基于单片机家用智能抽油烟机电控板设计.docx

1、基于单片机家用智能抽油烟机电控板设计辽 东 学 院 本 科 毕 业 论 文（设 计）基于单片机家用智能抽油烟机电控板设计Singlechip household intelligent lampblack electromechanical control panel design based on学 生 姓 名： 学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 审 阅 教 师： 完 成 日 期： 辽 东 学 院Eastern Liaoning University独创性说明作者郑重声明：本毕业论文（设计）是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加

2、以标注和致谢的地方外，毕业论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得辽东学院或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：_ 日期：_ _ _摘要本设计是基于51单片机的智能油烟机的设计与实现，不仅具备油烟机基本开关功能，而且还能根据厨房在烧菜做饭过程中产生的烟气温度高，而泄露的燃气温度低的特点，采取不同的传感器件，即对温度高、污染大的烟气采用热敏电阻检测，而温度低但危险大的燃气采用气敏传感器检测，当厨房的右眼或可燃有害气体达到一定浓度的值时，经传感器进入单片机分析，使电机电路自动启动并发出声

3、音报警，吸油烟机迅速将有害气体抽走。论文的硬件部分主要设计了油烟机的烟气、燃气检测模块，按键输入模块，定时显示模块，执行电路模块等，系统软件部分主要是对各模块的流程做了详细的分析，控制主程序、中断按键扫描子程序、显示子程序，中断报警服务程序，以此从而实现抽油烟机自动控制功能。本次设计的抽油烟机主要靠单片机进行控制，通过软件设计来自动控制抽油烟机的开关，所以相对于普通的抽油烟机来说，根据其自动检测功能，具有灵活性比较好，功耗低，便于操作等特点。关键词：单片机，抽油烟机，检测，自动控制一、绪论现代厨房一般都离不开煤气灶和抽油烟机(通风设备)，一旦使用煤气灶，则一定会产生油烟、水汽与乙烷等影响厨房空

4、气环境的混合气体，为了健康生存的需要，往往用通风设备如抽油烟机来改善充满油烟气的厨房环境本论文即针对厨房产生的烟雾设计相应的抽油烟机. 论文首先介绍抽油烟机的概念、结构、工作原理等方面，对抽油烟机产品在日常生活所起到重要作用。其次论文对系统总体设计进行了概况阐述，在厨房不仅具备油烟机的基本功能，而且还能利用气敏传感器进行烟雾的自动检测，并根据检测到油烟大小，自动切换油烟机的风力开关，调节风力大小，实现智能化吸油烟功能依此设计制作了相应的软硬件，论文的硬件部分主要设计了油烟机的显示部模块，数据采集模块，执行电路模块等，对系统做了整体的设计，系统软件部分主要是对各模块的流程做了详细的的分析，并且编

5、写了响相应的汇编程序来实现相应的功能。有显示子程序，数据比较子程序，数据采集程序。从而实现了抽油烟机自动控制的功能。 本次设计的抽油烟机主要靠单片机进行控制，通过软件设计来调节电机的转速，所以相对于普通的抽油烟机来说，灵活性比较好，功耗低，体积小，便于操作；同时可以做到自动检测。 （一） 油烟的危害厨房是家庭中空气污染最严重的空间，其污染来源主要有两方面；一是以煤、煤气、液化气常用炊火中释放出的一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体；二是烹饪菜肴时产生的油烟。现在时尚的厨房装修多采用开放式设计，但制作中餐的进程会产生较大的油烟，开放式的厨房，空气流动范围较大，油烟机不能很好地聚敛排放

6、油烟，这就造成了餐厅和客厅的油烟废气污染。油烟是健康、环保的大敌 ，中餐一直以美味著称于世，然而厨房油烟成分复杂-含有200-300种有害物质，是家人健康的大敌。我国妇女很少吸烟、酗酒，可是她们却很容易衰老，这是什么原因呢？医学家发现，这与她们天天在厨房里炒菜时吸入的油烟有关。通过动物试验发现，厨房的油烟油雾中含有致癌物质，可导致细胞染色体畸变。这些物质通过口腔进入消化道，或通过呼吸进入肺部，都可引起相应部位的病变。油烟、醉油加上烯料的污染，可以说，厨房是家庭污染的“重灾区”，也是家庭的“化工厂”。作为“重灾区”的指挥员、“化工厂厂长”的家庭主妇，不可避免地要遭受到这睦来自厨房的污染物的袭击。

