微粒粘度下降，这样有利于极板收集的油污可以在最大程度上沉降到集油槽中。与此同时，在产生等离子体的期间高频放电释放的瞬时强大能量，可以打开其中一些有害气体分子化学键，进而使这些气体分子分解为单质原于或者无害分子。等离子体净化法对油烟的除去效果很明显，净化后的气体也没有什么异味。 现在用于居民厨房的抽油烟机主要是通过叶轮的转动，在产生简单的惯性分离的时候，同时产生气力输送，再经过过滤来达到对油烟净化的目的。这种抽油烟机一般存在4方面的问题：第一由于片面注重美观把机型设计为扁方浅型，因此与空气动力学原理相悖，使其无法形成绝佳的负压区，油烟排除效果不佳，从而造成厨房内油烟浓度仍然很大；第二叶轮转动所产生的惯性分离，效果不是很好，主要原因是叶轮转动产生的流场还没有转变成旋流场，油烟在此期间停留的时间太少，没有足够的时间来沉降分离；第三是过滤介质极易被堵，因为油烟具有很强的粘附特性；第四过滤介质被污染后不可以再利用，新的污染就产生了；抽油烟机在使用过程中，叶轮肯定会与油烟接触，使用久了后叶轮上会满是烟油，很难清洗。所以这种抽油烟机在用一段时间后便会出现除去和净化油烟的效果都变差了，厨房甚至厨房附近的家具都铺满一层漆黑的油垢。表 1.1是各种油烟净化处理技术性能方面的比较。表1.1 各种油烟处理技术性能比较油烟处理技术油烟除去率(%)压力降(Pa)投资费用运行费用过滤法7580100500大较大静电法7580100300较大耗电费大运水烟罩7585200300大较大活性碳吸附法7580100500大较大蜂窝式净化法变化大200300小大由于目前国内厨房油烟净化的研究还处于起步阶段，人们对油烟危害认识不足以及对其处理方法缺乏重视，我国餐饮企业和家庭厨房对油烟净化的效率都远远达不到要求。因此，分析油烟的污染状况，提出油烟治理新技术，已经刻不容缓。厨房在家庭中是空气污染特别严重的地方，其污染源头主要有两大方面；一方面是家里燃烧煤炭、煤气、液化石油气等气体产生的二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体；另一方面是炒菜时产生的油烟。现在很多厨房装修采用的是开放式设计，可是在做中餐的时候会产生大量油烟，因为是开放式的厨房，所以油烟很容易流通到家里其他地方，如果油烟不能很好的排除，就会使家里到处充满油烟的污染。油烟不仅危害环境，而且危害人体健康。中餐向来以美味享誉于世界，但是厨房油烟成分很复杂-含有200300种有毒有害物质，是每个家庭健康的大敌。中国妇女一般都很少酗酒、吸烟，但她们中很多人极易衰老，这是为什么呢？研究人员发现，这和她们每天在家里做饭时会吸入大量油烟有很大关系。研究人员通过动物做实验，发现油烟中含有可以导致癌症的物质，这种物质能使细胞发生畸变。这些物质若被吸入肺部，会引起众多疾病。但中国一般都是妇女在厨房做饭，难以避免会成为油烟污染最大的受害者。对家庭：油烟被吸入呼吸管道，会引起食欲不振、心情烦躁、精神颓废等症状；医学上叫做油烟综合症。油烟主要成分是丙烯醛，它对眼、鼻、咽喉黏膜等有强烈的刺激，很可能会引起慢性角膜炎、鼻子发炎、咽喉发炎、气管炎等疾病，除此之外油烟中有74种化学成分，能使细胞发生病变，甚者导致不育。油烟使厨房感觉很脏的同时也给清洁厨房带来了很大的负担，所以最好的解决办法就是将油烟去除。对妇女:烟雾含有致癌物质,长期吸入的烟雾从一个组织病变,长期接触气体的比例40到60岁的女性的患病率会增加。粗糙的皮肤皱纹、脱发、色素、脂肪煤烟颗粒堵塞皮肤毛孔,导致女性皮肤干燥、粗糙、皱纹、色素沉着,使更多的脂肪,吸烟会损害免疫系统,和五年的烹饪经验,会有不同程度的脱发。对孩子：若一定量的油烟进入孩子鼻子、眼睛和肺部等，容易引起相关部位疾病的产生，如：鼻炎、咽炎、肺炎等，对孩子的健康造成十分严重的危害。对年老者：由于老年人年老体衰，抵抗力比较差，特别容易受外部环境的影响，所以油烟污染容易使老年人得一些老年疾病。从而严重威胁到老年人的健康和寿命。