基于單片機的灶臺煙塵處理器控制系統(tǒng)設計

摘" 要：為解決除油后灶臺煙霧對環(huán)境的污染問題，使用單片機設計灶臺煙霧處理器控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以C8051F010為主控芯片，采用PT100薄膜鉑電阻芯片、空氣質量傳感模塊GY-SGP40和粉塵傳感/灰塵傳感器模塊GP2Y2021AU構建硬件部分，根據應用編制相應的控制程序，設計針對灶臺產生的除油后煙霧處理器控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過選擇工作時間設定的方法，具有報警的功能，使得該機器能夠長時間自動工作無需人員干預。通過對控制系統(tǒng)的合理設計規(guī)劃，使得操作十分簡單，除煙效果顯著。

關鍵詞：單片機控制；傳感模塊：除煙除塵；電磁閥；設計

中圖分類號：TP277" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0138-04

Abstract： In order to solve the problem of environment pollution caused by the smoke of the stove after oil removal， the control system of the stove smoke processor is designed using single-chip microcomputer. The system uses C8051F010 as the main control chip， PT100 film platinum resistor chip， air quality sensor module GY-SGP40 and dust sensor module GP2Y2021AU to construct the hardware part. According to the application， the corresponding control program is compiled， and the smoke processor control system after oil removal is designed. The control system has the function of alarm by choosing the method of working time setting. The machine can work automatically for a long time without human intervention. Through the reasonable design and planning of the control system， the operation is very simple and the smoke removal effect is remarkable.

Keywords： single-chip microcomputer control; sensing module： smoke and dust removal; solenoid valve; design

油煙機抽走的廚煙只是使室內沒有了煙霧，該煙塵除理器是通過該油煙機頂部設計的鼓風機將產生的廚房煙塵和雜物濾油后吸入除煙降塵箱中，它們經過倒錐形儲液罐通過物理除塵和化學除煙的方法進行過濾、吸附并與倒錐形內化學物質發(fā)生化學反應，氣體從底部小口徑進入，由大口徑輸出，減小化學物質的揮發(fā)，最大限度抽取灶臺煙塵中的污染物，包括某些有毒有害的煙塵和雜質。

該控制系統(tǒng)設計，依據現有環(huán)保標準要求的消除煙塵的作業(yè)過程和作業(yè)環(huán)境，實行自動控制吸入風機1個、電磁閥4個，將它們實時工作順序和工作時間構成的邏輯關系，用于廚房煙霧，消煙除塵作業(yè)，最終達到自動凈化廚房煙塵，達到消煙除塵的環(huán)保要求。最大程度地提升有害物質處理效率，消減廚房煙塵對人體和環(huán)境的傷害。

1" 煙塵處理器的發(fā)展背景

隨著我國工業(yè)化的不斷發(fā)展，工業(yè)污染問題逐漸得到解決，然而灶臺現用的抽油煙機只有濾油功能，而煙塵由風機送經煙道進而排入空氣中，依然是大氣中的煙塵污染物，為改善空氣質量，灶臺煙塵的處理問題亟待解決。

傳統(tǒng)油煙機具有的技術問題如下。

1）表面現象是室內沒有煙霧了。這一類凈煙裝置內部缺少對灶臺煙霧中污染物處理的裝置，污染問題沒有得到解決，只是把煙霧從屋內轉移到屋外。

2）容易引發(fā)安全事故。這一類凈煙裝置內部缺少質量、安全監(jiān)測系統(tǒng)，無法對空氣處理結果進行質量、安全判斷報警。

3）自動控制能力低，沒有凈化功能，就是一個風機，沒法對工作對象控制，煙塵處理質量無從談起。

4）除塵機機體設計不合理，維護、維修不方便。

2" 工作原理與設計

2.1" 煙塵處理器的工作原理

該煙塵處理器裝置工作原理如圖1所示，通過風機引力作用，煙塵廢氣經萬向吸塵罩吸入設備進風口，設備進風口處設有阻火器，火花經阻火器被阻留，利用重力與上行氣流，首先將粗粒塵直接降至灰斗，微粒煙塵被陶瓷除塵器捕集在外表面，潔凈氣體經濾芯過濾凈化后，由濾芯中心進入氧化還原室將有害氣體氧化還原成對人體及環(huán)境無害的氣體，最后經風機排放出去。

