自适应抽油烟机控制器设计资料.docx

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自适应抽油烟机控制器设计资料

编号：

桂林电子科技大学

毕业设计（论文）说明书

题目:

自适应抽油烟机控制器设计

系别:

专业:

通信工程

学生姓名:

学号:

指导教师:

职称:

讲师

题目类型：

☐理论研究☐实验研究☐工程设计☑工程技术研究☐软件开发☐应用研究

年5月28日

摘要

本系统是基于STC12C5A60S2单片机为核心控制的自适应抽油烟机控制系统，分为单片机最小系统模块和L298N芯片步进电机驱动模块，由于单片机的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，所以用途比较广泛，尤其是在家用电器、仪器仪表等诸多方面有很多的应用。

本设计是应用单片机智能控制为基础，实现了一种通过L298N驱动步进电机的系统。

本设计分为两个模块，一个是单片机最小系统模块，一个是用来驱动步进电机的L298N模块。

其中单片机最小系统控制可以通过生物智能传感器MQ-5接收的油烟浓度来进行AD转换来进行对电压来控制步进电机，并且PID算法对步进电机的转速进行实时检测并且进行微调，减少震荡，以及电量的消耗。

采用单片机内部的传输协议的载体，来实现整个电路的的智能控制。

在单片机最小系统模块中，能够显示出用户当前检测到的油烟浓度以及步进电机的转速等数据，在L298N步进电机模块中，对数据进行判断并且能够准确的给步进电机脉冲信号，并且将检测到的数据以及步进电机的转速显示在Nokia5110液晶显示器上。

此外，本设计还可以通过检测到的数据而实现对一种模拟设备实现多种状态控制，也可以实现对多种模拟设备的控制。

因此，本设计基于单片机最小系统来实现抽油烟机的控制器系统的发展有非常广阔的应用前途。

关键词：

单片机最小系统；L298N驱动；PID算法

Abstract

ThissystemisbasedonSTC12C5A60S2asthecorecontrolofadaptivesmokelampblackmachinecontrolsystem,whichisdividedintosinglechipmicrocomputerminimumsystemmoduleandL298Nchipsteppermotordrivermodule,becausethebiggestadvantageofsinglechipmicrocomputerissmallsize,canbeputininside,butlessmemory,input/outputinterfaceissimple,soitiswidely,especiallyinmanyaspects,suchashouseholdappliances,instrumentsandmetershavemanyapplications.

Thisdesignisbasedonapplicationofsinglechipmicrocomputerintelligentcontrol,implementsathroughL298Ndrivingasteppermotorsystem.Thisdesignisdividedintotwomodules,oneissinglechipmicrocomputerminimumsystemmodule,aL298isusedtodrivesteppermotormodule.WithsinglechipmicrocomputerminimumsystemcancontrolthroughtheintelligentsensorMQ-5receivesootconcentrationforADtransformforthevoltagetocontrolthestepmotor,AndPIDalgorithmofthesteppermotorspeedforreal-timedetectionandfine-tuning,reduceturbulence,andthecontrolpower.MCUinternaltransferprotocolofthecarrier,torealizeintelligentcontroloftheentirecircuit.Insinglechipmicrocomputerminimumsystemmodule,canshowthecurrentusertodetectsootconcentrationandthespeedofthesteppermotordatasuchas,intheL298steppermotormodule,cancarryonthejudgmenttothedataandbeabletoaccuratelytothesteppermotorelectricalsignals,andthedetecteddata,andthissystemisbasedon80c51asthecorecontrolofadaptivesmokelampblackmachinecontrolsystem,isdividedintosinglechipmicrocomputerminimumsystemmoduleandL298Nchipsteppermotordrivermodule,becausethebiggestadvantageofsinglechipmicrocomputerissmallsize,canbeputininside,butlessmemory,input/outputinterfaceissimple,soitiswidely,especiallyinmanyaspects,suchashouseholdappliances,instrumentsandmetershavemanyapplications.

Keywords:

SCMminimumsystem;L298Ndrive;PIDarithmetic

引言

目前，抽油烟机越来越朝着智能化和技能化方向发展，由于市面上风机大多采用普通单相电机，噪声严重且耗能较大，并且不具有实时调速功能造成转速浪费以及油烟抽不干净的现状。

针对这种情况，本设计要求设计一款基于简单的抽油烟机集成控制模块，通过对厨房废气信息的实时采集，可以根据烟气浓度只适应调节抽油烟机的风机转速，从而达到节能和抽净油烟的目的。