综上所述，我们只有将油烟排除才能排除它对人体健康的威胁，同时需要将排出的油烟进行净化，才能做到不污染环境，这样才能做到全面协调可持续发展。而对于中国人制作中餐来说，烹饪产生的油烟尤其多，那么厨房抽油烟和净化油烟显得十分重要。所以抽油烟机就成了改变厨房环境的一个“有力武器”。它改变了厨房的大环境，减少油烟对厨房环境和人体健康造成伤害。基于单片机的抽油烟机控制及净化系统设计不仅实现了抽油烟和净化油烟，还实现了智能化抽油烟，本设计同时设有手动开关，在手动运行下，其功能和普通油烟机一样，可人为的要求开启或关闭，但当煤气泄漏时，不论在自动还是手动运行情况下，抽油烟机会立即启动，并伴随声音报警。所以我们不仅不用担心时间长了油烟排不出去然后沾附到了墙上的问题，也不用担心家里煤气泄漏导致意外发生。1.2 本课题研究任务本设计采用单片机对油烟浓度的检测，并对测试油烟环境的温度进行检测，判断油烟环境温度是否达到危险温度，如达到危险温度即发出报警，并显示出来。单片机通过对检测信号的实时采集，对温度高、污染大的烟气采用数字温度传感器检测，而温度低但危险较大的天然气采用气敏传感器检测。该系统可以根据油烟的浓度启动电机，单片机根据油烟气敏传感器检测到的信号控制电机的转速，当油烟的浓度小于设定值时，油烟机会自动关闭，转速的可调，经济环保，避免了能源的浪费；当厨房的油烟或可燃有害气体达到一定浓度值时，经传感器进入单片机分析，使电机电路自动启动并发出声音报警，抽油机迅速将有害气体抽走，当油烟的温度高于某一设定值时，迅速启动电机电路，抽走油烟，达到净化环境的效果。2 系统总体设计方案2.1 本课题设计思路根据目前抽油烟机所存在的一些问题和油烟对大自然环境所造成的伤害程度，以及根据抽油烟机净化技术方面研究的现状和函待解决的问题。以国内外研究资料作参考文献，通过大量收集以单片机为核心模块方面的资料和仔细分析现代油烟净化设备的特性和原理，并基于该系统应用和控制方面的要求来完成系统总体方案的制定。通过研究并比较相关元器件的所能实现的功能和特点来选择出最适用的元器件。在系统硬件设计方面主要由单片机最小的系统、油烟温度的检测电路、油烟和煤气浓度的检测电路、显示电路、声音报警电路、自动照明电路、油烟净化系统等；在系统软件设计方面，运用最普遍的C语言进行编程，通过Keil软件进行程序的编写和不断调试，再将调试好的程序通过烧录软件烧录入单片机，在仿真方面都是通过Proteus仿真软件绘制。以下是抽油烟机的三种方案设计与比较。方案一：给出一个分立元件的抽油烟机的电路基于分立元件的抽油烟机的控制系统部分主要是由控制电路模块、键盘电路模块、指示灯电路模块和电机驱动电路模块组成。它的原理框图如下图2.1所示。图2.1 基于分立元件抽油烟机的原理方框图方案二：基于AT89S51微处理器的抽油烟机的控制电路该系统主要分为检测和控制两个部分，检测部分包括键盘输入电路模块、烟雾检测电路模块、煤气检测电路模块三个部分，该系统的控制部分主要包括单片机AT89S51、按键电路模块、声音报警电路模块、定时显示电路模块四个部分组成，自动照明电路只有在抽油烟机开始工作时才有用。如下图2.2所示。图2.2 基于AT89S51微处理器的系统原理图单片机通过对检测信号的采集，对于污染大且温度较高的油烟使用热敏性传感器来检测，对于危险系数大且温度低的燃气将使用气敏性传感器来检测。如果厨房里的油烟或者有害气体的浓度达到一定值时，这时传感器会将采集到的信号送入单片机，单片机经分析后会使控制电机启动的电路和声音报警电路同时启动，有害气体会被抽油烟机马上抽走，从而确保厨房的环境安全。该设计设置有定时的功能，可以设置抽油烟机的工作时间长度，从而实现智能抽油烟的功能。该设计还设置有手动开关，当处于手动状态下时，它的功能跟普通抽油烟机没什么不一样，能够人为的开关，但是一旦发生煤气泄漏事故，不管是在手动还是自动运行状态下，电机都会马上启动，开始迅速抽油烟，同时伴随着声音报警，但是其稳定性无法得到保证。