7、这是家庭主妇容易衰老和多病的原因之一。（二） 油烟机、及评定抽油烟机简介抽油烟机又称吸油烟机，是一种净化厨房环境的厨房电器。它安装在厨房炉灶上方，能将炉灶燃烧的废物和烹饪过程中产生的对人体有害的油烟迅速抽走，排出室外，减少污染，净化空气，并有防毒、防爆的安全保障作用。抽油烟机已成为现代家庭必不可少的厨房设备。抽油烟机进入中国普通家庭厨房的时间还不是很长。早期的家庭厨房排烟工作都是由排风扇来完成的。排风扇虽然能排除掉厨房中的大部分油烟，但是它却无力解决烹饪中产生的油烟对整个厨房污染。烹饪中产生的油烟含有很多对人体有害的物质，如果人长期在充满油烟的房间内工作，可导致很多疾病的发生。 对于中国人来说

8、，膳食结构与西方人不同，所以厨房中从厨具的品种、样式到布置，都与西方国家都有很大的不同。中国是一个讲究美食的国度，在食品加工中，煎、炒、烹、炸占有很大的比例，因此中式厨房中的油烟很大，容易使厨房环境变得油腻而不好清洗，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。抽油烟机可谓是厨房的“肺”。 （三）抽油烟机分类分为三种：一是中式烟机，二是欧式烟机，三是侧吸式。中式烟机主要分为老式浅深吸式抽油烟机，尤其是浅吸式为主要淘汰的对象。就是普通排气扇，是直接把油烟排到室外。深吸式烟机最大的问题是占用空间，噪音大，容易碰头，滴油 油烟抽不干净

9、，使用寿命短，清洗不方便，对环境污染大。品牌众多二种是欧式烟机，利用多层油网过滤5-7层，增加电机功率以达到最佳效果，一般功率都在300瓦以上。特点是：外观漂亮，价格昂贵，费电。油网清洗不方便，容易碰头，滴油。以老板方太为代表三是侧吸式油烟净化器。利用空气动力学和流体力学设计，先利用表面的油烟分离板把油烟分离再排出干净空气的原理。它的特点是抽油烟效果好抽油烟效果都在99%以上。不滴油不碰头，隐藏在橱柜里与橱柜融为一体，不占空间。电机不粘油使用寿命长，清洗方便。省电一般在160瓦。油烟不通过呼吸区保证主妇的身体健康。排出干净空气不污染环境。 （四）抽油烟机评定评定油烟机的好坏应有以下四个标准：

10、1、能否把厨房油烟完全抽干净 2、能否把油和烟分离，让风机得到有效的保护 3、清洗是否轻松方便 4、是否省电并长期保持超强功效 用上面四个标准来审视传统抽油烟机自然就知道了这么多年来抽油烟机行业无法让人满意的原因了。 二、系统结构确立 设计基于51单片机的智能油烟机的设计与实现，系统的大体结构主要包括，单片机控制单元、有害气体检测单元、烟雾检测单元、光照检测单元、以及对应的有害气体阀的控制单元、排风扇的控制单元、照明单元和报警灯、以及人机接口单元（键盘和显示）。单片机控制电路由51单片机构成、排风扇调速电路使用晶体管控制、声音报警采用蜂鸣器、显示单元采用1602液晶显示信息，照明灯控制使用了按

11、键控制但有人进入是按下按键才使用照明设备设备根据环境的光线控制是否开启照明设备，为保证单片机正常工作。如图2.1给出系统整个结构图：图2.1系统结构图单片机控制核心通过对外界环境的信号进行实时采集，对温度高、污染大的烟气设计中采用热敏电阻进行检测，对于温度较低但是危险健康的煤气则采用气敏传感器监测，当厨房的油烟或可燃有害气体达到一定浓度的值时，经传感器进入单片机系统进行分析，使电机电路自动启动并发出声音报警，吸油烟机迅速将有害气体抽走，实现智能化吸油烟功能。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，可认为的要求开启或关闭，担当煤气泄漏时，不论在自动还是手动运行情况下，抽油烟

