北方民族大學(xué) 魏 鑫
?
基于單片機的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計
北方民族大學(xué) 魏 鑫
【摘要】針對現(xiàn)有的排風(fēng)扇功能單一,處理應(yīng)急事故能力差等問題,設(shè)計了一種基于單片機的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)溫度和濕度實現(xiàn)自動無級調(diào)速,能夠檢測有毒氣體并自動換氣。當(dāng)檢測到空氣中燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)時,進行聲光報警,同時排氣扇強制排氣,及時通風(fēng)換氣,稀釋燃?xì)鉂舛?,預(yù)防惡性事故的發(fā)生。該系統(tǒng)具有功能強大、可靠性好、獨立性強等優(yōu)點。
【關(guān)鍵詞】單片機;智能;排風(fēng)扇;系統(tǒng)
隨著經(jīng)濟的發(fā)展,智能化產(chǎn)品漸漸進入普通百姓的家中?,F(xiàn)在市場上的各類智能化產(chǎn)品可謂層出不窮,最常見的有智能電飯煲、智能電冰箱和智能洗衣機等。所謂的智能化,其目的在于增加人與機器的互動,降低功耗,提高效率,盡量達到以人為本的目的[1]。而本文提出的“智能排風(fēng)扇”,就是遵循上述目的設(shè)計的。
對于裝有燃?xì)鉄崴鞯募彝碚f,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。一臺積滿灰塵,隨時都有可能罷工的排氣扇,成了浴室的安全隱患。鑒于此,設(shè)計了一種基于單片機的智能排風(fēng)扇系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)ι热~轉(zhuǎn)速實時監(jiān)控,異常報警,對熱水開停檢測,自動運行和關(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,系統(tǒng)能自動強制排氣。該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用和市場前景。
如系統(tǒng)框圖圖1所示,系統(tǒng)以微控制器為核心,通過檢測傳感器來判斷排風(fēng)扇的工作狀態(tài)和獲取必要數(shù)據(jù),進而控制電機的工作。穩(wěn)壓電源為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的低壓直流電。排風(fēng)扇的人機交互由鍵盤和LCD來完成。通過鍵盤,用戶能夠?qū)崿F(xiàn)對排風(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。
圖1 系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)采用8位的51單片機為微控制器,通過溫度、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。由溫度傳感器來檢測熱水開停并指示,同時采用煙霧傳感器檢測室內(nèi)是否出現(xiàn)有害氣體,在出現(xiàn)有害氣體時報警提示并強制排氣。在緊急情況下可通過按鍵來控制排風(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,芯片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元[3]??梢院芎玫目刂茰囟?、濕度的監(jiān)測以及顯示和語音報警,同時達到控制排風(fēng)扇的開關(guān)的要求。其豐富的管腳足以滿足智能排風(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的電容進行濾波和儲能,用三端穩(wěn)壓器7805進行穩(wěn)壓,穩(wěn)定輸出為5V。
2.3 報警電路
采用蜂鳴器電路,提供報警聲音。原理:由于蜂鳴器的工作電流一般比較大,以至于單片機的I/O口是無法直接驅(qū)動的,所以要利用放大電路來驅(qū)動,一般使用三極管來放大電流[4]。三極管的發(fā)射極接高電平,揚聲器正極接三極管的集電極,負(fù)極與地相接,當(dāng)單片機輸出低電平時,三極管導(dǎo)通,揚聲器發(fā)出生音;反之單片機輸出高電平時,三極管不導(dǎo)通,揚聲器不發(fā)聲。
2.4 煙霧檢測模塊
根據(jù)實際需求,選擇MQ-2煙霧傳感器。加熱絲給煙霧傳感器加熱一定時間后傳感器才開始檢測煙霧。當(dāng)煙霧濃度升高時,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管腳電壓進行比較,輸出低電平,傳輸給單片機;反之,當(dāng)煙霧濃度下降時,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,單片機通過高低電平來控制報警電路和顯示。
2.5 溫度、濕度檢測模塊
溫濕度傳感器使用DHT11,DHT11自動將內(nèi)部的傳感器電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號直接輸出給單片機[6],但是,由于DHT11的溫度測量只能精確到個位,而實際浴室的溫度變化范圍比較小,很難通過DHT11的變化控制PWM的占空比,故本設(shè)計只用DHT11來測量濕度。溫度的測量采用溫度傳感器DS18B20,測溫范圍為-55度到125度,在測量范圍從-10度到85度時精度為0.5度[7]。
2.6 顯示模塊電路設(shè)計
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)濟成本,本系統(tǒng)采用按鍵對特殊情況進行控制。所需按鍵控制較少,只需用兩個獨立按鍵控制排氣扇的開閉。
2.8 熱水檢測模塊
采用火焰?zhèn)鞲衅鳈z測是否有火源。采用直流5V電源供電,當(dāng)提供火源時,火焰?zhèn)鞲衅鲀啥穗妷荷?,輸出的電壓和電壓比較器LM393的正管腳電壓進行比較,當(dāng)高于設(shè)定的閾值時,DQ輸出低電平;反之,當(dāng)煙霧濃度降低時,未達到閾值時,DQ輸出高電平[8]。將輸出的DQ的高低電平傳輸給單片機,單片機通過高低電平來控制相關(guān)電路的運行。
