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

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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)

0 引言

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。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

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。

4 實驗驗證與分析

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。

5 結(jié)論

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。

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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：