抽油煙機智能控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23861抽油煙機智能控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例 1302681硬件電路設(shè)計 3226591.1單片機最小系統(tǒng)模塊 3319481.2電源電路模塊電路設(shè)計 4299551.3煙霧天然氣檢測模塊 4189001.4光敏電阻模塊 633131.5溫度檢測模塊電路設(shè)計 88271.6輸出模塊設(shè)計 9286361.6.1顯示器模塊設(shè)計 914011.6.2電扇電路設(shè)計 1133061.6.3蜂鳴器電路設(shè)計 13146701.7按鍵電路設(shè)計 14204971.8硬件部分整體連接圖 15289301.9電路中其他硬件介紹和選擇 15204251.9.1電阻的選擇與應(yīng)用 16197921.9.2三極管的選擇與應(yīng)用 1764241.9.3各元件的焊接方法 18294022軟件設(shè)計 20204072.1單片機調(diào)試及相應(yīng)軟件開發(fā) 20221182.2系統(tǒng)主要功能流程圖 2660062.2.1總體流程圖 2636152.2.2應(yīng)用程序 2743582.3仿真模擬 271硬件電路設(shè)計1.1單片機最小系統(tǒng)模塊單片機模塊是一個系統(tǒng)最核心的部分，本文選用STC89C52作為核心芯片。這個芯片。該芯片擁有8K字節(jié)可擦寫Flash閃存，1000個可擦除周期，0Hz-24MHz全靜態(tài)操作，三級加密程序存儲器。256×8字節(jié)內(nèi)部RAM，32個可編程I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，8個中斷源，可編程串行UART通道。最小系統(tǒng)模塊組成如下圖3-1：圖3-1單片機最小系統(tǒng)模塊Fig.3-1Minimumsystemmoduleofsinglechipmicrocomputer系統(tǒng)處理器電路的關(guān)鍵部分由CPU、復(fù)位、晶振電路組成。也可以說時鐘電路就是一個振蕩器。時鐘電路控制單片機指令的執(zhí)行。時鐘電路控制單片機能否正常啟動。單片機的高增益反相放大器組成的振蕩電路和時鐘電路共同構(gòu)成了單片機的時鐘模式。時鐘速度決定了系統(tǒng)的速度，系統(tǒng)時鐘電路由晶體振蕩器提供。使用軟件設(shè)計硬件電路時，晶振電路應(yīng)盡量靠近單片機，晶振電路地與時鐘芯片在同一位置。當(dāng)晶體頻率暫停時，當(dāng)系統(tǒng)需要它時，應(yīng)選擇低頻晶體振蕩器，這樣可以減少通過的功耗。晶振采用11.0592M，常用于串行通信和紅外遙控電路，因為在12m和11.0592頻率計算的串行通信中很難達到標(biāo)準(zhǔn)波特率。因此，有單片機通訊接口，一般選擇11.0592M。1.2電源電路模塊電路設(shè)計具體的設(shè)計過程如下3-2圖：圖3-2電源電路Fig.3-2Powercircuit如圖3-2,首先本文設(shè)計先將交流電變?yōu)檩^為穩(wěn)定的直流電，所以使用變壓器。電源插座，通過開關(guān)（一個6針的開關(guān)，按下打開2、3和4、5），然后兩個電容濾波，104陶瓷電容濾波高頻,100uF電解電容過濾低頻穩(wěn)壓，電容值越高穩(wěn)壓效果越好，得到系統(tǒng)電源+5V，后面接LED指示燈和限流電阻作為電源指示燈.當(dāng)開關(guān)打開時，它通過電流。然后LED二極管亮起。1.3煙霧天然氣檢測模塊根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，油煙檢測模塊需要檢測室內(nèi)煙霧的濃淡程度，天然氣濃度將莊華偉電壓數(shù)值被單片機接收分析，由于本設(shè)計需要通過電壓高低決定是否打開電電扇。以及天然氣濃度是否超標(biāo)，若超標(biāo)開啟警報。所以如何檢測油煙濃淡程度是本文整個監(jiān)測系統(tǒng)的重點。最終選擇了MQ-2傳感器作為抽油煙機的檢測裝置。MQ系列煙霧傳感器基本上是都一樣。