基于msp430f149单片机制作的简易自动抽油烟机的方案设计书.doc

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摘要.............................................................
第一章 绪论.......................................................
1.1油烟的危害...............................................
1.2 油烟机、评定............................................
第二章 系统构造与原理.............................................
第三章 硬件设计与计算.............................................
3.1 检测电路设计............................................
3.1.1 煤气检测...........
3.1.2 油烟检测...........................................
3.1.3 按键输入...........................................
3.1.4 系统自动复位电路...................................
3.2 主控制电路设计..........................................
3.2.1 AT89C51.....................................
3.2.2 对油烟机的开关控制.................................
3.2.3 自动照明控制.......................................
3.2.4 定时显示电路.......................................
3.2.5 报警电路...........................................
第四章 软件程序设计...............................................
4.1 软件设计.............
4.1.1 主程序的设计.......................................
4.1.2 中断键盘扫描.......................................
4.1.3 LED显示子程序.....................................
4.1.4 INTI中断报警效劳程序..............................
第五章 结论................................................
参考文献..........................................................

第三章 硬件设计与计算
3.1 检测电路设计
3.1.1 煤气检测
1 对气敏元件的选择
对煤气检测选用气敏电阻，气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进展检测的。
本设计用SnO2(MQ-2气体传感器)气敏元件，它是由0.1-10um的晶体集合而成，这种晶体是作为N型半导体而工作的。在正常情况下，是出于氧离子缺位的状态。当遇到离解能较小且易于失去电子的可燃性气体分子时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流子浓度增加，因此电导率增加。而对于P型半导体来说，它的品格是阳离子缺位状态，当遇到可燃性气体时其电导率那么减小。SnO2在温室下虽能吸附气体，但其电导率变化不大。但当温度增加后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加温。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
MQ-2气敏元件的构造外形及测量电路如图3.1所示：
图3.1 MQ-2气敏元件
MQ-2气体传感器标准工作条件：
Vc回路电压≤15V AC or DC
VH加热电压5.0V±0.2V AC or DC
探测浓度X围：
100ppm-1000ppm 液化气和丙烷
300ppm-5000ppm 丁烷
5000ppm-20000ppm甲烷
300ppm-5000ppm 氢气
标准工作条件温度：20℃±2℃ Vc：5.0V±0.1V
相对湿度：65%±5% Vh：5.0V±0.1V
响应时间约为10秒，恢复时间约为30秒~60秒。
2 煤气检测电路
MQ-2型气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值，因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。本设计中RP2为灵敏度调整电阻。
本设计煤气检测原理图〔图3.2〕：当空气中不含有煤气或煤气含量低于设定值时，MQ-2电阻值很大，使得RP2上的分压很小，进入74LS04的电压为低电平，因此单片机中断入口的输入信号一直保持为高电平，不能触发单片机中断效劳程序。当空气中煤气含量超过预警值时，MQ-2电阻减小，负载RP2上分压变大，74LS04输入由低电平变为高电平，经反向后，单片机定时器得到一下将沿，进入中断效劳程序启动并报警。
3.1.2 油烟检测
对油烟蒸气的检测选用热敏电阻，热敏电阻的主要特点是：〔1〕灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属打10~100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；〔2〕工作温度X围宽，常温器件适用于-55℃~315℃；〔3〕使用方便，电阻值可在0.1~100KΩ间任意选择；〔4〕稳定性好、过载能力强。
1 热敏电阻的选择
热敏电阻分三类：在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻PTC〔Positive Temperature Coeff1Cient〕，随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻NTC〔Negative Temperature Coeff1Cient〕，具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小的临界温度热敏电阻CTR〔Critical Temperature Resistor〕,具有很大的负温度系数。
本设计选用NTC负温度系数热敏电阻，随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低，NTC热敏电阻器在室温下的变化X围在100~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、涌电流。
电阻值和温度变化的关系式为：
〔3-1〕
在温度T〔Ｋ〕时的NTC热敏电阻阻值。根据国际规定，额定零功率电阻值时NTC热敏电阻在基准温度25℃时测得的电阻值R25。
RN：在额定温度TN〔K〕时的NTC热敏电阻阻值。
T：为ｔ〔℃〕+273.15，规定温度〔K〕。
B：NTC热敏电阻的材料常数，又叫热敏指数。
Exp：以自然数e为底的指数〔e=2.71828…〕。
2 油烟检测电路设计
负温热敏电阻选型：NTC-MF5A
其参数为：R25℃：10K±1%，热敏指数：B25/50:3950±1%
设45℃为抽油烟机的最低启动温度，
由进展计算：
R45℃=4.35KΩ
调节RP1的电阻值为4.35KΩ，当空气中油烟蒸汽含量较低时，空气温度偏低，热敏电阻RT＞RP1，R6、R7上获得的分压Vr6＜Vr7，因此IN+＜IN-，电压比拟器LM324输出低电平，热敏电阻阻值较大。
当空气中含有大量油烟蒸汽式，温宿随之升高，NTC-MF5A电阻率增大，当热敏电阻的温度超过45℃时，RT＜RP1，IN+＞IN-，LM324由低电平变为高电平，经74LS04反向后，单片机输出口得到低电平，然后被单片机检测到，进入相应的子函数。电极启动后每隔约120秒进展一次温度检测。
图3.3油烟检测电路设计