依據工作原理圖，與相關配件生產企業(yè)聯(lián)系，購買到阻火器、風機、自動排塵電磁閥、NOx還原劑和CO氧化劑等，結合材料的特征以及焊接工藝的環(huán)境空間，用三維設計軟件進行結構設計，優(yōu)化分析，修改結構，確定結構設計。

2.2" 煙塵處理器的機械設計

煙塵處理器核心機械裝置如圖2所示。腔體1、腔體2用不銹鋼板焊接制成，管道由鍍鋅鋼管及接頭連接而成，閥門1、閥門2采用黃銅材質。

3" 控制系統(tǒng)方案設計

該控制系統(tǒng)過程分為3個流程：流程1由風機工作，煙塵經過陶瓷濾芯去除大顆粒物質實現物理去塵；流程2由小口徑控制經過液態(tài)物質進行化學反應去除煙霧，調整排氣閥門改變化學反應時間、確保煙塵再次被濾去；流程3排除過濾后的干凈氣體。3個流程的改變通過控制4個電磁閥的工作狀態(tài)得以實現。溫度和濕度的監(jiān)控部分用以檢測箱內的吸入、首濾、次濾及排出氣體的溫度與濕度并通過數碼管顯示出來；同時可以通過設定功能調整工作時間間隔以及各流程的工作時間。

3.1" 控制要求

該廚煙銷煙除塵器控制系統(tǒng)中有4個電磁閥，分別定義為DCF1～DCF4，根據上面講述的3個工作流程狀態(tài)分別定義為DCF1、DCF2和DCF3，設備工作時，當啟動按鈕剛按下時，電磁閥1線圈得電，內部閥片動作，此時風機實現低速運行，2 s后，風機轉至高速運行狀態(tài)，此時的速度可達4 500 r/min。系統(tǒng)監(jiān)測如果達到狀態(tài)1預設的效果，0.2 s后將DCF1關閉，在經過0.1 s，將DCF2、DCF3啟動工作，同時DCF1將間隔0.5 s進行內部閥片的啟、閉，循環(huán)工作，該工作過程執(zhí)行3次。之后，再次回到狀態(tài)1。對于DCF4的工作時間系統(tǒng)可調整其工作間隔時間，一般設為25 min/次，1～3 min/次。本系統(tǒng)設計時利用中間繼電器的隔離方式驅動了電磁閥的電路。

3.2" 硬件電路設計

該廚煙銷煙除塵器控制系統(tǒng)中電源部分采用220V AC輸入，提供24 V/5 V/3.3 V開關電源為控制部分供電，能直接給單片機提供3.3 V電源供電。主控芯片采用新華龍公司的型號為C8051F010單片機，由12 MHz HC-49S型晶振器件提供，廚煙銷煙除塵器控制系統(tǒng)中溫濕度、氣體質量顯示由四位紅色共陰數碼管顯示，尺寸0.36英寸，按鈕輸入采用4×4矩陣鍵盤，PT100薄膜鉑電阻芯片溫濕度檢測電路、GY-SGP40空氣質量檢測電路組成的電路模塊結合GP2Y2021AU粉塵傳感器檢測電路。廚煙銷煙除塵器控制系統(tǒng)主要電路分為主控單元、銷煙除塵溫濕度顯示電氣原理圖單元、銷煙除塵空氣質量檢測模塊單元電氣原理圖、銷煙除塵粉塵檢測模塊單元、銷煙除塵鍵盤輸入電路模塊單元以及蜂鳴器報警器，除此之外還有電磁閥4個，中間繼電器1個。