一共有六個引腳分為兩組，沒有正負(fù)極。其中一組三個引腳相接，另外一組引腳兩段相接，中間的引腳獨立。實物如下圖3-3：圖3-3MQ-2傳感器實物圖Fig.3-3physicaldiagramofMQ-2sensor其傳感器的基本測試電路及內(nèi)部大體結(jié)構(gòu)可以通過圖3-4了解:圖3-4MQ-2基本測試及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3-4Mq-2Basictestandinternalstructurediagram由圖3-4可以清楚的知道傳感器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和測試基本電路，該傳感器需要施加兩個電壓。分別是加熱電壓VH和測試電壓VC。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度，可用直流電源或交流電源。VRL是傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的電壓。圖3-5油煙探測模塊及與單片機連接電路圖Fig.3-5Oilsmokedetectionmoduleanditscircuitdiagramwithsinglechipmicrocomputer因為MQ-2同時對多種氣體敏感，所以本文選用同時也可測油煙的的MQ-2傳感器來做天然氣檢測的感應(yīng)器。1.4光敏電阻模塊這里系統(tǒng)需要通過使用GL5506元件來感受室內(nèi)光。本模塊是使用光敏傳感器的自動控制的模塊，GL5506是由電極與陶瓷基板相接外層包覆一層樹脂膠，電極兩側(cè)伸出兩根導(dǎo)線穿過陶瓷基板和樹脂膠實物如下圖3-8:圖3-8GL5506實物圖Fig.3-8Gl5506physicaldrawing設(shè)計這個模塊的目的時，當(dāng)室內(nèi)煙氣或燃?xì)獬瑯?biāo)使抽油煙機（電扇）轉(zhuǎn)動時，光敏元件是檢測屋內(nèi)光感的，如果室內(nèi)明亮，照明燈則熄滅，只有夜晚室內(nèi)光線黑暗，照明燈才會亮。為了在光線不足廚房昏暗時也方便主人操作。做出佳肴由于檢測的是室內(nèi)自然光主要看光敏元件的暗電阻數(shù)值來決定是否開啟燈光所以白天正常天氣下不會開啟。光敏電阻應(yīng)該安裝在面板上按鍵開關(guān)旁。確?？梢愿惺艿綇N房的自然光線。元件通過LM393與單片機相連，具體連接方式如下圖3-9：圖3-9光敏元件與單片機的連接方式和燈光輸出Fig.3-9TheconnectionmodeandlightoutputofphotosensitiveelementandsinglechipmicrocomputerLED燈，也就是二極管在實物連接時要注意要嚴(yán)格按照原理圖的正負(fù)極相連接。否則會導(dǎo)致沒有響應(yīng)。發(fā)光二級管實物圖3-10如下：3-10發(fā)光二級光實物圖Fig.3-10PhysicalpictureofLED長腳接正極，短腳接負(fù)極。1.5溫度檢測模塊電路設(shè)計新型DS18B20數(shù)字溫度傳感器具有體積更小、精度更高、適用電壓范圍更廣、單線總線可聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果。DS18B20有三個引腳分比為DQ、GND和VDD。DQ是數(shù)字信號輸入/輸出端、GND為電源端和VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖3-11：圖3-11DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3-11DS18B20internalstructurediagram測溫元件與單片機通過DQ端與單片機相連外接5V電壓和一個電阻防止電壓過大。單片機通過單總線協(xié)議，讀取DS18B20發(fā)送的數(shù)據(jù)并進行計算，最終得到溫度值。R11是上拉電阻，這里的作用是提高抗干擾如下圖3-12所示：圖3-12DS18B20與單片機的連接圖Fig.3-12ConnectiondiagrambetweenDS18B20andMCU1.6輸出模塊設(shè)計1.6.1顯示器模塊設(shè)計市場上液晶顯示模塊種類繁多LCD1602是一款工業(yè)字符顯示模塊，可以顯示2行16列32個字符。LCD模塊的每一點在接收到相應(yīng)的信號后，都會一直保持那個顏色和亮度，恒亮，圖像質(zhì)量非常高，不閃爍。以下是其顯示原理：用LCD顯示一個字符比較復(fù)雜，因為一個字符是由一個6×8或8×8的點陣組成的，需要在顯示器上找到某個位置對應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8個字節(jié)screen，并使每個字段的不同位為“1”，其他為“0”，為“1”的為開，為“0”的為不開。這樣就形成了某種性格。但是，對于帶有字符發(fā)生器的控制器，字符的顯示相對簡單。您可以在文本模式下運行控制器，并根據(jù)LCD上顯示的行數(shù)和列數(shù)以及每行的列數(shù)找出相應(yīng)的顯示RAM。放置光標(biāo)，然后在此處提交字符的代碼。本設(shè)計的LCD1602連接電路圖如圖3-13所示:3-13LCD1602的連接電路Fig.3-13connectioncircuitofLCD1602本設(shè)計中LCD160顯示器的第四引腳到第六引腳與STC89C52單片機的P1口的P1.0到P1.2相連。第七引腳到第十四引腳連接P0口的P0.0到P0.7。各個重要管腳的用法:1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3-1所示:表3-1LCD1602引腳接口說明表Table3-1descriptionofLCD1602pininterface編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極第一腳:電源負(fù)極;第二腳:電源正極，用來通5V的電;第三腳:液晶顯示的對比度上下調(diào)試管腳，當(dāng)讓它接正電源的時侯對比度是最差的,接地時的時侯對比度最好，當(dāng)對比度太高的時侯就會出現(xiàn)“花屏”，所以接一個10K的滑動變阻器這樣用來調(diào)試它的對比度。第四腳:寄存器的選定腳;第五腳:讀寫信號的端口，當(dāng)高電平時LCD1602就會讀取指令，當(dāng)為低電平時就會輸出指令。進行顯示地址或者寫指令或的時候就是讓R/W第五和RS第四管腳為低電平。當(dāng)要進行寫數(shù)據(jù)命令時就讓RS第四管腳為高R/W第五管腳為低。這里寫LCD程序時選擇讓瞭R/W口1接地，即相當(dāng)于一直是低電平。第六腳:為使能端，當(dāng)它由高變低時，模塊將執(zhí)行設(shè)置命令;第七到十四腳:是發(fā)送待顯示數(shù)據(jù)的端口，接單片微型計算機的I/0端口。第十五腳:為背景光源的正向，用來與電源端連接;第十六腳:叫做背景光源的反向，接地;1.6.2電扇電路設(shè)計電扇是抽油煙機的重要組成部分也是其中相對簡單的部分對于總體的仿真系統(tǒng)來說可以直接通過USB外界電扇即可如下圖3-14：圖3-14通過USB接口可連接的外設(shè)Fig.3-14PeripheralsthatcanbeconnectedthroughUSBinterfaceJ1為USB口，可接電扇、水泵、USB燈等負(fù)載，F(xiàn)AN輸出低電平，R13限流后三極管Q2導(dǎo)通，晶體管的集電極連接到J1的+極，即2直接接+5V電源。此時J1的負(fù)載通電，負(fù)載開始工作。反之，如果FAN為高電平，則三極管Q2截止，J1不接電源，切不可給負(fù)載上電停止。C2為穩(wěn)壓,使電源+5V更穩(wěn)定,C5濾波，抑制負(fù)載產(chǎn)生的干擾。由此電路外接電扇可使電扇在煙和天然氣超過一定數(shù)值時由單片機傳輸信號開啟，在煙霧和天然氣濃度降低時關(guān)閉。在硬件的實際連接當(dāng)中電扇有三根線，一般紅色的是電源線，黑色的是接地線。中間白色或黃色的不接。下面是電扇實際圖如下3-15：圖3-15電扇實物圖Fig.3-15realfan1.6.3蜂鳴器電路設(shè)計設(shè)計蜂鳴器警報系統(tǒng)，通過聲音提醒主人及時關(guān)注廚房火電安全，蜂鳴器與單片機的連接如下圖3-16：圖3-16蜂鳴器與單片機的連接圖Fig.3-16Connectiondiagramofbuzzerandsinglechipmicrocomputer其完成警報原理為單片機控制BEEP腳上傳來的是高電平還是低電平來控制報警器,Q3為三極管,NPN型,這時如果BEEP傳來的是“1”，三極管通路,警報器接地就會響,情況為“0”時,三極管不通電,警報器不響。R16被稱為上拉電阻,讓IO口的電流在“1”時變大,足以讓警報器通電，R18做限制電流的作用,保護Q3。Q3集電極通過電阻R15連接一個發(fā)光二極管，發(fā)光二級光另一側(cè)連接+5V電源。在接通時LED發(fā)光二極管亮。和聲音一起期提示屋主。蜂鳴器結(jié)構(gòu)簡單，只有兩個引腳。連接時長腳為正極，短腳為負(fù)極。實物如下圖3-17：圖3-17蜂鳴器實物圖Fig.3-17Pictureofbuzzer1.7按鍵電路設(shè)計按鍵電路通過手動的方式來開啟關(guān)閉電扇，還可通過菜單、加、減確認(rèn)鍵來修改溫度閾值和警報時間。房間主人可通過按鍵自主控制抽油煙機。下圖3-18為按鍵系統(tǒng)的設(shè)計圖：圖3-18按鍵系統(tǒng)連接圖Fig.3-18Keysystemconnectiondiagram按鍵S1到S6分別和單片機的P1.4到P0.7以及RXD和TXD以實現(xiàn)按鍵功能。六個按鈕的設(shè)定功能分別是菜單、確認(rèn)、加、減、電機開機和燈光打開。按鍵電路,按鍵按下通電,單片機通過判斷端口為“0”來知道按鍵是否被按。1.8硬件部分整體連接圖通過上面各個元件以及連接方式方法的介紹，把所有的元件部分和單片機連接起來形成了整個的只能抽油煙機仿真模擬電路如下圖3-19：圖3-19硬件部分連接圖Fig.3-19Hardwareconnectiondiagram1.9電路中其他硬件介紹和選擇以上大部分模塊都已經(jīng)介紹完畢。但是這些大的模塊并不是在設(shè)計中全部。還有很多小型原件比如電阻、自鎖開關(guān)和三極管等等并沒有具體說明。接下來介紹這些組成原件和實物的操作方法。1.9.1電阻的選擇與應(yīng)用電阻是設(shè)計電路中不可或缺的一部分，根據(jù)不同的作用和設(shè)計的要求，每個部分都要使用不同的電阻。每個電阻會顯示不同的阻值，代表這個元件攔截電流的能力。用符號“Ω”表示。挑選電阻阻止一般是看電阻上的色環(huán)顏色。色環(huán)電阻分四環(huán)和五環(huán)，一般情況下四環(huán)就夠用了，需要更高精度時使用五環(huán)。四色環(huán)電阻就是指用四條色環(huán)表示阻值的電阻，從左向右數(shù)，一道色環(huán)表示阻值的最大一位數(shù)字；第二個彩色圓圈代表電阻值的第二個數(shù)字：第三個彩色圓圈代表數(shù)字：乘以電阻值。第四個彩色圓圈代表電阻值的允許偏差。四環(huán)讀數(shù)數(shù)值如下表4-1：表3-1四環(huán)電阻認(rèn)讀表Table3-1fourringresistancereadingtable顏色第一環(huán)第二環(huán)第三環(huán)乘數(shù)第四環(huán)誤差黑色0.01棕色1.1.10..±1%紅色2.2.100..±2%橙色1.1.1K.黃色2.2.10K.綠色5.5.100K..±0.5%藍色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%銀色.±10%無.±20%五色環(huán)電阻就是指用五道彩色圓環(huán)表示電阻數(shù)的電阻，順序是由左道右，。第一道色環(huán)表示阻值的最大一位數(shù)字；第二道色環(huán)表示電阻數(shù)的第位；第三個彩色圓環(huán)表示電阻數(shù)的第三位；第四道彩色圓環(huán)表示電阻數(shù)的乘數(shù)；第五道色彩色圓環(huán)示誤差上下。五環(huán)更精準(zhǔn)，和四環(huán)的差別就是第三環(huán)也做阻值讀取，五環(huán)讀數(shù)表如下表4-2：表3-2五環(huán)電阻認(rèn)讀表Table3-2fiveringresistancereadingtable顏色第一環(huán)第二環(huán)第三環(huán)第四環(huán)乘數(shù)第五環(huán)誤差黑色0001棕色11110±1%紅色222100±2%橙色3331K黃色44410K綠色555100K±0.5%藍色6661M±0.25%紫色77710M±0.1%灰色888±0.05%白色999金色±5%銀色±10%無±20%以上就是對電阻選擇介紹。