3.2主控制电路设计
3.2.1 MSP430
本设计采用的是MSP430F2274单片机。MSP430 是XX公司新开发的一类具有16 位总线的带FLASH 的单片机,由于其性价比和集成度高,受到广阔技术开发人员的青睐.它采用16 位的总线,外设和内存统一编址,寻址X围可达64K,还可以外扩展存储器.具有统一的中断管理,具有丰富的片上外围模块,片内有精细硬件乘法器、两个16 位定时器、一个14 路的12 位的模数转换器、一个看门狗、4路P 口、16个外部中断、两路USART 通信端口、一个比拟器、一个DCO 内部振荡器和两个外部时钟,支持8M 的时钟.由于为FLASH 型,那么可以在线对单片机进展调试和下载,且JTAG 口直接和FET(FLASH EMULATION TOOL)的相连,不须另外的仿真工具,方便实用,而且,可以在超低功耗模式下工作,对环境和人体的辐射小,测量结果为100mw 左右的功耗(电流为14mA 左右),可靠性能好,加强电干扰运行不受影响。
在软件方面，MSP430单片机适合C语言开发，具有如下优点：1、可以大大提高软件开发的工作效率；2、可以提高所设计的程序代码的可靠性、可读性和可移植性；3、设计者可以将注意力更多地集中在充分发挥MSP430的功能上。

图3.7 MSP430最小系统示意图
（1） 特征：
①、处理能力强
　　MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集〔RISC〕构造，具有丰富的寻址方式〔7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址〕、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的存放器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
②、运算速度快
　　MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器〔能实现乘加运算〕相配合，能实现数字信号处理的某些算法〔如 FFT 等〕。
③、超低功耗
　　MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
　　首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1μA。
　　其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：根本时钟系统、锁频环〔FLL 和FLL+〕时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器〔32768Hz〕，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，翻开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
　　由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式〔AM〕和五种低功耗模式〔LPM0~LPM4〕。在实时时钟模式下，可达2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1μA 。
④、片内资源丰富
MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗〔WDT〕、模拟比拟器A、定时器A0〔Timer_A0〕、定时器A1〔Timer_A1〕、定时器B0〔Timer_B0〕、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、根本定时器〔Basic Timer〕、实时时钟〔RTC〕和USB控制器等假设干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比拟器进展模拟电压的比拟，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器〔Timer_A 和 Timer_B〕具有捕获/比拟功能，大量的捕获/比拟存放器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
　　另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。
〔2〕管脚〔图3.7〕说明：

