1、基于单片机的油烟机设计编号： 毕业设计说明书题 目： 油烟机智能控制系统设计 学 院： 信息与通信学院 专 业： 通信工程 学生姓名： 廖秋平 学 号： 1200210317 指导教师： 侯杏娜 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 2016 年 5 月 5 日摘 要厨房是人们家庭生活所必须的一个地方，有家的地方就有厨房，主妇往往是厨房主角。由于主妇每天在厨房待的时间非常长，很容易出现头痛，胸闷之类的症状，这一般是由于厨房中的油烟所导致的不良反应。厨房油烟困扰着人们的健康，于是传统的油烟机就此诞生。然而，老式的油烟机需要自己来开或关，它的档位也是需要自
2、己来进行调节，这样既不方便也很浪费电，这就是本文设计的缘由。本文通过用TGS2600气敏传感器对油烟浓度进行实时监测，根据不同浓度门限由系统进行智能化调控油烟机风扇的档位，在浓度低于最低门限值时，系统自动关闭风扇。同时用HC-SR501人体红外检测模块对厨房人员走动来进行实时监测，当人离开且有油烟时系统工作在低功耗模式，风扇处于档位一状态，没有油烟则风扇关闭，这样有利于省电。同时用MQ-5气敏传感器来进行煤气泄漏的检测，煤气浓度超过设定值时，报警，通过SIM900A模块给房主发提示短信,同时由于TGS2600对煤气等有气味气体也会有感应，当浓度等级高于门限1时风扇也可以转动，达到排出煤气的功能
3、，这样一举两得。系统芯片选用STC12C5A60S2，它是功耗很低，同时处理速率快，抗干扰性能很好的新一代的单片机，同时它内部的PCA能够输出2路PWM信号，有利于系统实现对电机的调速控制，且有八路高速10位A/D转换接口，系统设计时不须要外接AD转换模块，能够极大简化电路。采用单片机对厨房油烟机进行智能化控制，这样有利于人们在厨房炒菜时不用自己手动调节，同时本系统还增加了煤气泄漏检测功能，能检测煤气泄漏并向房间主人报警，风扇转动排出煤气，保障人民生命财产安全。关键词：传感器；报警器；单片机AbstractThe kitchen is a place where people have a f
4、amily life, a home where there is the kitchen, the kitchen is often the housewife protagonist. Since the housewife in the kitchen every day to be a very long time, it is prone to symptoms of headache, chest tightness, and the like, which is mainly due to the adverse effects of the fumes from the kit
5、chen caused. Kitchen fumes plagued peoples health, so the traditional hood was born. However, the conventional hood needs its own switch gear can not be based on the actual situation in real-time control, need to be adjusted manually, so inconvenient and a waste of electricity, which is the reason f
6、or this design.By using TGS2600 gas sensors for real-time monitoring soot concentration, limited by the system for intelligent regulation hood fan gear depending on the concentration of the door, at a concentration below the minimum threshold, the system automatically turns off the fan. At the same