12、机会立即启动，并伴随声音报警。三 、硬件电路选择与设计（一）单片机系统设计本设计中要求单片机的频率必须要快，要不然将会明显的看出刷屏现象。所以经过对比试验确定选用STC公司的STC12C5A60S2系列单片机这款单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机， 具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度比普通的单片机快8-12 倍。内部集成MAX810专用复位电路,拥有2路PWM,8路高速10位的A/D转换(频率250K/S),适合对电机控制，抗干扰场合。单片机的实物图如图3.1所示：图3.1单片机实物图STC12C5A60S2基本的特性介绍如下：

13、1. 内部集成增强型 8051 CPU，1T，单时钟、机器周期，指令代码完全与8051兼容2. 工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压： 5.5V - 3.5V（5V单片机） STC12LE5A60S2 系列工作电压：3.6V-2.2V（3V单片机）3. 工作频率范围：035MHz，相当于普通8051的 0420MHz4. 用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节.5. 片上集成1280字节 RAM6. 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051I/O口） 可设置成四种

14、模式：准双向口/弱上拉，推挽/上拉，仅为输入/高阻，开漏 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA7. ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数即可完成一片8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)9. 看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）11. 外部掉电检测电路: 在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V，误差为5%,3.3V 单片机为1.31V，误差为3%

15、12. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5% 到10% 以内) 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟 常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V 单片机为： 11MHz 17MHz;3.3V 单片机为： 8MHz12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准13. 共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立 波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14. 3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0

16、输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独 立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟15. 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3, CCP1/P1.416. PWM(2路）/ PCA（可编程计数器阵列,2路）- 也可用来当2路D/A使用- 也可用来再实现2个定时器- 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)17. A/D转换, 10位精度ADC，共8

17、路，转换速度可达250K/S(每秒钟250次)18. 通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)20. 工作温度范围：-40 +85(工业级) / 0 75(商业级)21. 封装：LQFP-48, LQFP-44, PDIP-40, PLCC-44, QFN-40I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口

18、,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。 1、单片机引脚介绍STC12C5A60S2单片机外部引脚图如图3.2所示，与89c51单片机的外部引脚图完全相同只不过功能方面有所提高。图3.2单片机外部引脚图管脚说明：VCC：供电电压；GND：接地；P0口：P0为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P1能够用于外部程序数存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程中，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻

19、的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器能接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入，并因此作为输入时，P2口的管脚被尾部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出四肢的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址

20、数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容，P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚时8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，他们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。/PSEN：外部程序存储器的宣统信号。在由外部程序存储器取指期间，每隔机器周期两次/PSEN有效。但在访

21、问外部数据存储器时，这两侧有效地/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。(3)振荡器特点： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入、输出。2、复位电路设计复位电路的基本功能是：可以使单片机初始化，也可以是死机状态下的单片机重新启动。系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。复

22、位电路分为上电复位和手动复位两种：不管哪种复位只要在RESET引脚有持续两个机械周期以上的高电平就可以是单片机复位。图3.3 上电复位这种上电复位功能是利用电容器充电来实现的，当加电时，电容C充电，电路中有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET引脚上为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电的时间有关，充电时间越长复位的时间越长，增大电容或电阻都可以增加复位时间。图3.4 按键电平复位按键式复位电路与上电复位电路的原理相同，但是它还可以通过按键实现复位，按下按键后，通过R1和R2形成回路，是RESET引脚产生高电平。按键时间

23、决定了复位的时间。图3.5 按键脉冲复位按键脉冲式复位电路是利用RC微分电路在RESET端产生正脉冲来实现复位的。综合本设计的要求，最终方案选取的是按键复位电路。2时钟电路设计时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。单片机工作的时候，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的，这个脉冲的来源是单片机控制中的时序电路发出的，这种时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式：单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉

24、冲直接送入内部时钟发生器。本设计总C1和C2选择30pF，晶振为12MHz。基本原理如图3.6所示：图3.6 振荡电路（二） 检测电路设计1、气敏元件选择本设计用SnO2(MQ-2气体传感器)气敏元件，它是由0.1-10um的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下，是出于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它的品格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率则减小。SnO2在温室下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较大的变化

25、，因此气敏元件在使用时需要加温。实物如图3.7所示图3.7MQ-2气体传感器封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。基本参数如下：MQ-2气体传感器标准工作条件： Vc回路电压15V AC or DCVH加热电压5.0V0.2V AC or DCRL负载电阻可调RH加热电阻313温室PH加热功耗900mWRs敏感体表面电阻3K-30K（1000ppm异丁烷）探测浓度范围：100ppm-1000ppm 液化气和丙烷300ppm-5000ppm 丁烷5000ppm-20000ppm甲烷300ppm-5000ppm 氢气标准工作条件温度：202 Vc：5.0V0.

