喬琳君，魏嚴(yán)鋒

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，陜西西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，陜西西安 710072）

當(dāng)人們?cè)诎踩孢m的環(huán)境中生活或工作時(shí)，心情愉悅，工作效率高。因此，為改善居室環(huán)境，設(shè)計(jì)基于STC89C52 型單片機(jī)的自動(dòng)換氣扇系統(tǒng)。當(dāng)環(huán)境溫度過高或存在有害氣體時(shí)，自動(dòng)換氣扇傳感檢測(cè)單元?jiǎng)t接收到信號(hào)并通過單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)換氣扇自動(dòng)工作，以調(diào)節(jié)溫度或排除有害氣體，讓人們?cè)诎踩孢m的環(huán)境中生活或工作。煙感自動(dòng)換氣扇可以廣泛應(yīng)用于辦公室、臥室、客廳、廚房、浴室等，給人們的身體健康帶來很大的益處。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

該自動(dòng)換氣扇系統(tǒng)由7 個(gè)單元組成，即單片機(jī)控制單元、煙霧濃度采集單元、溫度采集單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、參數(shù)設(shè)置按鍵單元、繼電器電機(jī)單元及液晶顯示單元。當(dāng)室內(nèi)煙霧濃度發(fā)生變化引起氣敏傳感器的阻值發(fā)生變化，系統(tǒng)上電后，該阻值變化在電路中會(huì)轉(zhuǎn)換為變化的電壓信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)識(shí)別運(yùn)算控制，并由LCD 顯示器顯示煙霧濃度。用戶可以對(duì)該系統(tǒng)的煙霧濃度情況和溫度情況進(jìn)行設(shè)定，如果實(shí)際值低于設(shè)定值，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將風(fēng)扇關(guān)閉。相反，如果高于設(shè)定值，系統(tǒng)就會(huì)重新啟動(dòng)風(fēng)扇［1］。通過此方式對(duì)室內(nèi)煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，以達(dá)到自動(dòng)換氣的目的。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 STC89C52單片機(jī)

系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC89C52 型單片機(jī)為控制器，其內(nèi)部有8 位中央處理器(CPU)、4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器、128 字節(jié)內(nèi)部RAM、32 個(gè)I/O 口、2個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)5 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、一個(gè)全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路[2-4]。其最小應(yīng)用系統(tǒng)由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。

2.2 MQ-2型氣敏傳感器

氣敏傳感器用來檢測(cè)氣體成分和氣體濃度大小，并將濃度大小轉(zhuǎn)換為電阻值大小。此次選用MQ-2 型旁熱式氣敏傳感器[5]，由敏感元件以及轉(zhuǎn)換電路組成。MQ-2 型氣敏傳感器轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。由圖可知：它有6 個(gè)針狀引腳，其中2 和5 引腳用來提供加熱電流；1～3 引腳、4～6 引腳用來讀取氣體濃度，并和電阻R1串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，此電壓經(jīng)過電壓比較器后可以將電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

系統(tǒng)工作中，當(dāng)煙霧濃度大小變化時(shí)，傳感器電阻值發(fā)生變化，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路引起輸出電壓的變化，并將此電壓信號(hào)輸送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以便單片機(jī)判別運(yùn)算。

2.3 DS18B20數(shù)字溫度傳感器

圖2 MQ-2氣敏傳感器轉(zhuǎn)換電路

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其測(cè)溫范圍為-55～＋125 ℃，固有測(cè)溫分辨率為0.5 ℃,具有體積小，堅(jiān)固耐用，封裝形式多樣，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域[6-8]。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件；接口方式為單線式，一條接口線就能實(shí)現(xiàn)微處理器與其雙向通訊；另外，DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，即多個(gè)DS1820 并聯(lián)在唯一三線上，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。不同溫度下DS18B20 所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量對(duì)照表如表1 所示[9]。

表1 部分溫度值與DS18B20 輸出的數(shù)字量對(duì)照表

2.4 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器

因?yàn)闅饷魝鞲衅鞑杉臍怏w濃度信息為模擬量，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后輸出電壓信號(hào)也為模擬量，因此需選用ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字量。ADC0832 是8 位分辨率A/D 轉(zhuǎn)換器，其最高分辨可達(dá)256 級(jí)，能夠適應(yīng)多數(shù)的模擬量轉(zhuǎn)換要求[10-12]。其----CS 由單片機(jī)P3.7控制,由CH0通道接收來的模擬信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后由DO口送至單片機(jī)P3.6口。

2.5 LCD1602液晶顯示器

為了實(shí)時(shí)顯示氣體濃度和溫度，選用LCD1602液晶顯示器[13-14]用來顯示氣體濃度和溫度高低，并顯示氣體濃度和溫度的閾值。運(yùn)行過程中第一行Smoke 顯示當(dāng)前氣體濃度，T 顯示當(dāng)前溫度；第二行Alarm 顯示氣體濃度和溫度的閾值。液晶顯示器的8 位數(shù)據(jù)端D1～D7 由單片機(jī)的P0 口控制，RS、R/W、E 端分別由單片機(jī)P2.5～P2.7 控制。

2.6 繼電器換風(fēng)扇單元

該模塊由PNP 型三極管和繼電器及換氣扇組成，單片機(jī)P1.7 口控制三極管基極。當(dāng)系統(tǒng)判斷煙霧濃度或溫度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，經(jīng)運(yùn)算P1.7 輸出為0，則PNP 型三極管導(dǎo)通，繼電器得電，常開觸點(diǎn)吸合，換氣扇工作。當(dāng)系統(tǒng)判斷煙霧濃度或溫度小于預(yù)設(shè)值時(shí)，P2.0 輸出為1，則PNP 型三極管截止，繼電器失電，常開觸點(diǎn)復(fù)位，換氣扇停止工作。

2.7 其他輔助單元

除以上六大單元外，系統(tǒng)還設(shè)置有工作模式選擇、參數(shù)調(diào)節(jié)按鍵單元及燈光指示單元。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，同時(shí)獲取設(shè)定煙霧濃度和環(huán)境溫度，并采集當(dāng)前氣體濃度和溫度值。經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后，送到LCD 顯示器，顯示信息；系統(tǒng)判斷當(dāng)前氣體濃度、溫度和預(yù)設(shè)值大小關(guān)系，如果小于預(yù)設(shè)值，表明環(huán)境參數(shù)正常，綠色指示燈亮；如果高于預(yù)設(shè)值，紅色指示燈亮，并有閃爍報(bào)警現(xiàn)象，同時(shí)繼電器驅(qū)動(dòng)換氣扇工作，隨著換氣扇的運(yùn)行，環(huán)境參數(shù)得到改善，即氣體濃度和環(huán)境溫度下降，當(dāng)下降至預(yù)設(shè)值以下，繼電器斷電，換氣扇停止作。

將氣敏傳感器和溫度傳感器實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)送至單片機(jī)進(jìn)行比較，自動(dòng)控制換氣扇，以達(dá)到改善環(huán)境的目的。系統(tǒng)流程圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

圖4 系統(tǒng)正常工作情況

4 仿真調(diào)試

依據(jù)主程序流程圖在Keil編程，選用Proteus仿真軟件[15-16]實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換氣扇系統(tǒng)的軟件仿真調(diào)試，按照所設(shè)計(jì)的方案搭建電路模型，如圖4 所示，模型搭建完畢，點(diǎn)擊單片機(jī)添加程序，打開仿真開關(guān)開始調(diào)試。

4.1 正常工作情況

系統(tǒng)上電后，采集到煙霧濃度低于設(shè)定值20 和溫度30 時(shí)，D3 綠色指示燈亮，表示環(huán)境情況正常。此時(shí)繼電器不工作，電機(jī)不轉(zhuǎn)，換氣扇不工作。電路正常工作狀態(tài)如圖4 所示。

4.2 異常工作情況

系統(tǒng)上電后，調(diào)節(jié)電位器RV1 阻值。當(dāng)居室煙霧濃度高于設(shè)定值20，D2 紅色指示燈亮，表示環(huán)境情況異常，同時(shí)D1 指示燈閃爍報(bào)警；繼電器得電工作，電機(jī)得電旋轉(zhuǎn)，換氣扇工作，改善居室空氣質(zhì)量。再次回調(diào)電位器RV1，當(dāng)煙霧濃度低于設(shè)定值20 時(shí)，換氣扇停止工作。工作電路如圖5 所示。

圖5 氣體濃度和環(huán)境溫度異常情況

同樣當(dāng)系統(tǒng)上電后，調(diào)節(jié)溫度傳感器DS18B20。當(dāng)居室溫度高于設(shè)定值30，D2 紅色指示燈亮，表示環(huán)境情況異常，同時(shí)D1 指示燈閃爍報(bào)警；繼電器得電工作，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，換氣扇工作，改善居室空氣質(zhì)量。再次回調(diào)DS18B20，當(dāng)溫度低于設(shè)定值30 時(shí)，換氣扇停止工作。

4.3 預(yù)設(shè)值修改

調(diào)試過程中可根據(jù)個(gè)人對(duì)煙霧濃度和溫度的敏感度和需求，修改氣體濃度和溫度報(bào)警值。按下設(shè)置鍵，再按增大減小鍵，可修改報(bào)警閾值。

5 結(jié)論

通過仿真調(diào)試和硬件電路安裝調(diào)試表明，該自動(dòng)換氣扇系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境中氣體濃度大小和溫度高低的檢測(cè)識(shí)別，自動(dòng)開啟換氣扇以改善居住環(huán)境。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠、靈敏度高、體積小，整體性價(jià)比較高，在實(shí)際使用中有一定的實(shí)用價(jià)值。