該廚煙銷煙除塵器最小系統(tǒng)控制的復位電路、晶振電路組成。如圖3所示。

PT100薄膜鉑電阻芯數字溫濕度傳感器檢測模塊，PT100薄膜鉑電阻架構設計了數據輸出為串行數據，單總線形式，PT100薄膜鉑電阻對時序控制比較嚴格，其在程序執(zhí)行過程中將數據讀取應用。該系統(tǒng)的溫濕度顯示電路采用了2個74HC573鎖存器芯片來控制2個四位數碼顯示管。該系統(tǒng)采用74HC573芯片的主要原因是大大節(jié)省輸入輸出接口，分時刷新，基于成本也是較優(yōu)方案。如圖4所示。

該廚煙銷煙除塵器控制模塊中，蜂鳴器報警電路是通過控制芯片的一個I/O口，1個地址位狀態(tài)控制一個PNP三極管的工作頻率，實現蜂鳴器的聲頻信號產生，蜂鳴器發(fā)出具有報警示意的響聲。如圖5所示。

3.3" 軟件程序的設計

由于主控芯片采用的是C8051F010單片機。所以采用的是 keil uVision5開發(fā)環(huán)境進行程序編寫。程序按照模塊化編程原則，將顯示模塊分為2個模式，一個為顯示傳感器采集的數據，另一個為顯示機器工作的時間。2種模式可采用鍵盤上的一個按鍵進行轉換，并且能夠在第二種模式下進行數據定義，比如定時工作時間，修改當前工作時間值，同時還兼具定時提醒功能。

3.3.1" 電磁閥驅動模塊

該廚煙銷煙除塵器控制模塊的主要控制對象是系統(tǒng)中的4個電磁閥線圈，線圈驅動閥片，閥片的角度體現了數字化控制，閥片的啟閉實現電磁閥的通斷工作狀態(tài)。此方法主要利用的是定時器的控制功能，具體思路如圖6所示。

3.3.2" 電機驅動模塊

該廚煙銷煙除塵器控制模塊在大功率電機啟動過程中，采用了低電壓啟動高速運行的控制理念，故低速運行一段時間后，再變換至高速運行。采用這種方法為了防止電機瞬間啟動電流過大，短時大電流容易對電路中電器的元件造成干擾。該模塊的程序中設置了低速啟動時間設定項，啟動完成后，電機轉為高速運行狀態(tài)，實現該部分能效最大化。

3.3.3" 傳感器模塊以及顯示模塊

PT100薄膜鉑電阻芯片、空氣質量傳感模塊GY-SGP40和粉塵傳感/灰塵傳感器模塊GP2Y2021AU輸出架構均為單總線，串行數據形式。設計過程中設置了2個I/O口作為數據總線，以串行模式進行系統(tǒng)的數據傳輸，讀取兩者內部寄存器的數值。系統(tǒng)中每隔0.5 s執(zhí)行讀取函數，為了完成同時在主函數中設置定時任務，增加了數據傳送校正程序，確保了數據傳輸的正確性?？刂葡到y(tǒng)采用了動態(tài)顯示，同時以中斷服務程序高頻刷新數碼管作為顯示。

3.3.4" 時間控制模塊

該廚煙銷煙除塵器控制系統(tǒng)正常工作后，中斷程序初始化，并進行時間的計數處理，所得數值由顯示模塊組顯示，控制中心將開機后運行的時間信息也通過總線傳輸給數碼管顯示，賦值于一個全局變量函數，該函數方便其他函數的定時任務應用。

4" 廚煙銷煙除塵器控制系統(tǒng)的流程圖

程序的控制過程流程如圖7所示。

5" 結束語

本廚煙銷煙除塵器控制系統(tǒng)設計主要以經濟型的單片機結合優(yōu)秀的程序作為控制核心，以中斷接口利用時間指令觸控方式，實現數字指令對電磁閥的控制，使得整個廚煙銷煙除塵過程控制自動化，結合優(yōu)異的機械結構設計，提高了除煙去塵的效率。該設備處理后的氣體，研發(fā)團隊人員直接呼吸也沒有不適感覺。另外，該廚煙銷煙除塵器報警系統(tǒng)使其安全可靠，大大改善設備的使用和工作環(huán)境，做大氣環(huán)境保護的真正使者，社會效益顯著，產品的經濟效益也將十分可觀。

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