2.9 電機驅(qū)動模塊
如圖2所示,L9110是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推娩式功率放大專用集成電路器件,該芯片具有兩個TTL/CMOS兼容電平輸入,具有良好的抗干擾性[9],兩個輸出端能控制電機的正反轉(zhuǎn),具有較大的電流驅(qū)動能力。
圖2 電機驅(qū)動電路
圖3 系統(tǒng)流程圖
如圖3所示,為系統(tǒng)流程圖。首先進行模塊的初始化,溫度、濕度和煙霧傳感器開始工作,進行數(shù)據(jù)的檢測,經(jīng)單片機處理后將這些數(shù)據(jù)顯示到LCD屏上。當(dāng)煙霧傳感器檢測到有煙霧時,蜂鳴器啟動進行報警,同時強制排風(fēng)扇啟動進行排氣,延時一段時間后再次檢測是否有煙霧。如果檢測到?jīng)]有煙霧,再檢測熱水是否開啟,如果熱水開啟了,那么根據(jù)室溫調(diào)整排風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,延時一段時間后再次檢測熱水是否開啟。如果檢測到熱水沒有開啟,那么就根據(jù)是否有緊急情況進行處理,此時可以通過按鍵來控制排風(fēng)扇的啟停。當(dāng)判定沒有緊急情況時,排風(fēng)扇延時5秒后自動關(guān)閉。
3.1 電機調(diào)速(PWM)
PWM的占空比決定了輸出到電機的平均電壓。占空比越大,高電平時間越長,則輸出的脈沖幅度越高,即電壓越高。通過調(diào)節(jié)占空比,可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,而且輸出電壓可以無級連續(xù)調(diào)節(jié)[10]。
3.2 排風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檢測
使用霍爾傳感器,在扇葉上粘上磁鐵,每當(dāng)扇葉上的磁鐵掃過霍爾原件時霍爾模塊輸出端輸出低電平[11],不掃過則輸出高電平,通過單位時間內(nèi)對輸出低電平次數(shù)的計數(shù)來計算風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。測速主要程序如下所示,通過定時器T1對一分鐘內(nèi)的低電平次數(shù)進行計數(shù)。速度轉(zhuǎn)換公式為:
v=(TH1*256+TL1)*60/3
其中TH1為定時器1高八位值,TL1為定時器1低八位值。
用蠟燭的火焰代替熱水器點火的火焰,用打火機的煙霧代替浴室的有害氣體,通過模擬浴室環(huán)境進行試調(diào)。傳感器測得數(shù)據(jù)經(jīng)由排風(fēng)扇的液晶顯示,調(diào)試時以實驗室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)為程序的試調(diào)提供依據(jù)。表1為不同溫度對應(yīng)電機電壓值測定。
表1 不同溫度對應(yīng)的電機電壓值
由表1可知,調(diào)壓調(diào)速是異步電動機調(diào)速系統(tǒng)中比較簡單的一種。由電機原理,當(dāng)轉(zhuǎn)差率基本不變時,電動機的電磁轉(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械特性,從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。能滿足本系統(tǒng)設(shè)計的要求。
針對現(xiàn)有的排風(fēng)扇功能單一,處理應(yīng)急事故能力差等問題,設(shè)計了一種基于單片機的智能排風(fēng)扇系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過火焰的亮滅檢測固定點熱水的開關(guān)并指示。熱水開啟時能根據(jù)溫度控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,并能通過液晶屏顯示溫度,濕度及轉(zhuǎn)速信息,熱水關(guān)閉時排氣扇根據(jù)設(shè)定的時間延時停止。當(dāng)系統(tǒng)檢測到有害氣體時,強制排風(fēng)扇排氣并由蜂鳴器報警。用戶也可通過按鍵手動控制排風(fēng)扇的開閉。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有功能強大、可靠性好、獨立性強等優(yōu)點,能夠很好地應(yīng)用在浴室、廚房等領(lǐng)域。
參考文獻
[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.常用的典型單片機資料[J].無線電,2007: 72-80.
[4]劉颋鵬.利用單片機I/O口直接驅(qū)動LCD[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(5):76-77.
[5]王銳,秦建峰.礦用煙霧倍感器檢測裝置設(shè)計和配置[J].煤,2012,21(10):37-38.
[6]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2010(6):60-62.
[7]馬麗麗,高鑫,賀超興,等.基于單片機的溫度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計[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電機驅(qū)動芯片介紹[J]. 電子制作,2004(11):45-45.
[10]王效華,牛思先.基于單片機PWM控制技術(shù)的實現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010(1):94-98.
[11]黃明,尚群立,余善恩.線性霍爾傳感器在直線位移中的應(yīng)用[J].自動化儀表,2010,31(3):66-68.
魏鑫(1992—),男,河北邢臺人,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。
作者簡介: