北方民族大學(xué) 魏 鑫

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基于單片機(jī)的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北方民族大學(xué) 魏 鑫

【摘要】針對(duì)現(xiàn)有的排風(fēng)扇功能單一，處理應(yīng)急事故能力差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)溫度和濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速，能夠檢測(cè)有毒氣體并自動(dòng)換氣。當(dāng)檢測(cè)到空氣中燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)排氣扇強(qiáng)制排氣，及時(shí)通風(fēng)換氣，稀釋燃?xì)鉂舛?，預(yù)防惡性事故的發(fā)生。該系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、可靠性好、獨(dú)立性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；智能；排風(fēng)扇；系統(tǒng)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能化產(chǎn)品漸漸進(jìn)入普通百姓的家中?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的各類(lèi)智能化產(chǎn)品可謂層出不窮，最常見(jiàn)的有智能電飯煲、智能電冰箱和智能洗衣機(jī)等。所謂的智能化，其目的在于增加人與機(jī)器的互動(dòng)，降低功耗，提高效率，盡量達(dá)到以人為本的目的[1]。而本文提出的“智能排風(fēng)扇”，就是遵循上述目的設(shè)計(jì)的。

對(duì)于裝有燃?xì)鉄崴鞯募彝?lái)說(shuō)，排氣扇可謂必不可少的家電[2]，然而由于其功能單一，因而常常被人們所忽略而缺少維護(hù)。一臺(tái)積滿(mǎn)灰塵，隨時(shí)都有可能罷工的排氣扇，成了浴室的安全隱患。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)ι热~轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)控，異常報(bào)警，對(duì)熱水開(kāi)停檢測(cè)，自動(dòng)運(yùn)行和關(guān)閉。排風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速根據(jù)浴室溫度而定，當(dāng)有有害氣體產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)強(qiáng)制排氣。該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用和市場(chǎng)前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

如系統(tǒng)框圖圖1所示，系統(tǒng)以微控制器為核心，通過(guò)檢測(cè)傳感器來(lái)判斷排風(fēng)扇的工作狀態(tài)和獲取必要數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制電機(jī)的工作。穩(wěn)壓電源為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的低壓直流電。排風(fēng)扇的人機(jī)交互由鍵盤(pán)和LCD來(lái)完成。通過(guò)鍵盤(pán)，用戶(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)排風(fēng)扇基本的控制，而LCD能把溫度、濕度、轉(zhuǎn)速等基本信息反饋給用戶(hù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用8位的51單片機(jī)為微控制器，通過(guò)溫度、濕度傳感器采集室內(nèi)的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并將其顯示在1602液晶顯示屏上。由溫度傳感器來(lái)檢測(cè)熱水開(kāi)停并指示，同時(shí)采用煙霧傳感器檢測(cè)室內(nèi)是否出現(xiàn)有害氣體，在出現(xiàn)有害氣體時(shí)報(bào)警提示并強(qiáng)制排氣。在緊急情況下可通過(guò)按鍵來(lái)控制排風(fēng)扇的啟停。

2.1 微控制器

微控制器采用ATMEL公司的AT89C51單片機(jī)，芯片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元[3]?？梢院芎玫目刂茰囟?、濕度的監(jiān)測(cè)以及顯示和語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)達(dá)到控制排風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)的要求。其豐富的管腳足以滿(mǎn)足智能排風(fēng)扇的要求。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)中各芯片和傳感器的電源供電電壓一般為5V左右，電路接470uf的電容進(jìn)行濾波和儲(chǔ)能，用三端穩(wěn)壓器7805進(jìn)行穩(wěn)壓，穩(wěn)定輸出為5V。

2.3 報(bào)警電路

采用蜂鳴器電路，提供報(bào)警聲音。原理：由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以至于單片機(jī)的I/O口是無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來(lái)放大電流[4]。三極管的發(fā)射極接高電平，揚(yáng)聲器正極接三極管的集電極，負(fù)極與地相接，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出生音；反之單片機(jī)輸出高電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，揚(yáng)聲器不發(fā)聲。

2.4 煙霧檢測(cè)模塊

根據(jù)實(shí)際需求，選擇MQ-2煙霧傳感器。加熱絲給煙霧傳感器加熱一定時(shí)間后傳感器才開(kāi)始檢測(cè)煙霧。當(dāng)煙霧濃度升高時(shí)，傳感器電導(dǎo)率下降，傳感器兩端電壓升高，輸出電壓升高[5]，與電壓比較器LM393的3管腳電壓進(jìn)行比較，輸出低電平，傳輸給單片機(jī)；反之，當(dāng)煙霧濃度下降時(shí)，傳感器兩端電壓降低，經(jīng)比較器比較后輸出高電平，傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)高低電平來(lái)控制報(bào)警電路和顯示。

2.5 溫度、濕度檢測(cè)模塊

溫濕度傳感器使用DHT11，DHT11自動(dòng)將內(nèi)部的傳感器電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)直接輸出給單片機(jī)[6]，但是，由于DHT11的溫度測(cè)量只能精確到個(gè)位，而實(shí)際浴室的溫度變化范圍比較小，很難通過(guò)DHT11的變化控制PWM的占空比，故本設(shè)計(jì)只用DHT11來(lái)測(cè)量濕度。溫度的測(cè)量采用溫度傳感器DS18B20，測(cè)溫范圍為-55度到125度，在測(cè)量范圍從-10度到85度時(shí)精度為0.5度[7]。

2.6 顯示模塊電路設(shè)計(jì)

顯示模塊采用1602液晶顯示，該液晶可以很精確的用字體顯示本系統(tǒng)要顯示的溫度、濕度和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

2.7 按鍵模塊

考慮到經(jīng)濟(jì)成本，本系統(tǒng)采用按鍵對(duì)特殊情況進(jìn)行控制。所需按鍵控制較少，只需用兩個(gè)獨(dú)立按鍵控制排氣扇的開(kāi)閉。

2.8 熱水檢測(cè)模塊

采用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)是否有火源。采用直流5V電源供電，當(dāng)提供火源時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鲀啥穗妷荷?，輸出的電壓和電壓比較器LM393的正管腳電壓進(jìn)行比較，當(dāng)高于設(shè)定的閾值時(shí)，DQ輸出低電平；反之，當(dāng)煙霧濃度降低時(shí)，未達(dá)到閾值時(shí)，DQ輸出高電平[8]。將輸出的DQ的高低電平傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)高低電平來(lái)控制相關(guān)電路的運(yùn)行。

2.9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

如圖2所示，L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推娩式功率放大專(zhuān)用集成電路器件，該芯片具有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平輸入，具有良好的抗干擾性[9]，兩個(gè)輸出端能控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，為系統(tǒng)流程圖。首先進(jìn)行模塊的初始化，溫度、濕度和煙霧傳感器開(kāi)始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測(cè)，經(jīng)單片機(jī)處理后將這些數(shù)據(jù)顯示到LCD屏上。當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到有煙霧時(shí)，蜂鳴器啟動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)強(qiáng)制排風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)行排氣，延時(shí)一段時(shí)間后再次檢測(cè)是否有煙霧。如果檢測(cè)到?jīng)]有煙霧，再檢測(cè)熱水是否開(kāi)啟，如果熱水開(kāi)啟了，那么根據(jù)室溫調(diào)整排風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，延時(shí)一段時(shí)間后再次檢測(cè)熱水是否開(kāi)啟。如果檢測(cè)到熱水沒(méi)有開(kāi)啟，那么就根據(jù)是否有緊急情況進(jìn)行處理，此時(shí)可以通過(guò)按鍵來(lái)控制排風(fēng)扇的啟停。當(dāng)判定沒(méi)有緊急情況時(shí)，排風(fēng)扇延時(shí)5秒后自動(dòng)關(guān)閉。