本次设计以模拟仿真为主，油烟机电机模块采用步进电机来模拟，报警系统由蜂鸣器LED灯来组成，以期实现完全模拟的目的，达到工程设计研究用途。

本设计主要是基于STC12C5A60S2芯片，采用MQ-5生物智能传感器来实现油烟浓度的实时检测，在Nokia5110显示屏上显示出油烟浓度以及步进电机的转速，并且采用PID算法对步进电机的进行实时控制，来达到油烟浓度实时检测以及控制的目的，如果油烟浓度超过设定值就会进行LED和蜂鸣器报警，这时就会提醒用户注意油烟浓度，注意健康问题，及时进行油烟的排放。

1系统设计

任务要求

（1）达到实时采集油烟浓度，单片机处理数据并控制风扇转速；

（2）设计抽油烟机实验环境，搭建实验模拟平台；

（3）设计油烟浓度报警系统，包括声音警报和LED提示灯；

（4）实现液晶显示屏显示油烟浓度；

（5）实现用PID算法控制电机。

总体设计

本设计自适应抽油烟机控制器系统的构成主要由五个部分构成：

油烟浓度检测部分、单片机最小系统控制部分、数据显示部分、声光提示以及步进电机控制部分。

油烟浓度检测部分用来检测油烟浓度数据，然后通过软件对单片机实现PID算法编码，并驱动L298N驱动电路来实现步进电机的调节。

在数据显示部分中，通过Nokia5110来显示数据油烟的浓度以及步进电机的转速，然后通过PID算法对步进电机的实时微调，保证步进电机的正常运转，以及油烟的抽取排放，其中在声光提示，根据接收的油烟浓度数据与接收油烟浓度的处理为依据进行声光报警。

若检测到的数据在正常的范围内，本次设定的范围是油烟浓度低于并且包括15%，则步进电机不会旋转，在实际的调试中在15%的临界点步进电机会振动，一点一点的振动，低于15%步进电机不会旋转，这一点是由于步进电机的实际性能决定的，若检测到的油烟浓度超过设定值（80%）这时有蜂鸣器实现报警功能本设计整体框架如图1-1所示。

图1-1自适应抽油烟机系统整体框图

1方案论证

油烟采取方案

2.1.1医用酒精挥发产生油烟

医用酒精的成份主要是乙醇。

医用酒精和淀粉植物通过糖化过程和发酵蒸馏，相当于葡萄酒，但葡萄酒蒸馏温度低，蒸馏次数比酒，酒精度高，成品输出高，含酒精以外的醚、醛成分比酒多，不能饮用，但可接触人体医用。

是植物原料产品。

医用酒精可以作为一般的油烟的检测用途，使用时直接可以开启瓶塞，直接让酒精自行挥发就行，具有挥发快，扩散的比较迅速，但是如果直接让酒精自行挥发然后用生物智能传感MQ-5来检测。

由于毕业设计是基于单片机智能控制的一种模拟变量，所以这样检测具有检测结果不准确，酒精的挥发速度跟空气温度，湿度，风速等有关，所以不容易控制，而且要求油烟的浓度必须大于15%步进电机才会启动，而不是步进电机在震，另外当油烟的浓度大于80%的时候蜂鸣器和LED灯才会亮，达不到实际的需求，而且医用酒精价格也不是很便宜。

因此，不会使用医用酒精作为油烟的代替物，故不采取此方案。

2.1.2采用打火机液产生油烟

本次设计采取的是用打火机液作为油烟的代替物，打火机所使用的燃料主要是可燃性气体。

汽油的早期使用，由于其特殊的气味，现已很少使用。

我们使用丁烷，丙烷和液化石油气。

他们被填充到封闭加压煤气罐，一旦释放到空气和吸热气化和快速扩张，容易点燃。

打火机采用的丁烷（CH3CH2CH2CH3）为正丁烷，是两种有相同分子式（C4H10）的烷烃碳氢化合物的统称。

包括：

正丁烷和异丁烷（2-甲基丙烷）。

丁烷是一种易燃，无色，易液化的气体。

是发展石油化工、有机原料的重要原料，其用途日益受到重视。

本次设计采用的是MQ-5生物智能传感器，由于传感器的实际尺寸和性能限制，直接采用打火机的气体对准传感器的检测头，来进行油烟的检测，再后来的实际测试中，都取得了很好的效果，但是经过多次的检测以及使用，传感器的灵敏度有所下降，效果也有一些影响。

选择智能芯片方案

作为本次设计的核心控制模块，必须要认真选取，这关系到毕设的最终结果，STC12C5A60S2系列单片机是STC单片机有限公司生产的单时钟/机器周期（1T）的高性能单片机，是系列80C51CPU的一种。

有着增强的内核,STC12C5A60S2执行指令在1~6时钟周期（约6~7倍的标准80C51设备）,并完全兼容指令与工业标准的80C51系列单片机指令集，ISP和IAP支持用户在系统中升级程序和数据。

