方天衡，陸俊臻，蔡成航，蘆立娟，魯曉東，張繼軍

(浙江海洋大學(xué)東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院 浙江 舟山 316000)

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多應(yīng)用智能排風(fēng)扇

方天衡，陸俊臻，蔡成航，蘆立娟*，魯曉東，張繼軍

(浙江海洋大學(xué)東?？茖W(xué)技術(shù)學(xué)院 浙江 舟山 316000)

設(shè)計(jì)了一種利用電壓比較器對(duì)空氣傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行分析、處理、在發(fā)出警報(bào)的同時(shí)繼電器自動(dòng)控制排風(fēng)扇凈化室內(nèi)空氣的多應(yīng)用智能排風(fēng)扇。

電壓比較器；空氣傳感器；檢測(cè) 控制；警報(bào)；繼電器；凈化；智能排風(fēng)扇

隨著生活質(zhì)量的提高，人們?cè)絹碓阶⒅厥覂?nèi)空氣質(zhì)量，保持室內(nèi)空氣清新對(duì)人們的健康起著至關(guān)重要的作用。一旦空氣質(zhì)量出現(xiàn)問題，不僅會(huì)危害人的生命健康，還可能會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)事故。為解決此問題，當(dāng)前市場(chǎng)已出現(xiàn)了各種排風(fēng)扇以及品種繁多的空氣凈化器，前者比較普及，但不能及時(shí)檢測(cè)空氣質(zhì)量；后者功能較多，但并不是十分普及(由于價(jià)格以及維修費(fèi)用和場(chǎng)地等限制)。為此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種既能靈敏地檢測(cè)出空氣中不良有害物質(zhì)，同時(shí)又能將其除去，成本又較低的多功能智能排風(fēng)扇。該產(chǎn)品不僅能檢測(cè)空氣凈化器所能除去的大部分PM2.5，還能檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度?？梢宰鳛檐噹?kù)除塵以保持清潔，也可以除去倉(cāng)庫(kù)和廠房中過高濃度的有毒物質(zhì)以確保人生安全(也可以除去易燃易爆物質(zhì))，在室內(nèi)使用還能檢測(cè)空氣中的液化氣以及甲醛的含量防止居民因液化氣中毒或者是剛裝修完甲醛濃度過高對(duì)人體的影響。為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，本產(chǎn)品可攜帶大型排風(fēng)扇或多個(gè)風(fēng)扇。

1 儀器及流程

1.1 儀器

51單片機(jī)，PPD42NS傳感器，MQ-7傳感器，MQ-4傳感器，MQ-6傳感器，繼電器，電壓比較器LM339，風(fēng)扇，藍(lán)牙模塊，lcd1602，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

1.2 流程

如圖1所示，該系統(tǒng)是由兩個(gè)系統(tǒng)組成，一個(gè)是顯示系統(tǒng)，一個(gè)是檢測(cè)并啟動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)。顯示系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境中的氣體發(fā)生變化時(shí)，傳感器檢測(cè)到氣體的濃度數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)讓lcd1602顯示檢測(cè)到的氣體濃度，檢測(cè)并啟動(dòng)風(fēng)扇由模擬電路實(shí)現(xiàn)，傳感器將輸出的模擬量與事先設(shè)定好的電壓進(jìn)行比較。如果超過設(shè)定好的電壓警報(bào)燈和繼電器工作，警報(bào)燈亮起，風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來。這樣當(dāng)環(huán)境中有毒氣體濃度超出一定范圍時(shí)，為保護(hù)人體，風(fēng)扇啟動(dòng)排出有毒氣體，警報(bào)燈亮起提醒人。

圖1 流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體介紹

本系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為控制芯片PPD42NG，mq-4，mq-6，mq-7傳感器分別檢測(cè)空氣中的粉塵，甲烷，液化氣，一氧化碳，溫濕度，AD0809負(fù)責(zé)將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，lcd1602負(fù)責(zé)顯示傳感器的結(jié)果，因?yàn)橐壕э@示屏不夠大，按鈕負(fù)責(zé)翻頁(yè)顯示，報(bào)警器和繼電器在檢測(cè)氣體大于安全氣體標(biāo)準(zhǔn)濃度后啟動(dòng)，警告人并自主清理空氣。

2.2 各部分介紹

2.2.1 傳感器介紹

PPD42NS傳感器示意如圖2所示；結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖2 PPD42NS傳感器示意圖

主要參數(shù)：光學(xué)原理，能夠探測(cè)1微米以上的粉塵粒子；兩種輸出模式，解決不同靈敏度使用要求，潔凈環(huán)境Vout輸出高電平信號(hào)(4 V)；5VDC供電；探測(cè)粒子范圍：最大到8000pcs/283ml(1 um以上粒子)。MQ-7傳感器：MQ-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫(1.5 V加熱)檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫(5.0 V加熱)清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-7氣體傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

