自动抽油烟机技术

第一章绪论1.1课题研究背景及现状我国经济近年来发展迅速，人民的生活素养得到充分展现，生活习惯、饮食习惯得到不断改善，餐饮业获得飞速发展的机会。随着越来越多饭店的开业，使得油烟的污染问题一直在不断恶化，如果不进行控制，势必对环境和居民的身心健康造成很大的影响。为此，自动抽油烟机的开发具有很大的实现意义，能有效降低对居民身体影响及环境的污染。暴露于≤2.5μm(PM2.5)直径的微粒会增加对健康的不利影响，而烹饪是PM2.5在家庭中的主要来源。所以有必要对家庭厨房中PM2.5浓度进行研究，并通过适当的通风机制降低这些浓度。采用统计模型和随机模拟方法对英国每天平均PM2.5浓度的不确定性进行了预测。在加热季节，最糟糕的情况是一天煮三餐，新鲜空气由透气器和风机提供。根据这个模型，超过98%的英国房屋由于只通过渗透而使PM2.5的排放量变小，所以厨房的平均浓度低于WHO指导标准25μg/m3。所以所有的厨房都需要控制通风。在通风系统方面，英国建筑法规和ASHRAE62.2的规定分别为98%。用锅盖加热，通风效果最好。应该修改纳入要求的气流混合率和捕获效率的标准。采用50%的通风罩时，PM2.5浓度的气流流速分别为52l/s和90l/s,75%的房屋空气流速和98%的房屋空气流速均低于WHO指南。抽油烟机的主要目的是以良好的油脂分离来最大化排气。在优化条件下，进出口叶片角度为80°和176°，而叶片和导叶的高度分别为0.180和0.245米。叶片和导叶的最佳数量分别为29和7，而最佳扩散器直径为0.340m。所提出的抽油烟机具有良好的油脂颗粒分离性能。此外，抽油烟机的外筒和GVE在1-4lm的尺寸范围内对颗粒表现出较大的分离效率，而叶轮叶片主要在4-10lm的尺寸范围内分离油脂颗粒。目前市面上净化油烟的设备有油烟机和油烟净化机。大部分居民厨房用的是油烟机，国产传统抽油烟机主要由多叶离心风机和蜗壳叶轮式离心风机两部分组成。随COF在烟机内停留时间的延长，达到烟机壳体壁上的油脂颗粒数增大，分离效率提高。圆柱壳与离心风机蜗壳相比，可以通过提高蜗壳的轴向高度来增加流体的轴向流动距离。在离开叶轮后，由于惯性力的作用，GVE表面经历了环形旋转的油脂颗粒。这样，蜗壳和导流箱就被外缸的GVE所代替，叶轮就留在了我们建议的抽油烟机上。但是油烟机有三个主要的问题需要去面对：油烟机机型结构结构不利于排烟，太过于重视外观形式，不符合空气动力学原理，低压通路无法形成，这就造成了油烟可以轻松逃逸。单单通过风轮旋转产生的惯性分离无法形成有效的油烟管控，主要表现在油烟的收集上，它无法使油烟长时间停留，使得大部分油烟颗粒会逃逸出去，造成污染。油烟形成油滴时，它的粘附性变大，容易粘附在风机叶轮表面，清洗困难，使风机寿命大大缩小。因此，这种油烟机无法有效处理油烟的沉降分离，且风轮容易粘附大量油滴，使得厨房的环境更加恶劣。厨房的油烟不能得到有效控制，造成油烟污染，这对人们的健康造成极大的危害，癌症及一些疾病的发病率和厨房油烟污染有很大的关系。1.2课题的主要研究内容、创新点及意义1.2.1课题的主要研究内容对油烟机和MQ-2烟雾传感器原理、结构、研究现状进行理论上的研究；在MATLAB/SIMULINK中建立模型以得到自动抽油烟机的代码；通过PID控制算法实现自动抽油烟机的控制。1.2.3课题的创新点1.采用PID控制算法，在使用的时候，抽油烟机能根据检测出来的油烟量的变化来变化，从而达到无需手动控制就能使油烟量大大降低；2.使用MATLAB去进行PID参数的整定，从MATLAB生成的图形之中，我们往往能得到在理想范围内的PID参数；3.更简单的控制，运用51单片机节省了大量的元器件，在控制方面发挥了及时，迅速，精准的，从而能有效的实现对抽油烟机的控制；4.在SIMULINK上建模，得出一个PID闭环控制的模型，目的是自动生成代码文件，用于仿真。1.2.4课题研究的意义1.对于家庭厨房，开发出紧凑的高效节能型抽油烟机，工作效率高，不容易出现故障，运行稳定，可以保证油烟的高效净化，降低了厨房环境油烟浓度，提高了空气质量，使得人们的健康得到保证。2.在饮食业中，对油烟进行高效的脱排和净化，并能持续稳定的运行。一方面，减少了油烟排放不达标情况的发生；另一方面，提高了厨房内的空气质量。1.3本章小结本章综述了自动抽油烟机技术的发展意义和研究现状，说明了市场上油烟机存在的问题。最后介绍了本设计的主要研究对象内容和创新之处，阐述了课题研究的意义。抽油烟机的研究2.1油烟的形成及组成成分2.1.1油烟的形成油烟的来源主要有两个方面，一是高温油在锅里挥发产生，二是在锅中的混合物被烧焦所形成的气体。锅中的油主要是挥发物。烹饪温度在50到100摄氏度之间时，会有轻微的热上升，这主要是由于沸点低和水分蒸发造成的。温度为180℃时，这些组分开始蒸发，在较高沸点上形成直径大于0.001cm的小油滴，肉眼可见。高于280℃时，高沸点开始蒸发，形成直径在0.0000001~0.001cm的微油滴。当油脂加入更多的油脂时，食物中的水会由于加热而膨胀收缩，然后与由油烟生成的油雾和由燃料热分解生成的油烟混合形成油烟混合物，温度迅速下降至50℃以下，形成含有凝析油的气溶胶。含有气体，液体和固体三相油烟。2.1.2油烟的成分食品工业烟气（以下简称烟气）是指在烹饪和加工过程中产生的挥发油，有机化合物及其分解和热裂解产物。可直接吃的油脂分为植物油和动物油，植物油包括豆油，菜籽油，花生油，亚麻酸，亚油酸等不饱和脂肪酸的主要成分；动物油主要是猪油，是甘油饱和脂肪酸的主要成分。在焖，油炸，爆炒，油炸（约270℃）等传统中式烹饪方法中产生大量有害油烟气，其中含有大量的短链醛、酮和多环芳烃(PAHs)等物质，对人体有致癌、致突变的危害，易造成低空污染，由于油脂的沸点不同，主要成分的沸点在290℃左右。。随着餐饮业的快速发展，行业内各大厨房产生的烟气污染了环境，对居民的生活造成越来越大的危害。加热过程中，可食用脂肪（如菜籽油）发生热分解和氧化分解，导致大量VOC和非VOC。2.2油烟对人体健康的危害中国是世界上人口最多、文化最发达的国家美食是独特的，有各种烹饪风格和材料。一般来说，食用油和调味品在烹饪过程中被加热，它们产生食用油(COF)。在过去，它已经报告说，COF排放是造成空气污染的主要因素之一，特别是室内空气，在中国和其他国家。COF含有颗粒物、挥发性有机化合物、多环芳烃和羰基化合物。烹饪排放对氨气溶胶的贡献在12-20%之间。李和Gany回顾了与COF排放相关的肺癌风险。他们发现COF中含有的诱变或致癌化合物会引起DNA损伤和致癌。Ke等人，研究了颗粒物和多环芳烃对餐厅的影响工人和发现厨师暴露在重复煎油的可能发生氧化DNA损伤；此外，使用餐厅废油可能导致脂质过氧化增加。Li等人，从肉类烘焙、自助油炸、鱼烤、小吃街煮沸和自助餐厅煮沸中收集样品，发现有机碳含量大于肉类烘焙PM2.5的53%；此外，Pb、As和Hg的浓度也大于国际公共卫生组织规定的限值。Yu等人在蒸煮过程中监测颗粒浓度，发现PM10的数量浓度大于80lg/m3。此外，研究还表明，与气体和电炉烹饪相结合的超细粒子(UFP)(尺寸小于10nm)的浓度是尺寸大于10nm的粒子的10倍。2.3油烟处理技术最初的时候，我国对烹饪油烟的处理技术还不够成熟。我国是中式烹调，与国外大不相同，国外半成品加工多，食物生吃，污染少，我国需要烹饪，温度高。为此需要发展适合我国国情的处理技术。当前国内处理油烟的方法主要有惯性分离法、滤水法、静电法、湿法和复合法五种.如图所示惯性分离操作、维护方便、设备的结构简单、能耗非常小等优点，它仅局限于给净化要求低、多与其它方法结合使用的场合。过滤法最优点是投资相对较小，结构简单，工艺容易，运行稳定可靠，是一种理想的滤波方法；缺点是随着过滤过程的进行，过滤层阻力逐渐增大，由于颗粒粘度大，容易堵塞，清洗困难。湿式处理法体积非常小，维修价格便宜，不会被污染；缺点是初期投资大，阻力大，添加化学试剂用量大，能耗高，由于洗漆液对污染物的吸收，需要处理，存在二次污染。静电法静电离子化是指利用阴极发射电子，产生高压电场，将油烟颗粒带电，然后用电场的力量将其收集到阳极电极上。复合处理目前常用的方法有机械法和静电法、湿法和静电法两种，该类结合方式存在体积非常大，组成复杂，维修价格昂贵等缺点。2.4油烟机基本理论2.4.1油烟机的发展全球首台抽油烟机“诞生地”在意大利，抽油烟机在国外的发展较早，在国内的发展较早，日本早在六十年代就已开始研制、生产和推广厨房抽油烟罩，这种抽油烟机实际上是抽油烟机的早期形状，到七十年代中期，一些走在前面的国家(如日本、美国、法国等)都已很大程度上地应用抽油烟机到每家每户中去。一家贸易公司在德国慕尼黑商品交易会上展示了中国第一台抽油烟机，引出了全新的产品设计风格走向以及非常潮流的外观。不过，这并不是由我们自己的烹调方式所组成的。家庭菜肴注重保持蔬菜的营养和原味，基本都是煮和油炸，以免产生过量的油烟。另外，中国烹调和油炸会产生大量油烟。这种盖子是根据热空气上升原理设计的，用滤网对烟气进行过滤，不能达到很高的净化效率。受各方面条件的限制，国内无一厂家生产油烟机。1984年我国第一台外挂式吸油烟机出现到1985年批量生产，在1986-1988年间生产量达134。81万台，1991年更是突破到400万台的销量。2.4.2油烟机的分类按外观分类。可分为两种，中式和欧式，两种类别分别是图1和图2。分类特征示例图薄型风柜不深，无集烟罩，处理油烟性能较差。亚深型在三类外观中，它的数据处于中等位置，处理油烟的性能处于中等。深柜型在风柜和集烟罩中比较，它是三类中尺寸最大的，处理油烟的性能也是最好的。图SEQ图\*ARABIC1中式抽油烟机分类特征示例图半波面板从正面看形成一个小圆弧，采用被热量形变过的玻璃和金属材质的相结合，集烟罩在三类中最小。T型时尚感T型台设计，外观优雅简约大方。塔型集烟罩面积相对较大，立体感强图SEQ图\*ARABIC2欧式抽油烟机2.4.2按结构分。可分为三种，直吸式（又称顶吸式）、侧吸式以及近吸式，如图3所示。分类特征示例图顶吸式进风口在顶部，风轮中心朝下，油烟直接进入风轮中心。侧吸式进风口在侧面，风轮中心正对操作者，油烟上升需要经90度拐弯才能进入风轮中心。近吸式结构改进，安装高度比以上两种低，更接近油烟源，处理油烟性能好。图SEQ图\*ARABIC3按结构得出的分类2.4.3油烟机的工作原理开始。连接上电源，马达开始驱动风轮高速旋转，风箱内空气被风轮抽走，形成负压真空区。抽烟。夹带着油烟的空气向风柜内流动，随风轮旋转。烟尘排放。独立的烟气从烟管中排放到室外或在烟道中。油烟雾分离。由于离心力的作用，较大的油滴被抛入风柜内壁，沿油路返回油杯。2.4.4油烟机的内部构成油烟机的内部构成如图4所示。图SEQ图\*ARABIC4油烟机的内部结构介绍了以上的知识，我们能够了解到油烟机的基本用途，为研究新型，更高效的油烟机提供理论依据。叶片是动力系统的关键部件，烹饪产生的废气由他处理。马达负责叶轮转动，而油脂收集器是用来收集新型烟机上分离的油脂颗粒。外筒子提供结构功能，通过离心捕获颗粒和油滴。外筒内侧及叶轮上方，有一个内筒通过连接件固定在外筒内。给电机安装提供了空间，减少了厨油排放造成的腐蚀风险。最后的模块是导叶，用于调节烟气出口方向，定义为

GVE。电机安装在内筒中，

COF不通过内筒。忽略装饰和功能性保护的形式，简单化的结构包括外筒、内筒、

GVE和叶轮。其主要结构参数为：内、外筒、扩压器、叶轮进出口、叶片高度、进、出叶角度、导叶高度、叶片数、导叶数量。通过对叶轮、导叶和扩压器参数的优化，研究了新型抽油烟机的气动性能。按照安装规范和技术要求进行维护。采用导叶来改变

COF流动方向和提高出口压力是改善新型抽油烟机大气性能的重要环节。对双风机离心风机的研究宽度双进气叶轮和双放电蜗壳变形表明，叶片通道流量分离和下游蜗壳流量损失可使风机性能降低2-5%左右。蜗壳是离心风机的关键部件之一，用于收集和传递流体，通常具有最低的性能。为了提高蜗壳性能，Hariharan和Govardhan采用模拟方法研究了平行壁蜗壳。结果表明，平行壁面蜗壳的等熵比功和总等熵效率分别提高了6%和2%很明显，当与矩形蜗壳相比时。Baloni等人，采用田口法和方差分析法对离心鼓风机蜗壳的几何参数进行了优化。