【《抽油烟机智能控制系统的硬件和软件设计案例》6400字】

抽油烟机智能控制系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u23861抽油烟机智能控制系统的硬件和软件设计案例 1302681硬件电路设计 3226591.1单片机最小系统模块 3319481.2电源电路模块电路设计 4299551.3烟雾天然气检测模块 4189001.4光敏电阻模块 633131.5温度检测模块电路设计 88271.6输出模块设计 9286361.6.1显示器模块设计 914011.6.2电扇电路设计 1133061.6.3蜂鸣器电路设计 13146701.7按键电路设计 14204971.8硬件部分整体连接图 15289301.9电路中其他硬件介绍和选择 15204251.9.1电阻的选择与应用 16197921.9.2三极管的选择与应用 1764241.9.3各元件的焊接方法 18294022软件设计 20204072.1单片机调试及相应软件开发 20221182.2系统主要功能流程图 2660062.2.1总体流程图 2636152.2.2应用程序 2743582.3仿真模拟 271硬件电路设计1.1单片机最小系统模块单片机模块是一个系统最核心的部分，本文选用STC89C52作为核心芯片。这个芯片。该芯片拥有8K字节可擦写Flash闪存，1000个可擦除周期，0Hz-24MHz全静态操作，三级加密程序存储器。256×8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，3个16位定时/计数器，8个中断源，可编程串行UART通道。最小系统模块组成如下图3-1：图3-1单片机最小系统模块Fig.3-1Minimumsystemmoduleofsinglechipmicrocomputer系统处理器电路的关键部分由CPU、复位、晶振电路组成。也可以说时钟电路就是一个振荡器。时钟电路控制单片机指令的执行。时钟电路控制单片机能否正常启动。单片机的高增益反相放大器组成的振荡电路和时钟电路共同构成了单片机的时钟模式。时钟速度决定了系统的速度，系统时钟电路由晶体振荡器提供。使用软件设计硬件电路时，晶振电路应尽量靠近单片机，晶振电路地与时钟芯片在同一位置。当晶体频率暂停时，当系统需要它时，应选择低频晶体振荡器，这样可以减少通过的功耗。晶振采用11.0592M，常用于串行通信和红外遥控电路，因为在12m和11.0592频率计算的串行通信中很难达到标准波特率。因此，有单片机通讯接口，一般选择11.0592M。1.2电源电路模块电路设计具体的设计过程如下3-2图：图3-2电源电路Fig.3-2Powercircuit如图3-2,首先本文设计先将交流电变为较为稳定的直流电，所以使用变压器。电源插座，通过开关（一个6针的开关，按下打开2、3和4、5），然后两个电容滤波，104陶瓷电容滤波高频,100uF电解电容过滤低频稳压，电容值越高稳压效果越好，得到系统电源+5V，后面接LED指示灯和限流电阻作为电源指示灯.当开关打开时，它通过电流。然后LED二极管亮起。1.3烟雾天然气检测模块根据系统的设计要求，油烟检测模块需要检测室内烟雾的浓淡程度，天然气浓度将庄华伟电压数值被单片机接收分析，由于本设计需要通过电压高低决定是否打开电电扇。以及天然气浓度是否超标，若超标开启警报。所以如何检测油烟浓淡程度是本文整个监测系统的重点。最终选择了MQ-2传感器作为抽油烟机的检测装置。MQ系列烟雾传感器基本上是都一样。一共有六个引脚分为两组，没有正负极。其中一组三个引脚相接，另外一组引脚两段相接，中间的引脚独立。实物如下图3-3：图3-3MQ-2传感器实物图Fig.3-3physicaldiagramofMQ-2sensor其传感器的基本测试电路及内部大体结构可以通过图3-4了解:图3-4MQ-2基本测试及内部结构图Fig.3-4Mq-2Basictestandinternalstructurediagram由图3-4可以清楚的知道传感器内部的结构和测试基本电路，该传感器需要施加两个电压。分别是加热电压VH和测试电压VC。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度，可用直流电源或交流电源。VRL是传感器串联的负载电阻RL上的电压。图3-5油烟探测模块及与单片机连接电路图Fig.3-5Oilsmokedetectionmoduleanditscircuitdiagramwithsinglechipmicrocomputer因为MQ-2同时对多种气体敏感，所以本文选用同时也可测油烟的的MQ-2传感器来做天然气检测的感应器。