智能油煙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白宇航，翟娟，潘往麗，彭泉

（揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引言

在現(xiàn)代廚房中，普遍使用抽油煙機(jī)和天然氣灶。在使用天然氣灶的過程中，將會(huì)產(chǎn)生一定量的油煙及有害氣體；而傳統(tǒng)抽油煙機(jī)擁有單一的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，增加了能源的消耗以及遇到煤氣泄漏的危險(xiǎn)時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警。為了減少或防止這些危害，本文設(shè)計(jì)一種智能型油煙機(jī)。

本次設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)控制的智能油煙機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]，改善一些傳統(tǒng)油煙機(jī)不足的地方，將部分智能化、自動(dòng)化的功能加入其中，使其具有自動(dòng)控制的功能，大大增強(qiáng)其可行性、安全性、舒適節(jié)能、智能化的功能。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本系統(tǒng)的整個(gè)框架分為以下三個(gè)部分：

（1）檢測部分，包括煙霧檢測、煤氣檢測和按鍵輸入。（2）控制部分，由單片機(jī)AT89C51、開關(guān)電路、液晶顯示、自動(dòng)照明和GSM模塊與聲光報(bào)警模塊電路組成。（3）看門狗芯片，用來保證單片機(jī)正常工作，并監(jiān)測電源的是否穩(wěn)定以及程序執(zhí)行是否正常。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

煙霧傳感器用來檢測廚房油煙的濃度，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)室內(nèi)油煙的濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，在廚房的溫度和煙霧高于其設(shè)定閾值的情況下，報(bào)警信號(hào)開啟，蜂鳴器和排煙風(fēng)扇同時(shí)作用，并向用戶手機(jī)發(fā)送警報(bào)信息，達(dá)到即使排煙報(bào)警的效果。按鍵用來設(shè)置溫度和煙霧的報(bào)警閾值，系統(tǒng)的整個(gè)工作信息通過LED1062液晶屏幕顯示出來。

圖1 基于AT89C51 微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)主一般主要由振蕩電路和復(fù)位電路組成，如圖2所示。本系統(tǒng)的AT89C51采用12MHZ的晶體振蕩器作為振蕩源，可以更簡便的計(jì)算其機(jī)器周期。上電復(fù)位和按鍵復(fù)位組成了復(fù)位電路，單片機(jī)的RST引腳上連接一個(gè)10μF電容并接5V的電源，另外一邊連接一個(gè)10k的電阻到GND就形成了一個(gè)RC充放電回路，這就是上電復(fù)位。它保證了單片機(jī)在上電時(shí)RST腳上有足夠的時(shí)間去進(jìn)行高電平復(fù)位，隨后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。將一個(gè)開關(guān)并聯(lián)到10μF電容上就是按鍵復(fù)位。按下開關(guān)，形成一個(gè)回路，電容開始放電，RST拉到高電平。充電時(shí)，RST保持一段時(shí)間的高電平從而使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位[2]。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 顯示模塊

在本設(shè)計(jì)中，顯示模塊采用LCD1062液晶屏，如圖3所示，此液晶屏為字符型點(diǎn)陣式液晶顯示器，其內(nèi)部的字符發(fā)生儲(chǔ)存器（CGROM）已經(jīng)儲(chǔ)存了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形。LCD1062可以顯示16×2=32個(gè)字符，工作電壓在4.5到5.5V的范圍內(nèi)，工作電流是2.0mA（5.0V）[4]。

LCD1062液晶屏的8bit數(shù)據(jù)（D0～D7）端口接P0（P0口需接上拉排阻再與液晶相連防止LCD顯示出錯(cuò)），其中3號(hào)引腳為液晶顯示屏的對比調(diào)整端，接到正電源時(shí)，對比度最弱，接到地電源，對比度最高，我們通過連接一個(gè)可變電阻器來調(diào)節(jié)液晶顯示對比度；4號(hào)引腳RS寄存器選擇端；5號(hào)引腳RW為讀/寫選擇端；6號(hào)引腳為脈沖使能端。如圖4所示。

圖3 LCD1062 實(shí)物圖

圖4 LCD1062 連接電路圖

2.3 按鍵模塊

在本設(shè)計(jì)里，我們采用結(jié)構(gòu)簡單、電路配置靈活的獨(dú)立按鍵。獨(dú)立按鍵的每個(gè)按鍵都單獨(dú)占用一根I/O口線，工作期間與其他的I/O口線互不影響。獨(dú)立按鍵在彈性作用的影響下容易出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，如果在抖動(dòng)的過程中檢測出按鍵連接或者斷開，可能導(dǎo)致把一次按下或釋放檢測為多次按下或釋放。為了避免這種情況，可以采取硬件消抖和軟件消抖方法克服這個(gè)問題。按鍵接線圖如圖5所示。

圖5 按鍵接線圖

2.4 GSM模塊與聲光報(bào)警模塊

通過查閱相關(guān)資料對比，本系統(tǒng)只需實(shí)現(xiàn)短信功能，考慮到成本和實(shí)用性，選擇SIM900A。

SIM900A的工作頻段可以有GSM900MHZ和GSM1800MHZ兩種，可以低功耗來實(shí)現(xiàn)短信，彩信等數(shù)據(jù)的傳輸。尺寸大小為24x24x3mm，適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 MINI板同時(shí)支持RS232串口和TTL串口，支持5～24V的工作范圍。

圖6 SIM900A 模擬連接圖

TXD為發(fā)送數(shù)據(jù)的端口，RXD為接受數(shù)據(jù)的端口，一般情況下，數(shù)據(jù)的收發(fā)需要TXD與RXD相連來實(shí)現(xiàn)，由于SIM900Amini板設(shè)計(jì)電路串口接口時(shí)已經(jīng)做成了交叉，所以在這里直接RXD與RXD相接，TXD與TXD相接。VCC的電壓為5V給模塊供電，模塊與單片機(jī)的連接圖如圖6所示[5]。

在聲光報(bào)警電路中，PNP三極管起到一個(gè)開關(guān)的作用，發(fā)射結(jié)正偏，則電路導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音；發(fā)射結(jié)反偏時(shí)，電路不導(dǎo)通，蜂鳴器不會(huì)工作。

本設(shè)計(jì)一共使用了三個(gè)LED指示燈，分別為照明指示燈、溫度報(bào)警指示燈、煙霧報(bào)警指示燈。所有指示燈均為陽極發(fā)光二極管。聲光報(bào)警模塊連接圖如圖7所示。

圖7 聲光報(bào)警連接圖

2.5 傳感器檢測模塊

2.5.1 溫度傳感器

本設(shè)計(jì)采用一線式溫度傳感器DS18B20，該產(chǎn)品是美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，可以在各種小空間和控制領(lǐng)域里進(jìn)行數(shù)字測溫。它可以測量-55℃～＋125℃的溫度范圍，其固有測溫分辨率為0.5℃。

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：

（1）64位光刻ROM

（2）溫度傳感器

（3）非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL

（4）配置寄存器。

DS18B20的GND引腳接地，VCC引腳接上拉電阻[8]。如圖8所示。

圖8 DS18B20 圖

2.5.2 煙霧檢測電路

煙霧檢測電路采用對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度較高，對煙霧、乙醇等氣體幾乎不反應(yīng)的MQ-2傳感器。MQ-2與煙霧接觸時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨著煙霧濃度的增大而增大。MQ-2傳感器輸出的是模擬信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算處理后送至LCD1062液晶顯示屏內(nèi)顯示出來[8]。煙霧檢測電路如圖9所示。