观察到一个蜗壳宽度是叶轮的1.5倍，舌角为24°与原来的离心蜗壳相比，蜗壳外径向位置的减少10%会导致更好的性能。在另一项研究中，Kim等人，研究了叶轮处环形板安装高度对具有前弯叶片的离心风机效率的影响。结果表明，安装在距轮毂25%跨度的环形板的效率最高。Li等人，采用数值和实验方法研究了扩大叶轮对离心风机流量、总压力上升和效率的影响。结果表明，扩大叶轮降低了流量分布的均匀性，增加了蜗壳损耗，进而降低了风机效率。目前大多数关于几何修正的研究离心风机参数处理气动性能问题。离心式风机由于其对油脂颗粒的分离效率低，一般不作为分离设备。虽然旋转过滤器分离油脂颗粒具有较高的效率，但它们很容易被堵塞。这导致油脂颗粒释放到房间，这会给厨师和居住者带来不愉快。此外，GB/T17713-2011规定抽油烟机的最低油脂分离效率为80%。因此，有必要开发一种新的抽油烟机，以满足排气气流的要求，并表现出较高的油脂分离性能。为了弥补进化计算中的内在缺陷，Sun等人，1998年提出了思维进化算法，该算法模拟了人的思维活动，并提出了一种极好的优化性能和收敛比。反向传播神经网络是一种多层网络前馈神经网络具有较强的非线性映射能力..本研究的目的是设计一种新型抽油烟机，并优化其几何结构，以满足高润滑脂分离效率的排气气流速率要求。为了实现这一目的，提出了一种基于MEA-BPNN耦合的三维CFD模型的逆设计方法，其中BPNN的初始权值和阈值由MEA优化；此外，MEA与优化的BPNN耦合，以找到新抽油烟机的最佳结构参数。MEA的最优目标是最大限度地提高排气气流速度和良好的油脂分离；考虑的设计变量是七个结构参数，包括叶片进出口角、叶片数和高度、导叶数和高度，和扩散器直径。采用正交实验法确定训练验证BPNN的典型工作条件。通过CFD得到典型工况的结果，建立最优值与设计变量之间的关系。采用MEA和Mono-Factor分析(MFA)和半八度法(HOM)来提高优化效率。结果表明，所提出的新型抽油烟机的排气气流速率和油脂分离性能是令人满意的。2.5旋流式脱排油烟机的原理及特点2.5.1原理旋流电动机驱动叶轮在高转速，导致负压区在圆形叶轮的中心。COF通过常压条件下的高速旋转叶轮。叶轮均匀地包括若干弧形叶片以环和两个板的形式排列一个环形结构，使COF进入，一个圆形结构将其连接到电机轴。圆形结构的直径大于叶轮的直径，因此在叶轮出口和外圆筒之间形成扩散区。在离心力的作用下，COF流入扩散器区域，动态压力转化为静压，以提高叶轮效率。后来，COF到达GVE区，油脂颗粒与气流分离。最终，分离的COF被排放到外部环境或公共烟道系统中。由于惯性力，旋转叶片在COF通过时会捕获大量的油脂颗粒。一些直径相对较小的颗粒通过叶轮进入抽油烟机。在扩散器区域，由于离心，其中一些粒子被困在外筒的内壁。到达GVE区的未捕获颗粒被外筒内壁和导叶表面所捕获。随着新型抽油烟机运行时间的延长，由于重力的作用，所有被表面捕获的油脂颗粒都沉积在油脂收集器中。2.5.2特点与其它排烟罩相比，旋流类排烟罩的最大改进是采用旋流分离器，烟尘在缸内产生高速旋涡，使烟尘排放更加彻底，净化效率更高。旋流抽油烟机完全不使用鼓风机直接抽油，采用旋转气流抽油。该工艺的先进特点是旋转气流形成的低压堆芯比鼓风机直接吸收鼓风机的吸光度大得多，因此烟尘净化率高。同时，风机不直接吸出烟尘，只将洁净的空气吹入旋流分离器，产生旋转气流。它拥有能快速清洗干净，简单拆除，部件便宜的特点。2.6本章小结随着人们对厨房油烟的重视，对于新型高效的油烟机开发迫在眉睫。本章介绍多种抽油烟机的优缺点，可以在他们当中进行比较得到最优的方案。第三章PID控制参数的整定PID控制器虽然1915年至1940年间出现了许多先进的控制方法，但PID控制器以其结构简单，对模型误差鲁棒性强，易于操作等优点，在电力，服务，机械等行业得到了广泛的应用。PID控制器与其它简单的控制操作相比，可以根据历史数据和差异的出现率来调节输入值，使系统更精确、更稳定。它的控制比例也被称为“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成正比，偏差越大，输出就越大。