方案三：基于AT89S52微处理器的抽油烟机的控制电路该系统划分为检测部分和控制部分（图2.3），检测部分由键盘输入，烟雾探测，气体检测三部分组成，单片机控制电路分为AT89S52单片机，抽油烟机开关电路，声音报警，显示电路和油烟净化系统五个部份，其中当抽油烟机开始工作时自动照明电路是有效的，以确保微控制器的正常操作，在本论文中还把看门狗的设计加入其中，从而使单片机正常运行得到一定保证，并且它可以随时监测电源是否稳定和程序是否在正常的执行。 图2.3 基于AT89S52微处理器的系统原理图该系统中对油烟浓度的检测使用方法是让模数转换芯片和单片机技术相结合，对于油烟温度检测模块我们采用温度传感器检测，温度传感器感知油烟环境状况下的温度，并通过采集信号判断环境温度是否达到所设定的危险温度，如果达到就会发出声音报警，同时启动抽油机将油烟抽走，使厨房保持空气清新，也避免了不必要的危险发生，并将环境的温度显示出来。对于油烟煤气浓度检测模块我们采用气敏性传感器，这个系统可以根据检测到油烟煤气浓度来对抽油烟机电机进行启动和停止，当油烟和煤气浓度超过某一设定值时，抽油烟机会自己开始工作，当其浓度低于该设定值时，抽油烟机会自动停止工作。并且电机转动速度是可以调节的，单片机根据检测到的信号进行分析，在油烟和煤气超过使电机启动时的浓度时，浓度越高电机转速越快，但当其浓度越来越高，超过设定最高值时，当然超过这个值后很可能会慢慢对人体造成伤害，所以这个时候单片机根据检测到的信号分析判断，一边使电机以最快的速度工作将油烟和煤气迅速抽走，一边启动报警电路，对在场人员发出警告，并启示我们迅速采取措施。本设计还通过看门狗实现了定时的作用，可以通过人为设置抽油烟的时间，从而达到抽油烟智能化的目的。这个设计不仅可以智能化抽油烟，而且可以通过手动开关人为操作控制抽油烟，这个时候它和普通的抽油烟机没什么区别，普通抽油烟机的使用方法同样适用于它。但不管是在通过单片机实现智能化操作情况下，还是人为运作下，当出现煤气泄漏的情况时，抽油烟机都会自己启动工作，并同时使报警电路启动，从而实现防止因煤气泄漏而造成的中毒事件发生。在保证室内环境和安全的情况下，本设计同时也保证了室外大自然的环境，因为在抽油烟机工作时，所抽出的有害油烟和气体都会进入到本设计油烟净化系统，从净化系统出来的气体都会达到基本正常标准，从而达到环保的目的，实现人与大自然和谐相处。 在系统的设计过程中，最终方案的选择必定要与实际情况联系在一起，从多方面考虑该设计的可行性，我们不能仅仅考虑设计的先进性，再先进的设计如果无法与现实接轨，那也是一个失败的设计，所以我们要综合考虑，寻找相对最佳的答案。基于分立元件的抽油烟机通过纯粹的硬件实现系统的控制，所以电路结构十分复杂，将会使用到很多集成IC，不仅功能实现起来非常麻烦，而且其电路的稳定性也不太好。基于AT89S51微处理器的抽油烟机所采用的控制方式是硬件和软件相结合的方式，电路比较简单，所用到的集成IC也会相对较少，功能比较完善，稳定性也较高。基于AT89S52微处理器的抽油烟机具备上述方案二的所有优点，它所采用的控制芯片AT89S52是AT89S51的增强型，该单片机计算功能很强，程序编程也十分自由，灵活性好，所以能够通过编写程序代码实现各种功能控制和算法。该单片机在大多领域都应用十分宽广，因为它具有消耗功率小、节省空间、技术稳定和划算等优势。该设计通过温度传感器和气敏性传感器来检测温度和烟雾浓度，传感器将检测的信号变为电流或电压信号，最后通过A/D转换变为数字信号传下去而且该设计添加了油烟净化系统，符合生态文明理念。经过上述的方案比较和综合各方面因素考虑后，本设计最后采用方案三。2.2 系统各模块方案选择和论证2.2.1 温度检测模块方案论证方案一：使用DS18B20数字温度传感器，信息从单线接口输入DS18B20或者从DS18B20输出，所以从控制核心AT89S52单片机到温度传感器DS18B20只需要连接一条线。