圖3 PPD42NS 傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 電壓比較器

電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運(yùn)算放大器。電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)：當(dāng)“+”輸入端電壓高于“-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電→平；當(dāng)“+”輸入端電壓低于“-”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平；可工作在線性工作區(qū)和→非線性工作區(qū)。工作在線性工作區(qū)時(shí)特→點(diǎn)是虛短，虛斷；工作在非→線性工作區(qū)時(shí)特點(diǎn)是跳變，虛斷；由于→比較器的輸出只有低電平→和高電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運(yùn)放→常工作在非線性區(qū)。從→電路結(jié)構(gòu)上看，運(yùn)放常處于開環(huán)狀態(tài)，又是→為了使比較器輸出狀態(tài)→的轉(zhuǎn)換更加快速，以提高響應(yīng)速度，一般在電路中接入正反饋。

圖4 電壓比較器示意圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 電路圖設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)原理我們可以繪制出仿真電路如圖6所示，圖以便之后我們連接實(shí)際電路時(shí)的方便和可靠。如圖5所示，該電路需要一個(gè)模擬傳感器的電路，一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)顯示電路和一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 電路圖

圖6 仿真電路圖

3.1.1 模擬傳感器

電路如圖7所示，左下角有5個(gè)滑動(dòng)變阻器，由于在proteus仿真中并無本設(shè)計(jì)中的傳感器模型，所以用5個(gè)滑動(dòng)變阻器來作為傳感器的模擬量，五個(gè)變阻器可以改變不同的值以模擬檢測(cè)不同氣體的情況。

圖7 模擬傳感器電路圖

3.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖8中3個(gè)部分，ADC0809是可以將我們要測(cè)量的模擬電壓信號(hào)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量從而可以進(jìn)行存儲(chǔ)或顯示的一種轉(zhuǎn)換IC。

IN0-IN7：模擬量輸入通道。就是說它可以分時(shí)地分別對(duì)八個(gè)模擬量進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換。

ADDA-C：地址線。也就是通過這三根地址線的不同編碼來選擇對(duì)哪個(gè)模擬量進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換。

ALE：地址鎖存允許信號(hào)。在低電平時(shí)向ADDA-C寫地址，當(dāng)ALE跳至高電平后ADDA-C上的數(shù)據(jù)被鎖存

START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。當(dāng)它為上升沿后，將內(nèi)部寄存器清0。當(dāng)它為下降沿后，開始A/D轉(zhuǎn)換。

D0-D7：數(shù)據(jù)輸出口。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)量就是從這輸出給S52的。

OE：輸出允許信號(hào)，是對(duì)D0-D7的輸出控制端，OE=0，輸出端呈高阻態(tài)，OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。

圖8 AD0809模型圖

CLOCK：時(shí)種信號(hào)。ADC0809內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，需由外部提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。一般為500KHz EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)。EOC=0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以進(jìn)行下一步輸出操作 REF(+)、REF(-)：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬量進(jìn)行比較，作為測(cè)量的基準(zhǔn)。一般REF(=)=5v REF(-)=0V。

3.2 程序設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)中我們通過P2.5，P2.6，P2.7三個(gè)端口來選擇AD0809的輸入端口，當(dāng)P2.5，P2.6，P2.7輸出的信號(hào)從000～100變化時(shí)，AD0809依次從IN0～I(xiàn)N4五個(gè)輸入進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，單片機(jī)依次得到檢測(cè)的值并顯示。

4 結(jié) 論

利用現(xiàn)代科學(xué)應(yīng)用技術(shù)(傳感器、計(jì)算機(jī))進(jìn)行遷移的設(shè)計(jì)思想，較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，進(jìn)行儀器設(shè)計(jì)和改裝的能力。這樣，既利用新技術(shù)改進(jìn)了老技術(shù)，又開闊了學(xué)生的視野。培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，可作為應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)之一，并可作為新的遷移的基礎(chǔ)。

[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)[M].北京：高等教育出版社.

[2] 胡漢才.單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[3] 樓然苗,李光飛.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.

[4] 黃軍，代偉，羅微，等.用傳感器探究影響向心力大小因素的實(shí)驗(yàn)裝置[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(2)：31-34.

[5] 李成龍.基于單片機(jī)的交互式智能實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016，29(3)：67-69.

Multi Application Intelligent Exhaust Fan

FANG Tian-heng,LU Jun-zhen,CAI Cheng-hang,LU Li-juan,LU Xiao-dong,ZHANG Ji-jun

(Donghai Science and Technological College of Zhejiang Ocean University,Zhejiang Zhoushan 316000)

We design a voltage comparator to the air sensor collected information analysis and processing to sound the alarm,meanwhile,the relay will control the fan to achieve the removal of harmful substances in the room.

single chip microcomputer；the sensor of air；detection；control；alarm

2016-06-07

全國(guó)教育信息技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃2015年度課題(156232399)

1007-2934(2016)05-0063-05

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.017

*通訊聯(lián)系人