引 脚
I/O
说 明
名 称
序 号
AVcc
64

模拟电源正端，只为ADC和DAC模拟局部供电
AVss
62

模拟电源负端，只为ADC和DAC模拟局部供电
DVcc
1

数字电源正端，为所有数字局部供电
DVss
63

数字电源负端，为所有数字局部供电
P1.0/TACLK
12
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A时钟信号TACLK输入端
P1.1/TA0
13
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A捕获：CCI0A输入，比拟：OUT输出，BSL发送
P1.2/TA1
14
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A捕获：CCI1A输入，比拟：OUT1输出
P1.3/TA0
15
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A捕获：CCI2A输入，比拟：OUT2输出
P1.4/SMCLK
16
I/O
通用数字I/O引脚/SMCLK信号输出
P1.5/TA0
17
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A，比拟：OUT0输出
P1.6/TA1
18
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A，比拟：OUT1输出
P1.7/TA2
19
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A，比拟：OUT2输出
P2.0/ACLK
20
I/O
通用数字I/O引脚/ACLK输出
P2.1/TAINCLK
21
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A，INCLK上的时钟信号
P2.2/CAOUT/TA0
22
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A捕获：CCI0B输入/比拟器输出
P2.3/CA0/TA1
23
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A，比拟：OUT1输出/比拟器A输入
P2.4/CA1/TA2
24
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A，比拟：OUT2输出/比拟器A输入
P2.5/ROSC
25
I/O
通用数字I/O引脚/定义DCO标称频率的外部电阻输入
P2.6/ADC12CLK/DMAE0
26
I/O
通用数字I/O引脚/转换时钟—12位ADC，DMA通道0外部触发器
P2.7/TA0
27
I/O
通用数字I/O引脚/定时器A，比拟：OUT0输出
P3.0/STE0
28
I/O
通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式从设备传输使能端
P3.1/SIMO0/DSDA
29
I/O
通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式的从输入/主输出，I2C数据
P3.2/SOMI0
30
I/O
通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式的从输出/主输入
P3.3/UCLK0/SCL
31
I/O
通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式的外部时钟输入，I2C时钟输出
引 脚
I/O
说 明
名 称
序 号
P3.4/UTXD0
32
I/O
通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式的传输数据输出
P3.5/URXD0
33
I/O
通用数字I/O引脚，USART0/SPI模式的接收数据输入
P3.6
34
I/O
通用数字I/O引脚，USI1/UART模式接收数据输入
P3.7
35
I/O
通用数字I/O引脚，USI1/UART模式发送数据输出
P4.0/TB0
36
I/O
通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口-------定时器B7 CCR0
P4.1/TB1
37
I/O
通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口-------定时器B7 CCR1
P4.2/TB2
38
I/O
通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口-------定时器B7 CCR2
P4.3
39
I/O
通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口-------定时器B7 CCR3
P4.4
40
I/O
通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口-------定时器B7 CCR4
P4.5
41
I/O
通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口-------定时器B7 CCR5
P4.6
42
I/O
通用数字I/O引脚，捕获I/P或者PWM输出端口-------定时器B7 CCR6
P4.7/TBCLK
43
I/O
通用数字I/O引脚，输入时钟TBCLK—定时器B7
P5.0
44
I/O
通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式从设备传输使能端
P5.1
45
I/O
通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式的从输入/主输出
P5.2
46
I/O
通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式的从输出/主输入
P5.3
47
I/O
通用数字I/O引脚，USART1/SPI模式的外部时钟输入， USART0/SPI模式的时钟输入
P5.4/MCLK
48
I/O
通用数字I/O引脚，主系统时钟输入
P5.5/SMCLK
49
I/O
通用数字I/O引脚，子系统时钟输出
P5.6/ACLK
50
I/O
通用数字I/O引脚，辅助时钟输出
P5.7/TBOUTH/SVSOUT
51
I/O
通用数字I/O引脚，将所有PWM数字输出端口为高阻态------定时器B7，SVS比拟输出
P6.0/A0
59
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A0------12位ADC
P6.1/A1
60
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A1------12位ADC
P6.2/A2
61
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A2------12位ADC
P6.3/A3
2
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A3------12位ADC
P6.4/A4
3
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A4------12位ADC
引 脚
I/O
说 明
名 称
序 号
P6.5/A5
4
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A5------12位ADC
P6.6/A6/DAC0
5
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A5------12位ADC，DAC0输出
P6.7/A7/DAC1
6
I/O
通用数字I/O引脚，模拟输入A5------12位ADC，DAC1输出，SVS输入
/NIM
58
I
复位输入，非屏蔽中断输入或者Bootstrap Loader启动〔BSL方式〕
TCK
57
I
测试时钟，TCK使芯片编程测试和Bootstrap Loader启动的时钟输入端口
TDI/TCLK
55
I
测试数据输入，TDI用作数据输入端口或者测试时钟的输入端口
TDO/TDI
54
I/O
测试数据输出，TDO/TDI数据输入或者编程数据输出引脚
TMS
56
I
测试模式选择，TMS用作芯片编程和测试的输入端口
VeREF+
10
I
外部参考电压输入
VREF+
7
O
内部参考电压的正输出引脚
VREF- /VeREF-
11
O
外部参考电压或者内部参考电压的负引脚
XIN
8
I
晶振XT1的输入端口
XOUT
9
I/O
晶振XT1的输出端口
XT2IN
53
I
晶振XT2的输入
XT2OUT
52
O
晶振XT2输出