3.1 電機(jī)調(diào)速（PWM）

PWM的占空比決定了輸出到電機(jī)的平均電壓。占空比越大，高電平時(shí)間越長(zhǎng)，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)[10]。

3.2 排風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檢測(cè)

使用霍爾傳感器，在扇葉上粘上磁鐵，每當(dāng)扇葉上的磁鐵掃過(guò)霍爾原件時(shí)霍爾模塊輸出端輸出低電平[11]，不掃過(guò)則輸出高電平，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)對(duì)輸出低電平次數(shù)的計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。測(cè)速主要程序如下所示，通過(guò)定時(shí)器T1對(duì)一分鐘內(nèi)的低電平次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。速度轉(zhuǎn)換公式為：

v=(TH1*256+TL1)*60/3

其中TH1為定時(shí)器1高八位值，TL1為定時(shí)器1低八位值。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

用蠟燭的火焰代替熱水器點(diǎn)火的火焰，用打火機(jī)的煙霧代替浴室的有害氣體，通過(guò)模擬浴室環(huán)境進(jìn)行試調(diào)。傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)由排風(fēng)扇的液晶顯示，調(diào)試時(shí)以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)為程序的試調(diào)提供依據(jù)。表1為不同溫度對(duì)應(yīng)電機(jī)電壓值測(cè)定。

表1 不同溫度對(duì)應(yīng)的電機(jī)電壓值

由表1可知，調(diào)壓調(diào)速是異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中比較簡(jiǎn)單的一種。由電機(jī)原理，當(dāng)轉(zhuǎn)差率基本不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。因此，改變定子電壓就可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。能滿(mǎn)足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的排風(fēng)扇功能單一，處理應(yīng)急事故能力差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過(guò)火焰的亮滅檢測(cè)固定點(diǎn)熱水的開(kāi)關(guān)并指示。熱水開(kāi)啟時(shí)能根據(jù)溫度控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并能通過(guò)液晶屏顯示溫度，濕度及轉(zhuǎn)速信息，熱水關(guān)閉時(shí)排氣扇根據(jù)設(shè)定的時(shí)間延時(shí)停止。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有害氣體時(shí)，強(qiáng)制排風(fēng)扇排氣并由蜂鳴器報(bào)警。用戶(hù)也可通過(guò)按鍵手動(dòng)控制排風(fēng)扇的開(kāi)閉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大、可靠性好、獨(dú)立性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地應(yīng)用在浴室、廚房等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]李明駿.提高電源使用效率,降低系統(tǒng)功耗[J].集成電路應(yīng)用,2012(2).

[2]龐曉輝.燃?xì)鉄崴鞴?jié)能環(huán)保大有可為[J].現(xiàn)代家電,2004(16):20-21.

[3]吳漢清.常用的典型單片機(jī)資料[J].無(wú)線(xiàn)電,2007: 72-80.

[4]劉颋鵬.利用單片機(jī)I/O口直接驅(qū)動(dòng)LCD[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(5):76-77.

[5]王銳,秦建峰.礦用煙霧倍感器檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)和配置[J].煤,2012,21(10):37-38.

[6]倪天龍.單總線(xiàn)傳感器DHT11在溫濕度測(cè)控中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(6):60-62.

[7]馬麗麗,高鑫,賀超興,等.基于單片機(jī)的溫度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代儀器,2012,18(3):60-62.

[8]沈蘇民.LM339(LM393)電壓比較器在電腦控制型電磁灶上的應(yīng)用[J].家電檢修技術(shù),2005(12S):50-51.

[9]陌塵.LG9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片介紹[J]. 電子制作,2004(11):45-45.

[10]王效華,牛思先.基于單片機(jī)PWM控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010(1):94-98.

[11]黃明,尚群立,余善恩.線(xiàn)性霍爾傳感器在直線(xiàn)位移中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2010,31(3):66-68.

魏鑫（1992—），男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介：