1.9.2三極管的選擇與應(yīng)用單片機應(yīng)用電路中三極管一般做開關(guān)。三極管中9012與8550為pnp組成的型號，。三極管中9013與8050為npn組成的型號，。下圖分別為pnp型和npn型三極管的電路符號。我們可以根據(jù)箭頭方向判斷具體型號和具體作用。如下圖3-20、3-21所示：圖3-20npn型三極管符號Fig.3-20NPNTransistorsymbol3-21pnp型三極管符號Fig.3-21PNPtransistorsymbol三極管具有單向?qū)щ娦裕O(shè)計中我們也多次運用了這個特性讓不同的極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設(shè)計，各元件需按照原理圖排兵布陣。在實際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。大部分都是對齊PCB板用焊槍融化焊錫直接焊接即可。部分原件的焊接方式也有一些區(qū)別，需要額外的焊接手段。1）在LCD1602的連接時需要用到一個滑動變阻器其焊接方式就和其他的原件焊接方式不同。首先應(yīng)該將下面的兩個引腳折彎，然后焊接到板子上如下圖3-22：圖3-22Fig.3-22再拿一個廢舊電阻引腳從中間折彎，掛在上面的引腳上，并將引腳的另一端插在板子上并焊接上。這樣就可以避免原件損壞。如下圖3-23：圖3-23可調(diào)電阻焊接圖Fig.3-23weldsforadjustableresistance2）如果使用到貼片電阻，我們也需要不同的焊接方式。先將貼片電阻放在，固定好的原件座，兩個引腳中間如下圖3-24。直接焊接貼片電阻兩個腳。具體如下圖3-25：圖3-24Fig.3-24圖3-25Fig.3-242軟件設(shè)計2.1單片機調(diào)試及相應(yīng)軟件開發(fā)首先要介紹的是\o"AltiumDesigner"AltiumDesigner軟件。下面結(jié)合圖文詳細(xì)介紹一下\o"AltiumDesigner"AltiumDesigner軟件的使用方法。使用\o"AltiumDesigner"AltiumDesigner軟件首先要打開軟件。建立一個新的工程。單機“文件”選擇“新建”。在新的菜單中選擇“Project”（工程），在選擇“Pcb工程”。這樣就完成了一個新工程的創(chuàng)建。如下圖4-1：圖4-1在AltiumDesigne軟件中建立新工程Figure4-1BuildinganewprojectinAltiumdesignsoftware在新工程中根據(jù)不同的需求可還建立其他工程文件，有Pcb文件，原理圖文件，Pcb庫文件和原理圖庫文件。在新建的Pcb工程上鼠標(biāo)右鍵點擊“各工程添加新的”即可添加所需文件如下圖4-2：4-2給工程添加新的文件圖Figure4-2Addanewfilemaptotheproject然后即可使用軟件來繪制我們需要的原理圖。在原理圖庫文件中，單機左下角的SCH菜單，選擇其中的SCHLibrary。從其中選擇不同的元件然后進行連接就可以繪制原理圖如下圖4-3：圖4-3繪制原理圖Figure4-3Drawingschematicdiagram本次設(shè)計使用的編程軟件是KEIL4。接下來介紹KEIL4軟件的使用方法，下載安裝好軟件后打開軟件，鼠標(biāo)單機“File”選中其中的“NEW”單機新建文檔，即可根據(jù)要求開始編程。如下圖4-4：圖4-4新建KEIL文檔Figure4-4Newkeildocument在我們編寫完程序后需要把程序和仿真相連接，所以需要修改一下輸出的晶振頻率，把系統(tǒng)自帶的24赫茲修改成12赫茲。否則將無法仿真。具體步驟是單機上方“Project”選擇“OptionsforTargetTarget1”單機打開如下圖4-5：圖4-5打開目標(biāo)選擇菜單Figure4-5Openthetargetselectionmenu接著選中“Target”，把其中的“XTAL（MHZ）”修改成12.0。選擇確認(rèn)。即可進行仿真。具體操作如下圖4-6：圖4-6頻率修