7、time with the HC-SR501 Human infrared detector modules for the kitchen staff to move to real-time monitoring, when people leave and there is soot system operates in a low-power mode, the fan is in a stall state , no fumes from the fan off, it is a good power. At the same time with the MQ-5 gas senso
8、rs to detect gas concentration exceeds the set value of the gas leak alarm, the homeowner by SIM900A module to send SMS tips, and because TGS2600 for gas and other odorous gases will have induction, when concentration level is higher than the threshold 1 fan to be rotated to reach the gas discharge
9、function, so do both. System chip used STC12C5A60S2, it is low power consumption, and fast processing speed, excellent anti-jamming performance of a new generation of microcontroller, while its internal PCA can output two PWM signal in favor of system implementation for motor speed control, and has
10、eight 10-speed A/D conversion interface, the system does not need an external A/D converter module design, can greatly simplify the circuit.Kitchen hood using microcontroller intelligent control, this will help in the kitchen cooking when people do not have to be adjusted manually, while the system
11、also increased the gas leak detection function can detect gas leaks to the room master alarm, fan rotation exhaust gas, to protect peoples lives and property.Keyword：sensor; alarm; microcontroller 1 绪论1.1 课题研究背景衣食住行是人们生活必不可少的内容，在厨房中做菜啊之类的活动会产生对人们危害很大的气体，比如说：醛、脂肪酸、杂环化合物等。如果人经常待在满是油烟的房子内工作的话，得疾病的机率会大大
12、上升。厨房油烟被相关的人士称为除了抽烟，喝过量酒，以及为人所知的高血压之后的最大的健康隐患，严重威胁着厨房家庭主妇的身体健康。每年由于持续吸入厨房油烟而死亡的人数，比肺结核，艾滋等疾病导致死亡的人数还要多。由于我国家庭主妇在烹饪时，主要形式是煎烹炸炒，所以传统油烟机被设计出现。传统油烟机需要手动操作，经常由于开关不及时，以及油烟机档位选择不合理，造成厨房内油烟扩散严重或者档位开得过高而浪费较多的电能。随着经济的发展和生活水平的不断提高，传统油烟机由于设计的局限性给人们带来的不便使人们越发想要能够自动调控的油烟机。基于上诉情况，油烟机智能控制技术应运而生，油烟机智能控制技术是解决传统油烟机在厨房
13、烹饪时所带来的不便的有效方法，能科学合理地提高油烟机的实用性。1.2 课题的研究目的和意义（1）课题研究目的：饮食是人们生活所必不可少的一环，人们如果不吃不喝基本活不过7天，家庭主妇每天待在厨房的时间起码每天2.5小时，这期间所产生的油烟和人们吸入体内的油烟不言而喻。传统油烟机的设计缺陷带来的油烟扩散严重危害着人们身体健康，而这对于普通老百姓来说，往往会被他们忽视。由于普通老百姓很多不懂健康常识或者不重视油烟对人们的危害，觉得在厨房装上传统油烟机已经能够解决问题，其实不然。每年由于吸入油烟过多而生病的人数不胜数，我们急需解决这一问题，这就是我们研究油烟机智能控制系统的目的。（2）课题研究意义：