26、1V相对湿度：65%5% Vh：5.0V0.1V响应时间约为10秒，恢复时间约为30秒60秒。MQ-2放置一段时间后，再通电使用时，阻值是先下降，然后又上升，通电大约10分钟后（叫初期稳定时间），才能稳定到与气氛状态相应的阻值。为了避免通电开始时的误报动作，本设计在单片机内部特别设置十几分钟的延迟电路。MQ-2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。本设计中RP2为灵敏度调整电阻。2、油烟检测对油烟蒸气的检测选用热敏电阻，热敏电阻的主要特点是：（1）灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属打10100倍以上，能检测出10-6的温度变化

27、；（2）工作温度范围宽，常温器件适用于-55315；（3）体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔内及生物体内血管的温度；（4）使用方便，电阻值可在0.1100K间任意选择；（5）易加工成复杂的形状，可大批量生产；（6）稳定性好、过载能力强。1、 热敏电阻的选择热敏电阻分三类：在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻PTC（Positive Temperature Coeff1Cient），随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻NTC（Negative Temperature Coeff1Cient），具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小的

28、临界温度热敏电阻CTR（Critical Temperature Resistor）,具有很大的负温度系数。本设计选用NTC负温度系数热敏电阻，它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低，NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在1001000000欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。电阻值和温度变化的关系式为： （

29、3-1）在温度T（）时的NTC热敏电阻阻值。根据国际规定，额定零功率电阻值时NTC热敏电阻在基准温度25时测得的电阻值R25。RN：在额定温度TN（K）时的NTC热敏电阻阻值。T：为（）+273.15，规定温度（K）。B：NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。Exp：以自然数e为底的指数（e=2.71828）。2、油烟检测电路设计负温热敏电阻选型：NTC-MF5A其参数为：R25：10K1%，热敏指数：B25/50:39501%设45为抽油烟机的最低启动温度，由进行计算：R45=4.35K调节PORT2的电阻值，当空气中油烟蒸汽含量较低时，空气温度偏低，热敏电阻R8较大，P1.0口采集的电压

30、较小。 当空气中含有大量油烟蒸汽式，温宿随之升高，NTC-MF5A电阻率增大，当热敏电阻的温度超过45时，RT减小，单片机P1.0口得到电压升高，然后被单片机检测到，进入相应的子函数。如图3.8检测电路。图3.8油烟检测电路设计（三）按键输入1、 按键说明键盘输入采用中断扫描方式，可以节省CPU大量时间，这种办法的实质是，当没有键入操作时，CPU不对键盘进行扫描，以节省大量的时间对系统进行监控和数据处理，一旦键盘输入，即可向CPU申请中断，CPU响应中断后，立刻转到中断服务程序，对键盘进行扫描，判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理。该系统键盘采用开关式键盘，也称独立键盘，各键时相互独立的，当

31、某个键按下时，该键所对应的口线的电位就有高电平变为低电平，CPU访问并查询所有接键口线，即可识别是哪一个键按下。各功能键设置如表3-1：表3-1功能键说明S1S2S3S4手动开/关风扇手动开/关煤气阀手动开/照明灯自动模式按键都是利用机械触点的合、断作用来实现信息输入的。当按键开关的触点自合或断开到其稳定状态，会产生一个短暂的抖动和弹跳，这是机械式开关的一个共同性问题，抖动时间的长短，与开关的机械特性有关，一般为5-20ms，为了避免单片机多次处理按键的一次闭合，仅作一个按键输入出路，必须消除抖动干扰。有键按下通常去抖动干扰可以采用硬件方法，也可采用软件延时的方法。通常在按键较少的情况下采用硬件方法，当按键数目较多时则常采用软件延时的方法来消除干扰。硬件方法是通过如滤波电器、双稳态电路等实现。软件方法是在检测到有键按下时，执行一个10ms的延时程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如保持闭合状态电平则确认为真正键按下状态，从而消除了抖动干扰。2、 按键电路如图3.9所示，没有键按下时，P3.4P3.7口输入均为1，一旦有键按下，则低电平通过按键输入到P