ISP允许用户下载新的代码但是没有把单片机从实际变成最终产品；IAP意味着该设备可以写在闪存中的数据在应用程序中运行。

STC12C5A60S2保留所有标准80C51的特征，另外，STC12C5A60S2有两个额外的I/O端口（P4和P5）,一个10号输入源,一个4号优先中断结构,一个10位模拟数字转换器,两个通用非同步收发传输器,晶体振荡器,2声道PCA和PWM,SPI,一次性看门狗定时器。

因此，STC12C5A60S2芯片使用的是该设计方案。

选择电机方案

2.3.1选择直流电机方案

本设计由于电机是直流电机和步进电机的选择不同，直流电机的控制速度是相对比较简单的，只有控制电压就可以控制速度。

但此类电动机不宜在高温、易燃等环境下运作，由于电动机中是碳刷作为电流变换器的部件，所以需要定期清理炭刷磨擦所产生的污物。

无碳刷称为无刷电机，有刷无刷电机相比，无碳刷与轴的摩擦小，因此更省电和安静，制作难度较高、价格也较高。

交流电动机可在高温下操作，易燃环境，和不定期的清洗刷污垢，但难以控制速度，速度控制交流电机控制要根据交流电的频率，控制其电压只会影响电动机的扭力。

由于市面上风机由于采用普通单相电机，噪声严重且耗能较大，并且不具有实时调速功能造成转速浪费以及油烟不能抽干净的现状，因此本次设计不采用直流电机。

2.3.2选择步进电机方案

由于这次设计有明确要求是用步进电机，能够要求在有油烟检测出来的时候能够对油烟浓度进行实时的监控，并且能够对空间里面的油烟进行抽排，步进电机的选取也是很重要的一方面。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行原件。

通俗一点讲：

当步进电机接收到一个电脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确移位的要求；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调节速度的任务要求。

在我选取步进电机的时候，根据步进电机的实际性能，还有设计的需求，采用了KH42HM2B11542步的步进电机，为了尽可能的实现油烟的排放，以及油烟浓度的实时控制，以及步进电机自身的

采用微分，积分的微调，准确性大大提高，也更加便于系统的控制。

因此本次设计采用的就是KH42HM2B115型号42步步进电机。

选择显示数据方案

为了更加方便用户实时掌控并且排放空间的油烟，本设计中的显示屏不仅能够显示实时的油烟浓度，而且能够显示步进电机的实时转速，这对于实验结果更加直观了当，本次设计中采用的是Nokia5110显示屏，采用Nokia5110显示屏作为显示数值的方案，具有显示直观，性价比高等优点，价格低廉，接口简单，速度快，能够很直观显示当前油烟的浓度，能很好的满足该部分的设计需求。

因此，本设计中采用Nokia5110显示屏用来显示实时的油烟浓度以及步进电机的转速。

Nokia5110液晶显示屏，功耗低，可显示字母和图案，重量轻，厚度薄。

可以显示4行汉字，与主机处理器通过串口通信，接口信号线的数量大大减少，信号线包括电源和接地有9条。

能够支持多种串行通信协议，传输速率可高达4Mbps，全速写入显示数据而无等待时间。

能通过导电胶连接模块与印制版而不需要连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。

液晶显示屏控制器／驱动器芯片已绑定到晶片上，模块的体积很小。

采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA以下，且具有掉电模式。

Nokia5110的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中。

能够有效的进行人机交互，故本次设计选用Nokia5110液晶显示屏来作为显示部分。

传感器选择方案

在本次设计中有一个很重要的一环，那就是油烟的生物智能检测器，再设计之前查找了很多的资料，基本上选定了MQ-X系列的传感器，MQ-X气体传感器所使用的气敏材料是二氧化锡，在清洁空气中电导率较低。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率就随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的AD转换电路即可将电导率的变化实时的转换为与该气体浓度相对应的信号。

MQ-X气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和别的可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可同时检测多种可燃性气体，是一款用途广泛的低成本传感器。

在MQ-2和MQ-5之间做出了比较，经过测试发现MQ-5更加适合在模拟环境中使用，效果也比较好，因此本次设计选用MQ-5作为传感器来检测油烟浓度。

步进电机驱动选取方案

采用多个功率放大器驱动

通过使用不同的放大电路不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到放大器的驱动信号。

但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，放大电路是很难完全一致，当电机功率大时就会出现运行不稳定，而且电路也比较复杂。

因此本次设计不采用这种方案。

采用L298N芯片驱动

L298N芯片可以同时驱动两个二相电机（如图2－1），也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