读写与完成温度转换的电源能够由数据线自身提供，所以可以不用外部电源。电路十分简单，所需成本比较低，精度也很高，但编程相对复杂一点，转换速度也不是很快。方案二：使用AD590温度传感器，它是电流输出型的两端温度传感器。该传感器是根据PN结构正向电流和温度的关系制作而成，能够把温度转化为电流信号，电流大小随着热力学温度升高而增大，经过A/D转换器后将信号传送入单片机，单片机经分析后读出。AD590温度传感器的优点是转换速度快，精度很高，编程也简单，其缺点是必须与高精度的模数转换器配合使用，而且校准十分麻烦，成本较高，电路也比较复杂。在监测点较多且监测点间距离超过10米的情况下，使用AD590温度传感器更加简便。方案三：使用Pt100铂热电阻测温。铂电阻温度传感器是利用电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，测温电路有桥式测温电路和恒流源式测温电路，桥式测温电路利用电桥平衡原理输出一个mV级的电压差信号，经过运算放大器的放大后送入ADC转换电路；恒流源测温电路则需要提供一个1mA左右的稳定电流，其原理和桥式测温电路基本相同，都要采集铂热电阻两端的电压差信号。测温范围可在-200650之间变化，测量精度在0.050.5之间变化。受Pt100铂热电阻本身非线性度的限制，它对硬件和软件设计的要求就非常高，在一定程度上增加了设计的难度，在精度要求不高的场合很少用这种模拟温度传感器。综合上述方案比较和结合实际中各方面因素的考虑，我们选择方案一。2.2.2 气体检测模块方案论证方案一：采用NIS-09离子传感器，其内部使用了极其少量的放射性物质镅241。但由于该传感器自身被金属制成的电极所包围,所以不会将放射能泄漏到外界。NIS-09离子传感器适用于各种对灵敏度要求较高的烟雾探测器和火灾报警器等，其工作最大电压为24V,主要会在报警系统中使用。方案二：采用MQ-2烟雾传感器，它的电阻值会随着气体的种类和浓度变化而发生变化，适用于液化石油气、甲烷、丙烷、丁烷、氢气、酒精和烟雾等的探测。MQ-2具有价格低廉，寿命长，使用既容易又方便，而且易于买到手等许多优点，把相关电路焊接好便可进行油烟和煤气浓度的检测，输出的模拟信号电压为0-5伏。气敏性传感器将检测的信号变换为电信号。再通过模数转换模块将信号变为数字信号输出，这样使单片机更加易于控制该系统。方案三：采用MQ-5可燃气体传感器，它对可燃气体浓度具有广阔的探测范围，具有高灵敏度、寿命长、低成本和快速响应恢复的特性，能够用于家庭以及工厂的气体泄漏监测装置方面， 适用于液化石油气、甲烷、丙烷、丁烷、人工煤气等的探测。当该传感器处于有可燃气体存在的环境中，它的电导率与可燃气体浓度成正比变化，只需要一个设计一个简单的电路便可将电导率变化转化为和气体浓度变化对应的输出信号。综合上述方案比较和结合实际中各方面因素的考虑，我们可选择方案二或者方案三，本设计采用方案二。2.2.3 油烟净化模块方案论证方案一：采用惯性分离法，它是通过使流动方向发生改变而使油烟中的油滴排烟管发生惯性碰撞，从而使油滴从气体中被分离出去。这种方法具有操作维护简便，设备简单，耗能低等优点，但是它的净化效率低，适用于对净化效率要求不高的场合，一般会与其他方法结合使用。方案二：采用过滤法，它的原理是当油烟气流经过过滤层时，油烟颗粒会被过滤出来。一般的过滤法具有投资较少，机构和流程比较简单，工作状态下稳定可靠；它的缺点是当使用一段时间后，过滤效果会变差很多，因为油烟颗粒粘性很强，极易阻塞，过滤层会越来越脏，不易清洗，过滤层中滤网是不能够重复使用的，所以定期更换滤网大大增加了运行成本，使用过的滤网还有可能带来二次污染。方案三：采用静电法，它是利用带电粒子同极性相排斥，异极性相吸引的原理，利用阴极在高压电场区中发射电子，通过电场使油烟颗粒带上电荷，在电场力作用下，这些带电油烟颗粒会聚集到阳极电极。这种设备的关键技术是在电源方面，两极板间距离和电压都对净化效率有影响。