1.4光敏电阻模块这里系统需要通过使用GL5506元件来感受室内光。本模块是使用光敏传感器的自动控制的模块，GL5506是由电极与陶瓷基板相接外层包覆一层树脂胶，电极两侧伸出两根导线穿过陶瓷基板和树脂胶实物如下图3-8:图3-8GL5506实物图Fig.3-8Gl5506physicaldrawing设计这个模块的目的时，当室内烟气或燃气超标使抽油烟机（电扇）转动时，光敏元件是检测屋内光感的，如果室内明亮，照明灯则熄灭，只有夜晚室内光线黑暗，照明灯才会亮。为了在光线不足厨房昏暗时也方便主人操作。做出佳肴由于检测的是室内自然光主要看光敏元件的暗电阻数值来决定是否开启灯光所以白天正常天气下不会开启。光敏电阻应该安装在面板上按键开关旁。确保可以感受到厨房的自然光线。元件通过LM393与单片机相连，具体连接方式如下图3-9：图3-9光敏元件与单片机的连接方式和灯光输出Fig.3-9TheconnectionmodeandlightoutputofphotosensitiveelementandsinglechipmicrocomputerLED灯，也就是二极管在实物连接时要注意要严格按照原理图的正负极相连接。否则会导致没有响应。发光二级管实物图3-10如下：3-10发光二级光实物图Fig.3-10PhysicalpictureofLED长脚接正极，短脚接负极。1.5温度检测模块电路设计新型DS18B20数字温度传感器具有体积更小、精度更高、适用电压范围更广、单线总线可联网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。DS18B20有三个引脚分比为DQ、GND和VDD。DQ是数字信号输入/输出端、GND为电源端和VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20的内部结构图如下图3-11：图3-11DS18B20内部结构图Fig.3-11DS18B20internalstructurediagram测温元件与单片机通过DQ端与单片机相连外接5V电压和一个电阻防止电压过大。单片机通过单总线协议，读取DS18B20发送的数据并进行计算，最终得到温度值。R11是上拉电阻，这里的作用是提高抗干扰如下图3-12所示：图3-12DS18B20与单片机的连接图Fig.3-12ConnectiondiagrambetweenDS18B20andMCU1.6输出模块设计1.6.1显示器模块设计市场上液晶显示模块种类繁多LCD1602是一款工业字符显示模块，可以显示2行16列32个字符。LCD模块的每一点在接收到相应的信号后，都会一直保持那个颜色和亮度，恒亮，图像质量非常高，不闪烁。以下是其显示原理：用LCD显示一个字符比较复杂，因为一个字符是由一个6×8或8×8的点阵组成的，需要在显示器上找到某个位置对应的显示RAM区的8个字节screen，并使每个字段的不同位为“1”，其他为“0”，为“1”的为开，为“0”的为不开。这样就形成了某种性格。但是，对于带有字符发生器的控制器，字符的显示相对简单。您可以在文本模式下运行控制器，并根据LCD上显示的行数和列数以及每行的列数找出相应的显示RAM。放置光标，然后在此处提交字符的代码。本设计的LCD1602连接电路图如图3-13所示:3-13LCD1602的连接电路Fig.3-13connectioncircuitofLCD1602本设计中LCD160显示器的第四引脚到第六引脚与STC89C52单片机的P1口的P1.0到P1.2相连。第七引脚到第十四引脚连接P0口的P0.0到P0.7。各个重要管脚的用法:1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示:表3-1LCD1602引脚接口说明表Table3-1descriptionofLCD1602pininterface编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第一脚:电源负极;第二脚:电源正极，用来通5V的电;第三脚:液晶显示的对比度上下调试管脚，当让它接正电源的时侯对比度是最差的,接地时的时侯对比度最好，当对比度太高的时侯就会出现“花屏”，所以接一个10K的滑动变阻器这样用来调试它的对比度。第四脚:寄存器的选定脚;第五脚:读写信号的端口，当高电平时LCD1602就会读取指令，当为低电平时就会输出指令。进行显示地址或者写指令或的时候就是让R/W第五和RS第四管脚为低电平。