因此本次设计采取用L298N驱动电路来驱动步进电机。

图2-1L298N内部逻辑

2自适应抽油烟机系统中的主要芯片

生物智能传感技术简介

首先，解释一下什么是传感器，国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：

“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

实现油烟浓度采集的采取的模块是MQ-5生物传感器，是现在市场上使用最多的传感器中的一种，其形状和功能和MQ-2都十分的相似，MQ-2/MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的转化电路就可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的信号。

本次设计采用的MQ-5型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。

因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调

整是很重要的，所以在设计中十分注意传感器的灵敏度，在实际的测试中也出过该问题，因多次检测油烟而导致MQ-5的灵敏度下降。

SPI通信协议简介

SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换数据。

SPI有三个寄存器分别为：

控制寄存器SPCR，状态寄存器SPSR，数据寄存器SPDR。

外围设备包括FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。

SPI接口在内部硬件实际上是两个简单的移位寄存器，传输的数据为8位，在主器件产生的从器件使能信号和移位脉冲下，按位传输，高位在前，低位在后。

在SCLK的上升沿上数据改变，同时一位数据被存入移位寄存器。

单片机处理通讯协议用的是电平。

比如我们完全可以模仿SOS求救信号的方法。

来创造属于自己的通讯协议。

本次设计中是单片机最小系统与显示屏之间的协议应用的就是SPI协议，其有传输速度快，实时性强，稳定性也好的特点。

步进电机简介

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能够正常的工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机是在常规条件下使用的。

它必须是在双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统才能使用。

因此用好步进电机不是那么简单的，它涉及到许多专业知识，比如机械、电机、电子及计算机等。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行原件。

通俗一点讲：

当步进驱动器接收到一个电脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的要求；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调节速度的任务要求。

步进电机是由一组缠绕在电机固定部件--定子齿槽上的线圈驱动的。

在通常情况下，由一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，然而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈或相。

步进电机的步距角可由下边公式求得：

（1）

式中Mc为控制绕组相数，C为状态系数，三相单三拍或双三拍时C＝1，三相六拍时C＝2。

Zr为转子齿数，本设计使用的KH42HM2B115型步进电机转子齿数为42。

步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。

驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口。

所以本次设计采取的就是L298N驱动电路，接下来会好好介绍L298N电路。

L298N芯片简介

L298N是SGS（通标标准技术服务有限公司）公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。

是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

其引脚排列如图中所示：

图3-2L298N芯片管教排列

L298N的引脚9为LOGICSUPPLYVOLTAGEVss，即逻辑供应电压。

引脚4为SUPPLYVOLTAGEVs，即驱动部分输入电压。

Vss电压要求输入最小电压为4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，但经过我的实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。

它的引脚2，3，13，14为L298N芯片输入到电动机的输出端，其中引脚2和3能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。

同理，引脚13和14也可控制一个直流电动机。

引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。

引脚5，7，10，12为单片机输入到L298N芯片的输入引脚。

控制使能引脚ENA或者ENB就可以实现PWM脉宽速度调整。

1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。

在可设计中就将它们直接接地。

L298N是内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器可驱动46v,2A以下电机,1和15脚可单独引出接电流采样电阻器,形成电流传感信号.接错无法控制电机。

引脚8为芯片的接地引脚，它与L298N芯片的散热片连接在一起。

由于本芯片的工作电流比较大，发热量也比较大，所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金，以增大它的散热面积。

本设计用L298N驱动步进电机，其实它很好用，1和15和8引脚直接接地，4管脚VS接2.5到46的电压，它是用来驱动步进电机的，9引脚是用来接4.5到7V的电压的，它是用来驱动L298N芯片的，记住，L298N需要从外部接两个电压，一个是给电机的，

另一个给L298N芯片的，6和11引脚是它的使能端，一个使能端控制一个电机，至于那个控制那个你自己焊接，你可以把它理解为总开关，只有当它们都是高电平的时候两个电机才有可能工作，5,7,10,12是298的信号输入端和单片机的IO口相连，2,3,13,14是输出端，输入5和7控制输出2和3,输入的10,12控制输出的13,14。

显示屏简介

Nokia5110液晶显示屏，通过发送指令和写入数据RAM来控制和显示数据。

PCD8544是一块低功耗的CMOSLCD控制驱动器，是设计为驱动48行84列的图形显示。

所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD电压及偏置电压发生器，只须很少外部元件且功耗小。

PCD8544与微控制器的接口使用串行总线，PCD8544采用传统CMOS工艺。

可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。

LCD控制器，驱动器芯片已绑定到LCD晶片上，模块的体积很小。

采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA以下，且具有掉电模式。

Nokia5110的这些特点非常适合于电池供电的便携式通信设备和测试设备中。

可以在市场上买到