该方法的优点是净化效率高，不会占太多面积，耗能低，但是造价很高，还不能够除去气态的污染物，集油板不易清洗，维护工作量很大。方案四：采用湿式处理法，它的原理是使油烟通过吸收液，从而使污染物从气相转换为液相。如果仅仅用水喷淋，效果不太明显，所以需要向水中投入一些化学试剂，使污染物从气相变为液相。该方法的优点是净化效果较好，特别是对气态污染物，且易于维护，占地面积相对不大，但是其投资高，阻力大，能耗高，对于洗手液的处理很可能造成二次污染。方案五：采用旋流式净化法，与其它的油烟净化设备相比较，旋流式油烟净化设备改进最大的地方就是使用了旋流器，它能够产生高速旋流，利用流体动力学原理，让油烟、废气、异味吸排更加彻底，净化效率也大大提高了，旋流器作为一种分离设备，由于它有结构比较简单，安装十分方便，设备制造成本较低，运行稳定可靠，又易于清洗，容易实现自动控制，在安装方面也十分节省空间，不存在有碰头或者滴油的担心等诸多优点，在化工、采矿、环保、能源等很多工业领域被广泛应用。综合上述方案比较和结合实际中各方面因素的考虑，本设计采用方案五。油烟净化系统主要由四部分组成，分别是风机和风量调节阀、油烟净化设备、油烟初级发生器。电气控制装置可以通过采集从检测装置和油烟净化设备中获得的信号，从而实现对风机的操作和控制。我们设置采样点完全是出于系统的需要，油烟净化系统的主要目的就是净化油烟，所以它的最重要的装置就是它的油烟净化设备，目前的油烟净化设备只能是减少油烟中的有害成分，并不能完全净化油烟，但是经过净化设备排出的油烟已经对环境危害很小了，从而达到净化的目的，由于目前的技术问题，我们还不能将油烟完全净化，所以对于油烟净化设备进一步的研究并加以改进也是十分必要的。为了达到减少对空气所造成的污染，实现净化油烟的目的，我们通常可以通过控制风机来调节油烟的排出流量。如下图所示是油烟净化系统的原理图。图2.4 油烟净化系统的原理图检测装置主要是通过对油烟压力和流量的检测并经过判断分析，从而控制风机来调节油烟排出的流量大小来达到净化目的。如果油烟流速太慢的话，那么油烟排出很可能会不通畅；如果油烟流速太快的话，那么油烟管道阻力又会过大，从而会使系统的噪音和能量消耗过高。所以油烟流速最好让它在一定范围内，这样净化效果相对会更好一些。当然油烟压力也是我们必须考虑的一个关键因素，一般情况下，油烟进入的地方要呈现一定负压，根据大气压强原理会使油烟交易进入净化设备；所以同样道理为了使油烟更好的排出，我们必须让油烟出口的地方呈现一定正压。我们对于油烟压力的检测通常是通过压力传感器来实现的，压力传感器在采样点处将所感知的压力信号转化为电信号，但电信号十分微弱，所以需要接入一个放大电路后再转换成模拟电压输出，并且同时将信号传导电气控制装置。在工程上我们通常是通过流速计和流量计来检测和显示对应的流速和流量，同时将检测的信号传给电气控制装置。在餐饮方面的净化设备涉及到通风机和前端净化器的两个电机的控制，我们通常是操作继电器和变频器来调节电机转速，从而达到减小噪声和省电的效果，并且是净化系统效果处在一个相对比较好状态。通过多方面优缺点的比较，我们采用旋流式油烟净化设备。它的原理是当油烟进入旋风筒，在筒内部剧烈旋转，含油烟的气体慢慢顺着筒内壁呈螺旋运动下降，由于离心力作用使油雾被分离出筒内表面，最后油雾凝聚在一起形成大油滴，又由于重力作用使其沉降于底部，从而当达到一定量就排放。油烟中的油具有很强的粘连性，所以当离心作用时气体中油滴很容易吸附在内壁上，这样使净化的功效就更加明显了。这种方法净化率可达到百分之九十，经净化后的油烟气体直接排到大气中。旋流净化设备的结构图如下图所示。1-风机；2-三通管；3-软管；4-旋流器；5-油杯图2.5 旋流式油烟净化设备的结构2.2.4显示模块方案论证方案一：显示模块用液晶屏显示，它的特点主要是质量轻体积小、省电、显示的状态十分稳定，可视面积较大，而且看起来的视觉效果比较好，更容易辨识，具有极强的抵抗干扰能力。