当要进行写数据命令时就让RS第四管脚为高R/W第五管脚为低。这里写LCD程序时选择让瞭R/W口1接地，即相当于一直是低电平。第六脚:为使能端，当它由高变低时，模块将执行设置命令;第七到十四脚:是发送待显示数据的端口，接单片微型计算机的I/0端口。第十五脚:为背景光源的正向，用来与电源端连接;第十六脚:叫做背景光源的反向，接地;1.6.2电扇电路设计电扇是抽油烟机的重要组成部分也是其中相对简单的部分对于总体的仿真系统来说可以直接通过USB外界电扇即可如下图3-14：图3-14通过USB接口可连接的外设Fig.3-14PeripheralsthatcanbeconnectedthroughUSBinterfaceJ1为USB口，可接电扇、水泵、USB灯等负载，FAN输出低电平，R13限流后三极管Q2导通，晶体管的集电极连接到J1的+极，即2直接接+5V电源。此时J1的负载通电，负载开始工作。反之，如果FAN为高电平，则三极管Q2截止，J1不接电源，切不可给负载上电停止。C2为稳压,使电源+5V更稳定,C5滤波，抑制负载产生的干扰。由此电路外接电扇可使电扇在烟和天然气超过一定数值时由单片机传输信号开启，在烟雾和天然气浓度降低时关闭。在硬件的实际连接当中电扇有三根线，一般红色的是电源线，黑色的是接地线。中间白色或黄色的不接。下面是电扇实际图如下3-15：图3-15电扇实物图Fig.3-15realfan1.6.3蜂鸣器电路设计设计蜂鸣器警报系统，通过声音提醒主人及时关注厨房火电安全，蜂鸣器与单片机的连接如下图3-16：图3-16蜂鸣器与单片机的连接图Fig.3-16Connectiondiagramofbuzzerandsinglechipmicrocomputer其完成警报原理为单片机控制BEEP脚上传来的是高电平还是低电平来控制报警器,Q3为三极管,NPN型,这时如果BEEP传来的是“1”，三极管通路,警报器接地就会响,情况为“0”时,三极管不通电,警报器不响。R16被称为上拉电阻,让IO口的电流在“1”时变大,足以让警报器通电，R18做限制电流的作用,保护Q3。Q3集电极通过电阻R15连接一个发光二极管，发光二级光另一侧连接+5V电源。在接通时LED发光二极管亮。和声音一起期提示屋主。蜂鸣器结构简单，只有两个引脚。连接时长脚为正极，短脚为负极。实物如下图3-17：图3-17蜂鸣器实物图Fig.3-17Pictureofbuzzer1.7按键电路设计按键电路通过手动的方式来开启关闭电扇，还可通过菜单、加、减确认键来修改温度阈值和警报时间。房间主人可通过按键自主控制抽油烟机。下图3-18为按键系统的设计图：图3-18按键系统连接图Fig.3-18Keysystemconnectiondiagram按键S1到S6分别和单片机的P1.4到P0.7以及RXD和TXD以实现按键功能。六个按钮的设定功能分别是菜单、确认、加、减、电机开机和灯光打开。按键电路,按键按下通电,单片机通过判断端口为“0”来知道按键是否被按。1.8硬件部分整体连接图通过上面各个元件以及连接方式方法的介绍，把所有的元件部分和单片机连接起来形成了整个的只能抽油烟机仿真模拟电路如下图3-19：图3-19硬件部分连接图Fig.3-19Hardwareconnectiondiagram1.9电路中其他硬件介绍和选择以上大部分模块都已经介绍完毕。但是这些大的模块并不是在设计中全部。还有很多小型原件比如电阻、自锁开关和三极管等等并没有具体说明。接下来介绍这些组成原件和实物的操作方法。1.9.1电阻的选择与应用电阻是设计电路中不可或缺的一部分，根据不同的作用和设计的要求，每个部分都要使用不同的电阻。每个电阻会显示不同的阻值，代表这个元件拦截电流的能力。用符号“Ω”表示。挑选电阻阻止一般是看电阻上的色环颜色。色环电阻分四环和五环，一般情况下四环就够用了，需要更高精度时使用五环。四色环电阻就是指用四条色环表示阻值的电阻，从左向右数，一道色环表示阻值的最大一位数字；第二个彩色圆圈代表电阻值的第二个数字：第三个彩色圆圈代表数字：乘以电阻值。第四个彩色圆圈代表电阻值的允许偏差。四环读数数值如下表4-1：表3-1四环电阻认读表Table3-1fourringresistancereadingtable颜色第一环第二环第三环乘数第四环误差黑色0.01棕色1.1.10..±1%红色2.2.100..±2%橙色1.1.1K.黄色2.2.10K.绿色5.5.100K..±0.5%蓝色6.6.1M..±0.25%紫.色7.7.10M..±0.1%灰色8.8..±0.05%白色9.9.金色.±5%银色.±10%无.