14、只要有家的地方就有厨房，有厨房的地方就会有烹饪，有烹饪的地方就会有油烟，设计一款油烟机智能化控制系统，能根据油烟浓度而自动调节风扇档位，没人时能工作在低功耗状态，同时在煤气泄漏时能够报警提示人们有危险，同时浓度高于一定值时风扇转动排出气体，这样的一款系统对于减少厨房油烟对于家庭主妇健康威胁和防止煤气泄漏对人们生命安全的威胁具有现实意义。1.3 课题的研究内容油烟机智能控制系统，主要是通过油烟传感器检测油烟浓度，通过单片机输出相应的PWM信号来控制L298驱动电路，从而控制风扇转速，实现智能调速；同时红外人体感应模块监测厨房人的活动，没人时系统工作在低功耗模式。气体传感器监测煤气浓度，在煤气浓度
15、超过设定值时系统通过串口通信控制SIM900A模块给房间主人发提示短信，同时声光报警，浓度高于风扇档位一门限时风扇转动排风。液晶显示屏用来显示油烟浓度等级和风扇转速等级。本系统需要完成的任务，包括：(1) 硬件部分：包括传感器的选择，显示模块的选择，红外人体感应模块的选择，核心芯片的选择，GSM模块的选择，模块与单片机结合电路的设计，传感器输出信号转换电路的设计，报警驱动电路设计。(2) 软件部分：包括原理图和PCB的绘制以及单片机程序的编写。(3) 系统实物的调试还有分析：在软硬件设计完成后，我们需要对系统实物进行全方位的测试，分析系统是否已经达到预期要求，分析其可靠性和实用性，从而改进系统
16、存在的问题。2 系统设计与方案选择本系统设计原理主要是要实现对油烟机的智能控制，这里的控制包括了煤气检测功能，油烟检测功能和风扇控制功能，短信报警功能等。2.1 系统的功能要求传统油烟机需要手动开关机还有调节油烟机风扇的档位，本文的系统设计将使油烟机实现智能化。本系统的研制主要包括以下几项功能：(1)油烟检测功能： 为了有效检测油烟浓度，本文的系统选用对空气污染气体有高敏感度的传感器来做感应器件。(2)煤气泄漏检测功能： 除了厨房油烟对人体有危害之外，煤气泄漏也会对人们的生命安全产生威胁，所以本文设计的系统需要实现检测煤气浓度的功能，在煤气泄漏时可以提示人们以免造成不可弥补的危害。(3)自动调
17、节风扇转速功能： 本系统与传统油烟机的区别在于其智能化，所以系统需要通过油烟浓度自动调节油烟机风扇的档位。(4)红外人体检测功能： 为了使系统省电，在厨房有人和无人时本文设计的系统有两种不同的工作模式，为了实现这个功能，需要红外人体检测模块对人体进行实时监测，使系统在没人时工作在省电模式。(5)煤气泄漏时报警： 为了在煤气超过门限值时系统能提示房间主人小心，本系统设计了声光和短信报警，主要通过短信报警。2.2 系统的技术要求在清楚这个系统的各项功能之后，本文可以根据这些功能来确定这个系统的技术要求。本系统采用新一代的单片机STC系列的12C5A60S2，芯片自己带着A/D转换端口，成本低，可以
18、让电路简单化，用以满足生产和各种工程设计的需要。同时，为了提高设计出的实物的竞争优势，系统应该符合体积尽量要小，成本要尽可能的少，功耗越低越好，性能要可靠等要求。具体如下：(1)体积非常小：传感器的体积要尽量的小，只有这样占用空间才可能少，使用和更换起来才会容易；(2)抗干扰能力强：系统需要有强的抗干扰能力，这样才能保证系统能够正常运作，因此选用的传感器需要认真考虑各方面的因素。 (3)功耗要低：在满足各方面要求的同时应尽可能降低功耗，比如系统在没人的时侯可使其工作在低功耗状态，这样有利于绿色生活。(4)220V市电能即插即用：系统需要满足实际生活需要，5V电源在厨房中不常见，因此电源需要考虑
19、能通过市电转直流电来给系统供电，这样系统才能真正在厨房中使用，因为厨房中都是220v电源插口。2.3 总体设计根据系统的设计要求，最终本文确定符合设计要求的总体设计实施方案原理框图。本设计主要由油烟探测电路，煤气探测电路，电源电路，红外探测模块，液晶模块，直流电机模块，单片机模块，声光短信报警模块等组成。系统框架原理框图如图2.1： 图2.1 系统总体框架原理图(1)油烟检测模块 这个模块本文系统使用了对油烟由很高敏感度的费加罗TGS2600气体检测传感器来做为检测的感应器件，不同浓度油烟其传感器内部的对应的感应电阻会有不同，通过设计电路产生不同电压，再输入到单片机模块中处理，从而为智能控制提
20、供数据支持。(2)煤气检测模块 这个模块本文设计使用了对液化气，天然气，煤气有很高的灵敏度的MQ-5气体传感器做感应器件，通过设计电路当煤气浓度高于门限值时系统报警。(3)红外人体感应模块红外人体感应模块本文设计采用了热红外传感HC-SR501对人体进行检测，它可以不用接触人体直接检测出人体辐射的红外线能量的变化，通过模块的电路得到电压。如果通过设计来把这个电压信号放大，就可以用来控制各种各样的电路，比如用来作开关的控制，防盗报警或者防火报警等。(4)单片机MCU单片机MCU的部分本系统选用STC12C5A60S2系列单片机，通过自己编写的程序对送入单片机的数据进行处理，从而实现能够自动调节风