方案二：采用LED数码管显示，它相对液晶屏显示具有更多优点，它在能量、物质损耗和电压要求方面都很低，而且使用时间能够很长，不易老化。无论在太阳照射，潮水浸泡，火灾或高低温的情况下都有自我防护作用，同时它显示准确度高、质量轻、易于操作，对外界环境要求也不高。而且在编程方面数码管相对较容易，不会占很多资源，成本相对较低，使用寿命比较长。方案三：显示模块用12864LCM点阵显示器，它具有显示界面效果好，可以显示大量的信息，接口电路相对简单，能够和单片机直接相连接，但价格相对稍微贵一点。综合上述方案比较和结合实际中各方面因素的考虑，第二种方案更加符合实际情况，更加实用。所以本设计采用方案二。3 系统硬件电路设计3.1 单片机最小系统设计单片机最小系统一般由时钟电路和复位电路组成。单片机时钟电路里面包含有晶振和电容，并且晶振和电容构成了自激振荡电路，它可以为单片机工作时提供所需要的内部时钟信号。单片机的处理速度和单片机最小系统晶振震荡频率大小直接相关，处理速度和其震荡频率成正比。我们之所以选择采用12MHZ的晶振，是为了更容易计算其机器周期。若在RES(9脚)上提供2个连续的机器周期高电平，那么就能够使该单片机整体达到复位的目的。该单片机复位所需时间与复位电路中的极性电容有直接的关系，且该单片机最小系统容值与其复位时间成反比，所以我们一般采用10-30uF的极性电容，而该最小系统采用的极性电容容值为22uF。如下图所示。图3.1 单片机最小系统设计3.2 电源电路设计稳定直流源的设计通常是让输入电压先经过电压变压器降压，然后经过整流网络，再经过滤波网络，最后经过稳压网络得到稳定的电压输出。方案一：采用桥式整流电路来实现整流的目的，用大电容作为滤波电路，再与负载相接。但是这种方法有一些缺点，如没有保护电路，电压值不可以调整，负载的影响特别大等许多缺点。方案二：在方案一中我们使用一些芯片，可以弥补上述缺点，整流网络使用全波整流电路，滤波网络用极性电容，双极性稳定直流源是由固定模式的三端集成稳压电路7805和7905制作成的，可以连续可调。220V（幅值311V）50Hz市电经变压器220:25输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805C与LM7905C作用得到5V的直流输出。稳压直流源通常包括变压器、整流器、稳压器三部分，如下图所示。图3.2 直流电源系统方框图电源变压器：将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。整流电路：利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。滤波电路：利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。稳压电路：利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。具体电路如下图3.3所示：图3.3 电源电路设计输入电容C1、C2用于抑制纹波电压，输出电容C3、C4用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。同时由于输出电容C3、C4的存在，容易发生电容放电而损坏稳压器，RV1和RV2是滑动变阻器，可以调节输出的电压。R1和R2是限流电阻，防止线路电流太大。3.3 油烟温度检测电路设计由上面第二章论述可知我们对油烟温度检测电路模块采用的是DS18B20温度传感器芯片。假定我们将30摄氏度设置成抽油烟机的最低开始工作温度，电阻采用阻值为4.7千欧电阻，当气温比较低且空气中油烟蒸汽不多时，此时若温度比所设定最低温度还低，那么单片机对采集到的信号进行分析，进入相应编写好的程序，从而单片机从P3.0端口显示出高电位，再经过反向器74LS04芯片后转化为低电位，此时电机不能够被启动。