比例差，积分，微分线性组合成控制量，并对PWM控制器的占空参数进行控制。PID参数确定的方法1.SmartPID参数整定方法。适应性技术中最主要的是自调整。根据工作机制的不同，自校正方法可以分为两类：基于模型的自校正方法和基于规则的自校正方法。自整定模型法。采用Z-N阶跃响应方法设计了自整定控制器，它的主要优点是能适应噪声强的环境；②通过参数“黑盒”传递函数估计，提出了闭环PID参数确定方法，该方法具有较好的鲁棒性和飞快性，且参数确定的过程对外部扰动和有害的声音敏感较小。不利之处在于不能适应过程的持续变化；③继电反馈法，它是获取过程临界信息的最简单的方法之一，它选择了较为合理的振荡频率，使控制回路具有较大的增益和相角裕度；④基于继电激励获取被控对象频域模型的PI和PID控制器自校正方法；⑤基于继电反馈的PID参数自调整方法。自整定的基于规则的方法。规则自整定方法不需要建立过程实验模型，而采用与有经验操作人员相似的手动整定规则进行整定。自整定过程规则化和模型化一样，都是利用暂态响应、设定值变化或负载干扰等信息来观察被控过程的特征。②基于模式识别的PID参数整定方法，其优点是应用简单，不需要用户设定模型阶次等先验信息，甚至不需要进行预校正试验即可实现参数自动整定，缺点是需要大量的启发式规则，这给设计带来一定的复杂性。具有正弦干扰、非最小相位动态特性和多变量交叉耦合等特点的自校正算法性能较差；②基于规则自校正的频域辨识方法优于其他方法，其优点在于：其校正过程无需中断正常的闭环控制，并且可以利用频域辨识技术从闭环系统得到的数据中估计出过程的开环频率响应，采用周期激励，利用频域辨识技术得到闭环内部相对高的信噪比，从而便于自校正过程的计算2.多变量PID参数整定方法。采用递推参数估计策略，PID参数可以在线确定。该方法的优点在于，在闭环控制模式下，对于合理选择期望临界点所需的过程稳态增益，可通过自动调节控制器同时辨识出临界点。但也存在一些不足，即该整定过程并不比采用图解法的固定参数多元PID的预确定过程困难。3.非线性PID参数确定方法。针对经常被用到的PID调节器的自适应能力和鲁棒性不足，提出了利用非线性特性的改进方案。应用结果表明，所设计的非线性

PID控制系统能有效地实现对加热炉功率的控制，并能实时地控制锅炉的升温和恒温过程.应用结果表明，所设计的非线性PID系统具有很强的鲁棒特性，可以充当进一步研究过程非线性控制的一个有能动性作用的对象。MATLAB整定方法。应用于对象的传递函数已知的情况，通过在MATLAB中进行程序命令的执行，输入PID控制参数，在程序运行结束后会出现一个在设定PID参数情况下的响应图。优点是直观，参数易观察，结果准确。直流电机参数直接识别直流电机的数学模型来自于它的两个方程，即它的电气方程和机械特性方程。传统方法是利用经验公式，DC电动机的数学模型来源于其两个方程，即电气方程和机械特性方程。常规的方法是采用经验公式和实验法获取静态参数，模型误差较大，无法进行在线参数识别。该方法采用直接辨识算法，可以在线或离线简单、高效地获取直流电机的传递函数模型，从而更准确地获取其参数。实验方法获得有关静态参数，模型误差大，且不能获得在线参数辨识。为了能更精确地得到模型的参数，我们采用直接辨识算法，直接辨识算法能够简单有效地在线或离线获得直流电机传递函数模型。选择直流电动机作为例子，额定电压为E[U]=230V，电流E[I]=11A，转速V[n]=380rad/s，输出功率O[P]=2.0KW，转动惯量Z[J]=0.027J*s2。给此直流电动机加一阶跃电压U[a]=230V利用测速发电机测出该电动机的转速,并用存储示波器记录该电动机转速的变化,然后以150Hz的采样频率对其0～2s内的转速进行采样,共采样300个点。通过MATLAB仿真计算得E[T1]=0.3023s、E[T2]=0.0215s、E[K]=1.6338,即机电时间常数E[Tm]=0.3023s,电气时间常数E[Ta]=0.0215s,反电势系数E[Ce]=1K/=0.612。