21、扇的转速档位，无人时系统工作在低功耗模式，煤气泄漏时通过给房间主人发提示短信，液晶显示等功能。(5)电源模块 电源模块通过电路设计将交流电220V转化为直流电给系统提供电源。这里系统所需直流电源的设计思路是让输入的市电电压先通过220伏转双12伏的电压变压器，然后通过H电桥整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络得到我们所需的直流电。(6)液晶显示模块 该模块使用LCD1602显示模块做为系统的显示部分，价格低廉，可以显示英文，满足一般的显示方面的要求，能够同时显示两行一共三十二个字符。系统在处理数据后，在液晶显示屏上显示对应的参数如油烟浓度等级，风扇转速等级。(7)直流电机模块 该模块使用
22、L298电机驱动模块驱动直流电机。系统通过油烟浓度等级在单片机中产生PWM信号，通过不同占空比PWM信号输出给L298模块，从而实现对直流电机的调速。 (8)GSM报警模块 通过单片机控制GSM模块，在煤气泄漏时给对应手机发提示短信报警，蜂鸣器响，LED灯亮。2.4 各模块的方案选择2.4.1单片机模块的方案选择方案选择1：选用AT89S51这款单片机ST89S51它是一种功率和损耗都非常低，性能非常的强的芯片，它是采用了其生产公司的高密度不易失性存储技术来生产，能够同时兼容8051指令和引脚。同时它也拥有3级加密的程序存储器，有三十二个可以被用来编程的I/0口，定时（计数）器有2个，并且两个
23、都是十六位的，内部的随机存储器（RAM）为1288个字节。但是由于其内部没有AD转换功能，需要外接ADC0832等进行模数转换，对于本设计来说会使原理图及PCB变得复杂。方案选择2：选用STC12C5A60S2这款单片机60S2单片机同样也是宏晶公司推出的，它拥有着一般现在市面上51单片机的特点，指令系统也是一样的，但是处理速度上是要快上八到十二倍。公司在其芯片片上集成了一千两百八十个字节的RAM，用户应用程序空间可以有很多种。芯片内部还有四个十六位的定时器，同时集成了专用的复位电路，可以通过可编程的计数器阵列（PCA）输出我们所需要的2路PWM（占空比可变）信号。而且它自己芯片上有八路高速度
24、的A/D转换口（250k/秒，即25万次/秒），成本非常非常的低，可以让我们设计的油烟检测模块的电路得到很大程度上的简化，满足我们做实验或工程设计的生产和各中小工程的需求，非常适合用来做控制电机的核心处理器。通过对这两个方案的分析对比，考虑此系统需要输出PWM信号对电机进行控制，同时有数据需要进行AD转换输出给单片机处理，60S2可以满足要求，且价格便宜，速率快，所以本系统选择方案2。2.4.2红外人体感应模块的选择目前，市面上有很多已经集成化的红外人体感应模块，各种类型的模块各具优势，下面对各模块进行比较，选择合适的模块来用于本设计的系统。方案选择1：SC0082人体感应模块通过查这个模块的
25、工作电压为直流3.315V，有输出的时候输出高电平3V，无输出的时候输出低电平0V，延时时间和封锁时间都是两秒，触发方式只有可重复触发方式这一种，也就是说在检测到人后会自动进入一个延时，感应角度小于七十度，感应距离只有三米，价格适中，一个模块约为10元这样子，优点是体积小约10mm*8mm。方案选择2：HC01-1红外人体感应模块这个模块的工作电压是直流电压5V，有输出的时候会输出高电平3.3V，无输出时会输出0V，感应角度非常大，为一个圆的角度360度，感应范围大概三到五米。这个模块能通过不接触人体直接检测出人体辐射能量的变化，并且将其转换成01电压输出。虽然感应角度非常宽，体积小约10mm
26、*8mm左右，但价格比较昂贵，一个约为20元。方案选择3：HC-SR501红外人体感应模块HC-SR501这个模块的灵敏度非常地高，工作电压非常地低一般是直流4.5-20V左右，有两种的触发方式:可以重复触发以及不可重复触发方式。它的延迟时间是可以调节的，调节的范围为零点几秒到几十分钟，封锁时间也是可以调节的，调节的范围为零点几秒到几十秒（默认时间为两点五秒左右），同时它的感应距离也可以调节，范围为3米到十米感应角度约120度。价格较前两种模块便宜，约5元，体积为30mm*24mm。通过比较，在满足本系统设计所需的技术要求外，考虑到成本和调节的灵活性，本智能系统选择方案3。2.4.3 GSM模