±20%五色环电阻就是指用五道彩色圆环表示电阻数的电阻，顺序是由左道右，。第一道色环表示阻值的最大一位数字；第二道色环表示电阻数的第位；第三个彩色圆环表示电阻数的第三位；第四道彩色圆环表示电阻数的乘数；第五道色彩色圆环示误差上下。五环更精准，和四环的差别就是第三环也做阻值读取，五环读数表如下表4-2：表3-2五环电阻认读表Table3-2fiveringresistancereadingtable颜色第一环第二环第三环第四环乘数第五环误差黑色0001棕色11110±1%红色222100±2%橙色3331K黄色44410K绿色555100K±0.5%蓝色6661M±0.25%紫色77710M±0.1%灰色888±0.05%白色999金色±5%银色±10%无±20%以上就是对电阻选择介绍。1.9.2三极管的选择与应用单片机应用电路中三极管一般做开关。三极管中9012与8550为pnp组成的型号，。三极管中9013与8050为npn组成的型号，。下图分别为pnp型和npn型三极管的电路符号。我们可以根据箭头方向判断具体型号和具体作用。如下图3-20、3-21所示：图3-20npn型三极管符号Fig.3-20NPNTransistorsymbol3-21pnp型三极管符号Fig.3-21PNPtransistorsymbol三极管具有单向导电性，设计中我们也多次运用了这个特性让不同的极接通就可以控制是否通路。1.9.3各元件的焊接方法想要完成设计，各元件需按照原理图排兵布阵。在实际操作中就是把各元件焊接在PCB板上。不同的原件有不同的焊接方式。大部分都是对齐PCB板用焊枪融化焊锡直接焊接即可。部分原件的焊接方式也有一些区别，需要额外的焊接手段。1）在LCD1602的连接时需要用到一个滑动变阻器其焊接方式就和其他的原件焊接方式不同。首先应该将下面的两个引脚折弯，然后焊接到板子上如下图3-22：图3-22Fig.3-22再拿一个废旧电阻引脚从中间折弯，挂在上面的引脚上，并将引脚的另一端插在板子上并焊接上。这样就可以避免原件损坏。如下图3-23：图3-23可调电阻焊接图Fig.3-23weldsforadjustableresistance2）如果使用到贴片电阻，我们也需要不同的焊接方式。先将贴片电阻放在，固定好的原件座，两个引脚中间如下图3-24。直接焊接贴片电阻两个脚。具体如下图3-25：图3-24Fig.3-24图3-25Fig.3-242软件设计2.1单片机调试及相应软件开发首先要介绍的是\o"AltiumDesigner"AltiumDesigner软件。下面结合图文详细介绍一下\o"AltiumDesigner"AltiumDesigner软件的使用方法。使用\o"AltiumDesigner"AltiumDesigner软件首先要打开软件。建立一个新的工程。单机“文件”选择“新建”。在新的菜单中选择“Project”（工程），在选择“Pcb工程”。这样就完成了一个新工程的创建。如下图4-1：图4-1在AltiumDesigne软件中建立新工程Figure4-1BuildinganewprojectinAltiumdesignsoftware在新工程中根据不同的需求可还建立其他工程文件，有Pcb文件，原理图文件，Pcb库文件和原理图库文件。在新建的Pcb工程上鼠标右键点击“各工程添加新的”即可添加所需文件如下图4-2：4-2给工程添加新的文件图Figure4-2Addanewfilemaptotheproject然后即可使用软件来绘制我们需要的原理图。在原理图库文件中，单机左下角的SCH菜单，选择其中的SCHLibrary。从其中选择不同的元件然后进行连接就可以绘制原理图如下图4-3：图4-3绘制原理图Figure4-3Drawingschematicdiagram本次设计使用的编程软件是KEIL4。接下来介绍KEIL4软件的使用方法，下载安装好软件后打开软件，鼠标单机“File”选中其中的“NEW”单机新建文档，即可根据要求开始编程。如下图4-4：图4-4新建KEIL文档Figure4-4Newkeildocument在我们编写完程序后需要把程序和仿真相连接，所以需要修改一下输出的晶振频率，把系统自带的24赫兹修改成12赫兹。否则将无法仿真。具体步骤是单机上方“Project”选择“OptionsforTargetTarget1”单机打开如下图4-5：图4-5打开目标选择菜单Figure4-5Openthetargetselectionmenu接着选中“Target”，把其中的“XTAL（MHZ）”修改成12.0。选择确认。即可进行仿真。具体操作如下图4-6：图4-6频率修