通过MATLAB确定PID参数在通过图像来确定PID参数时，通过不断地修改Kp,Ki,Kd的值如图，可以看到运行结果中图像显示的函数曲线在不断地变化，根据临界比例法，把参数调到图像出现振荡之时，我们再把参数改小一点点，最后可以看出在无限远的地方，结果的值是无线接近于1的。由此，pid中的可靠参数得以呈现，如图。本章小结在了解了PID控制的应用范围后，PID参数的整定方法是百花齐放的，各有利弊，本设计采用了直接识别的方法，通过采样获得实际数据，并进入MATLAB的处理，得到了精准的直流电机传递函数，对下面进行的设计起到了很大的帮助，采样点越多，越接近实际的传递函数。运用了MATLAB编程找出了目标函数的PID控制器的Kp,Ki,Kd。第四章方案论证与设计4.1题目解析本设计要求制作一个基于51系列单片机的自动抽油烟机设计，它由ADC0808模数转换模块、声光报警模块，烟雾检测模块、PID控制直流电机模块等组成。当传感器采集到空气中油烟的浓度值后，经过ADC0808芯片，对MQ-2烟雾传感器获取的模拟信号转化成数字信号，得到的信号经过单片机系统运算处理，在单片机内部通过代码运算形成PWM信号输送到到直流电机驱动芯片L293D控制电机运行。根据题目的要求，确定的系统框图如图所示。4.2方案论证以及设计4.2.1控制部分的方案选择1.STM32系列单片机属于ST厂商推出的STM32系列，其性能全面且强大,存储方面的性能异常优秀，针对任务的处理速度非常快速，特别针对高性能、用于制作的物件便宜和省电的嵌入式应用特别设计的ARMCortex-M内核，同时还拥有一流的外设：1微米双12位ADC,4兆位/秒UART,18兆位/秒SPI等，集成了32-512KB的闪存。SRAM内存6-64KB，最高工作频率72MHz，能进行更多控制的实现，使系统更加完善。但是相对来说价格比较高，很多功能没被应用，大大的浪费掉资源，不适合本设计，所以不采用该方案。2.采用AT89C51单片机，这款单片机没有STM32系列单片机的功能强大，但是它可以满足本次设计的程序编程，做到了资源不浪费，而且在价格相较于STM32便宜太多，所以本设计选用该方案。4.2.2传感器模块的选择采用MQ-2烟雾传感器，该传感器灵敏度高，体积小，价格便宜,常用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。4.2.3模拟信号转化成数字信号模块的方案选择ADC0809是CMOS工艺的8通道，8位逐步逼近型A/D模数转换器，由美国国家半导体公司制造。在系统内部设置了8路多路开关，只选择其中一个8路模拟输入信号，根据地址锁存来解码信号进行A/D转换。部件具有运转飞速，功能强大，精度高的特点，但是，它价格昂贵，不适合大规模应用，而且最重要的一点是，它不能在proteus软件中进行仿真，这与我们设计的步骤相违背，对该传感器不予以采用。利用ADC0808传感器，该传感器由8位A/D转换器，8路复用器和CMOS组件组成，具有与计算机兼容的控制逻辑，是逐次逼近的转换方法。ADC0808具有1/2的LSB精度。该变换器配有高强斩波稳定性比较器，256电阻分压器和模拟开关树组，逐次开关寄存器。通过地址锁和解码器控制8路模拟开关，可以实现对8路模拟信号的任意访问。利用率大，精度高，可以在proteus软件中进行仿真，符合本设计的要求，故采用该传感器进行设计。4.2.4声光报警模块采用简单的元器件，二极管，三极管（PNP），LED,蜂鸣器组成一个简单控制电路，价格便宜，搭建简单，元件容易寻找。4.2.5PID控制直流电机模块采用美国德州仪器（TexasInstruments）生产的微型电机驱动集成电路芯片L293D，支持逻辑控制电压和电机驱动电压4.5~36V，最大输出电流600mA。多用于小型机器，运行稳定，它对PWM信号的传输识别的能动性强，进而有效的驱动直流电动机的运转。4.2.6虚拟波形的脉宽调制方式调制脉宽有三种方式：定频调宽，使宽度不变只调频率和同时调脉冲宽度和脉冲频率。采用调频和宽度调制，因为电机运行更加稳定，在单片机产生的PWM脉冲的软件实现上更加方便。