但如果由于某种原因造成造成空气中油烟蒸汽浓度较大时，这时候其周边环境温度也会相应升高，当环境温度超出电机启动温度设定值时，温度传感器会将检测到的信号传入单片机，单片机经分析后，使相应的程序开始执行，从而使低电平从单片机P3.0输出，同样经过具有反向功能的芯片74LS04后转化为高电平，此时电机会开始运行工作，同时发出报警声音。我们为了避免经常闭合断开造成的困扰，所以将程序编写使其每隔120秒就温度检测一次，从而保证系统的正常工作运行。该设计油烟温度检测电路图如下图所示。图3.4 油烟温度检测电路设计3.4 油烟和煤气浓度检测电路设计MQ-2型气体传感器所呈现的电阻值会与气体的种类和气体的浓度有很大关系，所以对于这种类型的传感器，它的灵敏度调整电阻的选择就显得十分重要。在此次设计中我们选择阻值为10千欧名称为R10的电阻作为其灵敏度的调整。此次设计采用的MQ-2气体传感器具有很多优点，像一般的气体传感器所具备的响应迅速、十分灵敏、具有极强的抗干扰能力、使用时间特别长等特点它都具备。并且它可以将环境中的煤气浓度检测出来并变换成电流或者电压信号，再经过模数转换电路，将模拟信号变为数字形式的信号传送给单片机，单片机对所接收的信号进行分析处理，使系统相应的子函数开始执行，从而达到启动电机和完成声音报警控制等方面的工作。气体传感器型油烟煤气检测模块的电路图如下图所示。图3.5 油烟和煤气浓度检测电路设计3.5 显示、按键和报警电路设计本次论文设计显示电路模块所采用的是七段LED数码管显示，它将实现显示所设定定时时间长度、定时所还剩下的时间和当前环境温度。通常我们将显示分为两种：一种是静止不动的显示，另一种则为不断闪烁跳动的显示。它们都有各自的优缺点，第一种相对静止的显示虽然不会出现闪烁不定的情况，在程序编写方面也相对简单一些，而且还可以减少CPU运行的时间，但是它会占用很多端口；第二种显示的稳定性明显没有第一种好，在程序编写方面也相对较为复杂，但是它相对第一种显示而言需要占用的端口资源要少的多。由于此次设计需要节省端口资源以备它用，所以综上所述，我们采用第二种显示方法。此次设计中将从P0口把位选码输出，从P2口将显示码输出。发光二极管只有当电流在十几到几十mA范围内时，发光二级管才能被驱动导通，从而正常发光。显示控制信号发出后经锁存器74HC573芯片后来驱动数码管正常工作，数码管的COM0、COM1、COM2、COM3端子引脚分别与单片机的P07、P06、P05、P04端口引脚对应连接，数码管对应的四个端口若其中任何一个输出为低电位，那么所与之对应的数码管就被导通。显示电路原理图如下图所示。图3.6 显示电路设计键盘分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘由硬件编码器组成，如计算机键盘。而在单片机组成的各种系统中，键盘的识别靠软件编程来实现，称为非编码键盘。非编码键盘又分为独立式键盘和矩阵式键盘，本设计采用独立式键盘。单片机检测按键的原理是：单片机的I/O既可作为输出也可作为输入使用，当检测按键时用的是它的输入功能，把按键的一端接地，另一端与单片机的某个I/O口相连，开始时先给I/0口赋一高电平，然后让单片机不断检测该I/O口是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该I/0口通过按键与地相连，变为低电平，程序一旦检测到I/O口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应的指令。按键模块与单片机连接电路图如图3.7所示。图3.7 按键电路设计当在厨房烹饪过程中产生的油烟蒸汽使环境温度升高到所设定值时或者气体传感器检测到油烟和煤气浓度过高时，P3.1端口会从中断服务子程序那获得一个低电平，从而使蜂鸣器发出报警声音，同时抽油机开始运行，将油烟不断抽走。由于流经单片机I/O口的电流太小，而蜂鸣器所需要的驱动电流又很大，所以我们在接入蜂鸣器之前接入一个放大电路，从而达到驱动蜂鸣器的目的。