27、块的选择方案选择1：TC35模块TC35是西门子公司生产设计的新一代的无线通信模块，自带RS232通信接口，工作电压在3.3v-5.5v左右，可以工作在九百兆赫兹和一千八百兆赫兹两个频段，功耗分别为2瓦和1瓦。可以支持2G,3G,还有4G卡，价格比较高，百元以上。方案选择2：SIM900 mini板SIM900A的工作频段可以有GSM900兆赫兹和GSM1800MHZ两种，可以低功耗来实现短信，彩信等数据的传输。MINI板同时支持RS232串口和TTL串口，支持五到十八伏工作范围。它拥有电源和网络两个指示灯，电源为红色，网络状态为绿色，正常工作时两个灯按正常模式闪烁。不过GSM900模块为2G
28、模块，不能够支持3G卡,4G卡的使用，也不能够支持电信卡的使用。价格相对来说比较便宜，60左右。经过两相对比，由于本系统只要求实现发短信功能，考虑到成本和实用性，系统选择方案2。2.4.4电机驱动模块的选择方案选择1：爱控电子大功率直流电机驱动板/模块12/24/36V 15A大功率直流驱动模块是爱控电子设计生产的可用于大功率电机驱动和各种控制的模块，可以正反转，可满PWM，支持电压DC9V-12V，价格昂贵，大约在60元。方案选择2：L298N电机驱动模块L298N模块是其公司设计并且生产出的一种较大电流且较高电压的模块。它的输出电压最高可达四十六伏，瞬间峰值电流最高可以达到三安，持续的工作
29、电流为两安，额定的功率是二十五瓦。它的内部含有两个H桥的全桥式的驱动器，可以用来驱动直流电动机，步进电机，继电器线圈之类的感性负载10。同时模块的价格低廉，约5-8元。考虑到系统的风扇的电机使用的是直流电机，且PWM信号占空比要求不需要极限值，同时考虑到价格成本，两相比较选择价格低廉基本满足我们需求的L298N做电机的驱动模块，即选择方案2。3 硬件电路设计硬件电路是一个系统能够实现所需功能的硬性要求，只有硬件电路设计没有问题，才能够在此基础上进行软件设计。因此系统在进行硬件设计时要分模块设计，一个个模块设计突破，再通过核心单片机整合起来，通过软件编程实现各模块相互作用，形成一个完整的系统。这
30、里主要分为以下模块：单片机模块，电源电路模块，油烟检测模块，煤气泄漏检测模块，红外人体感应模块，串口GSM模块，电机驱动模块，液晶显示模块。3.1 单片机最小系统模块单片机模块是一个系统最为核心的一个部分，在本文中选择STC12C5A60S2作为核心芯片。此芯片是一种能够同一时间输出两路PWM信号的且自带A/D转换的一款新型单片机，非常适合用于与本系统一样需要用到电机的系统。一个基本的单片机系统一般需要以下几部分组成：单片机核心处理器，晶体振荡器，还有就是复位电路。 图3.1 单片机最小系统 首先是单片机，需要给单片机接上电源和地，这样单片机才能够工作。它的主要参数和性能主要为：（1）它的工作
31、电压：一般为三点五伏到五点五伏左右，接5V电压可以使其正常工作。（2）它的工作时的频率：一般为零到三十五兆赫兹，和普通的8051的零到四百二十兆赫兹相对应。（3）它的程序可以为8K字节到60K字节不等，芯片集成了一千两百八十个字节的RAM。（4）拥有EEPROM功能。（5）内部拥有专用的MAX810复位电路，当系统所加的晶振在12兆以下的时候，复位管脚可以直接通过一个一千欧姆的电阻与地相连。（6）拥有四个定时器，每个定时器都是十六位。定时器T0和T1是和传统的51相兼容的定时/计数器，没有定时器2，但是内部有一个独立布特率发生器可以用来串行通信用，在加上两个可编程计数器阵列（PCA）模块可以用
32、来输出PWM信号。（7）自带八路共十位的AD转换口，需要模数转换的数据可以直接输入到这些端口进行处理，速度最快可达二十五万次每秒。 除了单片机这个最小系统还需要晶体振荡器，它也叫作是时钟振荡电路。单片机的时钟可以用两种方法来生成,一种就是用内部时钟来生成，另外一种则是用外部时钟。这里系统用内部时钟方式，在图中本文选择用一个11.0592兆赫兹的晶振，即在18脚和19脚外接系统选择的石英晶振，就可以构成一个自激振荡器。通过这个自激振荡器系统就可以在单片机里面产生系统所需的时钟脉冲信号，另外两个电容则是被用来稳定频率和快速起振的，一般这两个电容可以在5-30pf中选择，所以本文选择22pf。复位电路：在一般的单片机系统中复位电路可以分为上电自动复位还有手动复位。本文只要在单片机的复位引脚上面外接一个合适的电阻还有一个合适的电容，使其接电后实现电容充放电，在本文设计的系统中就可以实现上电复位的功能。这里电容选择10uF的有极性电容，电阻用十千欧的电阻