4.3系统方案论证综上各方案所述，此次设计的方案选定为：采用AT89C51单片机作为主控制系统，负责处理传感器的反馈信号；以MQ-2烟雾传感器为核心传感器；以ADC0808作为系统的模数转化模块；以L293D作为系统接收PWM信号的模块，从而驱动直流电机；以简单元器件构成的电路作为系统的报警模块。东北电力大学自动化工程学院学士学位论文硬件电路设计5.1单片机最小系统AT89C51单片机只读可擦存储器可重复擦除1000次。该设备采用ATMEL高密度非易失性存储器制造，符合MCS-51标准指令集和输出管脚。由于ATMEL的AT89C51结合了多功能8位CPU和闪速存储器，因此是一种高效的单片机，而AT89C051则是一款简化版单对多嵌入式控制系统，这是一种非常灵活和经济的解决方案，图5中是单片机引脚图。图SEQ图\*ARABIC551单片机引脚图AT89C51具有反复读取功能，能对多个信号量进行处理。如图6所示。图SEQ图\*ARABIC6单片机最小系统1.时钟电路在此次设计中我们采用在外部接一个振荡器构成外部时钟电路，使用固定频率的外部振荡器产生电平。电容C1、C2的大小会造成自振荡器频率的快慢、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体振荡频率一般为12MHz，有时设置为11.0592MHz。CPU完成一个基本操作的时间叫做机器周期，一个机器周期包括12个时钟周期。单片机就是依据时钟电路提供的信号来进行工作。2.重置电路如果当前系统因程序运行或操作错误而被死锁，则除初始化外，还可以重新启动。该电路可采用两种方式：上电式自动整复和按键式整复。电源VCC由RST端经电阻连接，实现按键复位。电容按键时短路放电，+5V直接加到RST上，系统复位。按键松开后，电源对电容器充电，充电结束，RST端为低电平，系统开始正常工作。单片机的复位电路和时钟电路图分别如下所示图SEQ图\*ARABIC7重置电路图SEQ图\*ARABIC8时钟电路5.2ADC0808模拟信号转换成数字信号的电路ADC0808/0809是8位CMOS逐次逼近型A/D转换器，其主要区别在于ADC0808具有1/2LSB和1LSB两个最小误差。单电源+5V，工作温度范围宽；每台ADC0808具有8路模拟量输入通道，采用变频启动控制，可输出0~+5V的模拟电压.其电路设计图如图9所示。图SEQ图\*ARABIC9模拟信号转换成数字信号电路5.2.1ADC0808/0809的工作方式1.时延方式：EOC处于高电平状态，模数转换器开始工作时，造成延时，跳过转换时间后再读入转换结果。2.查询方式：EOC接单片机并口线，模数转换器开始工作时，接受单片机的并线口信号，如果变为高电平，说明单片机接收到转换的信号，则读入转换结果。3.中断方式：EOC用非门控单片机的中断请求端作为停止服务信号，将停止服务信号发送给单片机，中断的信号得到回应，中断程序开始工作，并读取中断服务中的转换结果。5.3MQ-2传感器该驱动电路易于构建，响应时间短，发送信号的时间短，能够长时间高效运行。MQ-2型烟雾传感器属于SiO2硅半导体气敏材料，属于

N型表面离子型半导体。当温度在200~300摄氏度时，氧化物吸附空气中的氧，氧气的负离子也被吸附，使MQ-2半导氧化物中的电子密度减少，电阻变大。接触烟气时，若烟气量的变化改变了颗粒间接触的程度，则会引起半导体通电性的改变。使用该方法可以得到有关烟气存在的信息，烟气浓度越高，电导系数越高，输出电阻越低，输出模拟信号越高。MQ-2传感器通过对空气中油烟浓度的检测测算，输出模拟电压。故在仿真原理图中，我们用滑动变阻器来模拟MQ-2输出的模拟电压。MQ-2电路设计的仿真图如图10所示。图SEQ图\*ARABIC10MQ-2烟雾传感器5.4声光报警电路本设计通过运用简单的元器件，电阻，蜂鸣器，PNP三极管，二极管，LED等构成电路。当发生故障时，三极管导通，二极管导通，此时蜂鸣器和LED会发出警示信号。声光报警电路图如图11所示。图SEQ图\*ARABIC11声光报警电路5.5直流电动机驱动电路单片机输出的电机控制PWM信号接在EN1端口，IN1和IN2端口控制电机正反转，对应的OUT1和OUT2输出接在直流电机两端。