圖9 煙霧檢測電路圖

2.6風(fēng)扇控制模塊

本模塊要實(shí)現(xiàn)油煙機(jī)的風(fēng)速控制，風(fēng)速的智能調(diào)節(jié)是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要模塊。選用ULN2003芯片作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，簡單實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)油煙濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速的功能。在本設(shè)計(jì)中，使用pwm控制技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，改變pwm信號(hào)的占空比，就能改變輸出的平均功率電壓，進(jìn)而改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。當(dāng)占空比越高，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速就越快。設(shè)置幾個(gè)不同的煙霧濃度值，通過條件語句和定時(shí)中斷控制占空比，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇電路圖如圖10所示。

圖10 風(fēng)速控制電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該智能油煙機(jī)的主體程序如圖11所示，進(jìn)入主程序后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，讀取溫度的上限值，然后進(jìn)入循環(huán)程序。在循環(huán)程序中，進(jìn)入傳感器檢測模塊，利用MQ-2和DS18B20傳感器對煙霧濃度和溫度進(jìn)行檢測，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊讀取檢測到的數(shù)值，再將讀取到的數(shù)值送到LCD1602液晶屏上顯示，判斷是否超出濃度、溫度的上限值，如果是，則切斷電源，進(jìn)行聲光報(bào)警，通過發(fā)送短信向用戶告知信息。如果不是，則進(jìn)入按鍵檢測，如果按鍵被按下，則進(jìn)行相應(yīng)功能，然后進(jìn)入風(fēng)扇控制模塊，判斷油煙的等級，根據(jù)不同的等級選擇合適的風(fēng)速。整個(gè)循環(huán)程序不斷進(jìn)行檢測，顯示和判斷，循環(huán)往復(fù)。

串口[9]在工作之前，首先要對其進(jìn)行初始化，設(shè)置波特率為9600b/s，所以，設(shè)置PCON中的SMOD位為0。然后設(shè)置特殊功能寄存器SCON中SM0為0,SM1為1，即工作方式為方式1，其波特率是可變的。方式1輸入時(shí)，用軟件置REN為1，串口就可以接收數(shù)據(jù)。接著系統(tǒng)對輔助寄存器AXUR進(jìn)行設(shè)置，定時(shí)器工作在12T的模式，產(chǎn)生波特率的定時(shí)器選擇定時(shí)器1。串口初始化流程圖如圖12所示。

定時(shí)器[1]初值的計(jì)算，根據(jù)公式：

方式1的波特率=（2SMID/32）×（T1溢出率）

得出：TH1=253，轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制為TH1=0XFD。

圖11 主程序流程圖

圖12 串口初始化流程圖

GSM模塊向用戶發(fā)送短信告知報(bào)警信號(hào)，通過查閱相關(guān)資料獲得發(fā)送短信的過程，如圖13所示。

圖13 發(fā)送短信流程圖

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)使用Keil C51軟件進(jìn)行相關(guān)模塊的編程，將編好的程序生成hex文件，在Proteus里畫出系統(tǒng)的原理圖后，導(dǎo)入已編好的程序，進(jìn)行仿真和調(diào)試，確定各模塊的各項(xiàng)功能是否能正常實(shí)現(xiàn)。

預(yù)期的功能：檢測模塊將檢測出來的溫度、煙霧濃度通過A/D轉(zhuǎn)換，將其模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)顯示在LCD1062液晶顯示屏上，與其上下限對比確定風(fēng)扇的風(fēng)速以及是否啟動(dòng)聲光報(bào)警電路，向用戶發(fā)送報(bào)警信息。實(shí)物圖如圖14所示。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的智能油煙機(jī)以AT89C51為基礎(chǔ)，根據(jù)傳統(tǒng)油煙機(jī)高耗能、噪音大、對油煙感知能力低等的問題，確定將整個(gè)系統(tǒng)分為各個(gè)模塊，如：油煙、煤氣檢測模塊，GSM模塊，聲光報(bào)警模塊，LED顯示模塊，風(fēng)速控制模塊等，逐個(gè)解決其弱點(diǎn)，并優(yōu)化一些功能，再通過軟件編程仿真調(diào)試，證實(shí)在理論上的可行性，實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的功能。

圖14 實(shí)物成品圖