此次设计放大电路很简单，就接入一个简单的三极管来放大电流就足够了，我们所用到的蜂鸣器为5V有源蜂鸣器YMD12065。声音报警电路的原理图如下图所示。图3.8 报警电路设计4 系统软件设计4.1 软件设计思想软件设计从工程角度讲一般分为概要设计和详细设计。概要设计主要目的是概括回答软件系统如何实现，所以概要设计有时又被称为初步设计或者总体设计，在这个阶段将划分出组成系统的物理元素文件、数据库、程序、人工过程和文档等，每个物理元素具体还不明确，具体内容会在以后再仔细设计。概要设计最重要就是要确立软件的总体结构，即确定组成软件系统的子系统或模块以及它们之间的相互联系；详细设计主要是对概要设计结果的进一步细化，它的主要任务是确定确定软件各组成成分内部的结构和算法过程，详细设计一般方法有结构化方法和面向对象方法。我们首先要根据需要实现的功能来设计一份合理的系统流程图，然后为这个系统设计软件结构，进行必要的数据库设计，确定测试要求并制定测试计划。本系统使用C语言编程，proteus进行仿真，CAD绘图软件进行相关图的绘制，主程序主要包括五部分，系统通电后先进行初始化，依次完成温度和气体浓度采集、温度和气体浓度处理、数据显示、键盘处理等四项功能。温度和气体浓度采集部分主要完成温度和浓度测试段的温度和气体浓度数据采集任务；温度和气体浓度处理部分主要是将采集到的温度和浓度数据与本设计设定的各点上限温度和气体浓度值进行比较处理，并判断是否超出设定上限值，如果超出那么蜂鸣器便会发出声音报警；数据显示部分主要实现温度数据的显示，显示方式根据设计要求支持1-4个温度测试点的轮流循环显示和固定显示两种方式；键盘处理部分主要实现用户对系统参数的设置，结合显示部分，实现用户与系统之间的人机接口。系统软件的主程序设计流程图如图4.1所示。图4.1 主程序设计流程图系统主控机的设计包括油烟温度检测程序、油烟和煤气浓度检测程序、中断键盘扫描程序、LED显示程序、中断报警服务程序，主要任务是选择从机设备号并发送命令，对接收的数据进行处理并显示。运行状态标志位f=0时，系统受手动开/关S1的控制；运行状态标志位f=1时，系统自动检测运行。主要流程是：首先是对单片机进行系统初始化设置， 接着显示开机界面。当运行状态标志位f=1时，系统自动检测运行，若此时端口P3.0显示低电平，电机启动开始抽油烟，抽油烟工作时间设定为120s，然后程序返回从头执行；若此时端口P3.0为高电平，电机关闭，程序返回从头执行。运行状态标志位f=0时，系统受手动开/关S1的控制；当S1按下，电机启动，开始抽油烟。4.2 油烟温度检测程序设计DS18B20采用单总线技术，即一条信号线，既可传输时钟信号，又可传输数据，而且数据的传输是双向进行的。温度检测主程序流程图如图4.2所示。图4.2 温度检测程序流程图DS18B20读数据时序可分为控制器读“0”时间隙和读“1”时间隙，主机把单总线拉低之后，必须在15m之内释放单总线，从单总线得到一个状态位，并进行数据处理。DS18B20完成一个读时序过程至少要60us的时间。通过按键来设定电路的报警温度，按键一旦按下则报警温度上升，用不断循环来使得报警温度能时时随着使用者的心意改变。流程图如图4.3所示。温度采集模块的作用是测量环境的温度，再将数据发送到显示器。流程图如图4.4所示。图4.3 温度设定模块流程图图4.4 温度采集模块流程图 4.3 油烟和煤气浓度检测程序设计首先需要给传感器预热3分钟，因为MQ-2型传感器在不通电放置一段时间后，当它再次上电情况下不能够立即正常采集油烟和煤气的信息，需要几分钟预热时间。程序开始执行后，系统进入监控状态。然后通过对传感器检测的油烟和气体浓度信号进行A/D转换后送入单片机进行数据处理，将浓度值与报警限设定值相比较，如果环境内天然气浓度超出安全设定值就进行启动抽油烟和报警，否则继续检测。其程序流程图如图4.5所示。图4.5油烟和煤气浓度检测程序流程图4.4 显示、按键和报警程序设计