5.6电机实际转速获取在Proteus中只有一种直流电机集成了测速传感器，motor-encoder。本设计中设置电机转一圈发出60个脉冲。根据实际运转情况及结合所编写程序，确定转速公式为：V=N*15;V:速度R/minN:每秒采样的脉冲个数5.7总体原理图本设计包括信号采集模块，报警模块，直流电机驱动模块，信号处理模块组成，以此来完成信号的采集、传输、处理、报警、运行等功能，系统原理图如图12所示。图SEQ图\*ARABIC12总电路图当MQ-2传感器采集到空气中油烟的浓度值后，通过XH引脚把信号传给ADC0808模数转换器，经过变化的信号变成数字信号传给单片机P1口，然后单片机对信号处理后传给L293D的PWM引脚，对直流电机进行驱动，直流电机的SPEED引脚奖信号反馈回单片机通过PID算法控制电动机转速，从而使油烟浓度大大降低。软件设计6.1系统流程设计软件主程序主要是获取传感器发回来的数据，并通过ADC模数转化回到单片机处理后，与预设值进行比较，超出预设值则驱动声光报警电路，然后信号输出为PWM信号对直流电机进行驱动，直流电机把数据反馈回单片机，通过单片机内部的PID算法来控制直流电动机的转速。系统流程图如图所示。6.2ADC0808模数转化部分设计START和ALE都是高电平有效。ADDA,ADDB,ADDC同时接地，选择通道IN0，当START出有高电平时启动EOC进行A/D转换，转换结束后OE端读取结果，并放置在D0~D7之中。程序流程图如图所示。第七章仿真部分7.1MATLAB/SIMULINK的应用结合以上所涉及到的知识，运用MATLAB中的SIMULINK进行:图形化直观可视建模界面、SIMULINK物理意义模型生成、自动形成C语言代码的操作，获取PID控制到的C语言代码通过KEIL编写进AT89C51单片机的MAIN.C文件中，并对PID代码所运用到的头文件，物理函数和控制变量进行调用。该系统的图形化建模界面，以网页的形式向网络用户提供。该界面类似于SIMULINK已有的图形建模界面，一方面为用户提供SIMULINK丰富的模块资源，另一方面通过实现构建SINMULINK框图的功能，实时响应用户的鼠标和键盘输入。此外，这个接口有时候也需要与服务器进行通信，所以它也具有一些网络通信功能。利用Applet技术实现了这个图形化模板界面。这个Applet是一个运行在浏览器中的Java小应用。7.1.1SIMULINK的图形化直观可视建模界面打开MATLAB软件，在主页界面寻找到SIMULINK模块，用鼠标双击点开，进入到SIMULINK界面之中。这个界面可以做到在电脑端建立模型，可用于仿真和编程，主要运用这个功能进行编程。在这个界面之中有BLANKMODEL模块，它给你提供空白的建模文件，平时主要运用这个空白文件进行建模。还有诸如BLANKLIBRARY、BLANKPROJECT、FEEDBACKCONTROLLER、SOURCECONTROL等好玩的功能。SIMULINK界面图如图所示。进入BLANKMODEL界面，在标题下面找到FILE功能按键找到SAVE选择一个路径保存文件，或者按下CTRL+S保存文件。双击LIBRARYBROWSER，里面有很多可供选择的模块，选择输入信号INT1、加和器SUM，选择连续模型的PID控制器以及传递函数，最后再选择输出信号OUT1。根据直流驱动电动机的模型，我们建立PID控制模型，并输入之前得到的参数，得到的组合图如图所示。7.1.2自动生成C语言代码拥有准确的参数并贴合实际的模型，这对仿真来说，是成功的第一步，没有前面的基础，就无法进行下一步。运用SIMULINK模块去生成PID控制算法的程序有几个优点。1.能快速的得到程序文件。传统的在KEIL上用C语言进行编程会耗费大量时间，建立大量的程序，而且需要一个字一个字的打出来。而建模通常需要30秒就能得到一个完整的PID控制算法的程序。2.得到的程序不比自己输入的要差。根据调查研究，自动生成的程序和中上水平的程序员所设计的