3.2.2自动照明控制
1 光敏电阻介绍
光敏电阻又称光导管，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。常用的制作材料为硫化镉，另外还有硫化铝、硫化铅等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性，这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作飘逸运动，电子奔向嗲远的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻的阻值迅速下降。因此入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换〔将光的变化转换为电的变化〕。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，他是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线〔可见光〕的强弱变化而变化，在黑暗条件下，他的阻值〔暗阻〕可达1~10M欧，在强光条件下，他的阻值〔亮阻〕仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性〔即光谱特征〕与人眼可见光〔0.4~0.76〕um的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起他的阻值变化。
2 光敏电阻的选型及电路连接图
本设计选用硫化镉光敏电阻MG45
型号：MG45-3
功率〔MW〕:200
亮阻〔千欧〕：≤2~10
暗阻〔兆欧〕：1~10
环境温度〔摄氏〕：-40℃~+70℃
时间常数〔ms〕：≤20
工作电压〔v〕：150
电路中单向可控硅选用MCR100-8,主要参数：
通态电流IT〔AV〕=0.6A
浪涌电流ITSM=15A
正向耐压VDRM>600V
反向耐压VRRM>600V
触发电流IGT<200(us)
通态压降VTM<1.7V
结温=1205〔℃〕
封装形式=TO-92
光敏电阻对照明的自动控制如图3.9所示，当给该照明系统接通电源时，当外部光线变暗时，通过电路的自动调节，使LED小灯点亮，到达照明的效果。当亮度正常时，电路自动调节，LED小灯灭。

图3.9 光控电路
3.2.3定时显示电路
系统中需要显示定时时长及定时剩余时间，本设计1602LCD液晶屏显示。
1 1602液晶显示概述
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由假设干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形〔用自定义CGRAM，显示效果也不好〕。
　　1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块〔显示字符和数字〕。
2 1602液晶引脚介绍
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线 VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中：

3.10 LCD1602液晶简图

引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源〔+5V〕
3
V0
液晶显示器比照度调整端，接正电源时比照度最弱，接地电源时比照度最高〔比照度过高时会产生“鬼影〞，使用时可以通过一个10K的电位器调整比照度〕。
4
RS
RS为存放器选择，高电平1时选择数据存放器、低电平0时选择指令存放器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平(1)时进展读操作，低电平(0)时进展写操作。
6
E
E(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、 双向数据总线 0位〔最低位〕
8
DB1
低4位三态、 双向数据总线 1位
9
DB2
低4位三态、 双向数据总线 2位
10
DB3
低4位三态、 双向数据总线 3位
11
DB4
高4位三态、 双向数据总线 4位
12
DB5
高4位三态、 双向数据总线 5位
13
DB6
高4位三态、 双向数据总线 6位
14
DB7
高4位三态、 双向数据总线 7位〔最高位〕〔也是busy flag〕
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光 电源负极

3液晶显示电路    
本设计中由单片机P0口输出位选码。

图3.11 1602显示电路 
3.2.5报警电路
当气敏电阻检测到有煤气泄漏时，中断效劳程序会给P0.1口一低电平，出发蜂鸣器声音报警。〔此时伴随抽油烟机启动〕。蜂鸣器选用YMD12065,5V有源峰鸣器。 如下列图：

图3.12 声音报警电路图

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