基于单片机的抽油烟机控制及净化系统设计毕业论文.docx
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基于单片机的抽油烟机控制及净化系统设计毕业论文
基于单片机的抽油烟机控制及净化系统设计毕业论文
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.......................................................3
2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................................................9
3系统硬件电路设计........................................................10
3.1单片机最小系统设计..................................................10
3.2电源电路设计........................................................10
3.3油烟温度检测电路设计................................................11
3.4油烟和煤气浓度检测电路设计..........................................12
3.5显示、按键和报警电路设计............................................13
4系统软件设计............................................................16
4.1软件设计思想........................................................16
4.2油烟温度检测程序设计................................................17
4.3油烟和煤气浓度检测程序设计..........................................19
4.4显示、按键和报警程序设计............................................20
5系统调试................................................................23
5.1硬件调试............................................................23
5.2软件调试............................................................23
参考文献..................................................................24
附录......................................................................25
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，那个时候的桅灯厂把我国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
75～80
100～500
大
较大
静电法
75～80
100～300
较大
耗电费大
运水烟罩
75～85
～300
大
较大
活性碳吸附法
75～80
100～500
大
较大
蜂窝式净化法
变化大
～300
小
大
由于目前国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200~300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。
测温围可在-℃～650℃之间变化，测量精度在±0.05℃～±0.5℃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
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