喬琳君，魏嚴鋒

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

當人們在安全舒適的環(huán)境中生活或工作時，心情愉悅，工作效率高。因此，為改善居室環(huán)境，設計基于STC89C52 型單片機的自動換氣扇系統(tǒng)。當環(huán)境溫度過高或存在有害氣體時，自動換氣扇傳感檢測單元則接收到信號并通過單片機控制，實現(xiàn)換氣扇自動工作，以調(diào)節(jié)溫度或排除有害氣體，讓人們在安全舒適的環(huán)境中生活或工作。煙感自動換氣扇可以廣泛應用于辦公室、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)框架設計

該自動換氣扇系統(tǒng)由7 個單元組成，即單片機控制單元、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)設置按鍵單元、繼電器電機單元及液晶顯示單元。當室內(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轉(zhuǎn)換為變化的電壓信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至單片機識別運算控制，并由LCD 顯示器顯示煙霧濃度。用戶可以對該系統(tǒng)的煙霧濃度情況和溫度情況進行設定，如果實際值低于設定值，系統(tǒng)就會自動將風扇關(guān)閉。相反，如果高于設定值，系統(tǒng)就會重新啟動風扇［1］。通過此方式對室內(nèi)煙霧濃度進行監(jiān)測和控制，以達到自動換氣的目的。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設計

2.1 STC89C52單片機

系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC89C52 型單片機為控制器，其內(nèi)部有8 位中央處理器(CPU)、4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器、128 字節(jié)內(nèi)部RAM、32 個I/O 口、2個16 位定時/計數(shù)器、一個5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、一個全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器及時鐘電路[2-4]。其最小應用系統(tǒng)由單片機、晶振電路和復位電路構(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，當煙霧濃度大小變化時，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，并將此電壓信號輸送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以便單片機判別運算。

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，其測溫范圍為-55～＋125 ℃，固有測溫分辨率為0.5 ℃,具有體積小，堅固耐用，封裝形式多樣，使用方便等優(yōu)點，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域[6-8]。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件；接口方式為單線式，一條接口線就能實現(xiàn)微處理器與其雙向通訊；另外，DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，即多個DS1820 并聯(lián)在唯一三線上，可實現(xiàn)多點測溫。不同溫度下DS18B20 所對應的數(shù)字量對照表如表1 所示[9]。

表1 部分溫度值與DS18B20 輸出的數(shù)字量對照表

2.4 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器

因為氣敏傳感器采集的氣體濃度信息為模擬量，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后輸出電壓信號也為模擬量，因此需選用ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為單片機能夠識別的數(shù)字量。ADC0832 是8 位分辨率A/D 轉(zhuǎn)換器，其最高分辨可達256 級，能夠適應多數(shù)的模擬量轉(zhuǎn)換要求[10-12]。其----CS 由單片機P3.7控制,由CH0通道接收來的模擬信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后由DO口送至單片機P3.6口。

2.5 LCD1602液晶顯示器

為了實時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。運行過程中第一行Smoke 顯示當前氣體濃度，T 顯示當前溫度；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 由單片機的P0 口控制，RS、R/W、E 端分別由單片機P2.5～P2.7 控制。

2.6 繼電器換風扇單元

該模塊由PNP 型三極管和繼電器及換氣扇組成，單片機P1.7 口控制三極管基極。當系統(tǒng)判斷煙霧濃度或溫度大于預設值時，經(jīng)運算P1.7 輸出為0，則PNP 型三極管導通，繼電器得電，常開觸點吸合，換氣扇工作。當系統(tǒng)判斷煙霧濃度或溫度小于預設值時，P2.0 輸出為1，則PNP 型三極管截止，繼電器失電，常開觸點復位，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)軟件設計

當系統(tǒng)上電后進行初始化，同時獲取設定煙霧濃度和環(huán)境溫度，并采集當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)判斷當前氣體濃度、溫度和預設值大小關(guān)系，如果小于預設值，表明環(huán)境參數(shù)正常，綠色指示燈亮；如果高于預設值，紅色指示燈亮，并有閃爍報警現(xiàn)象，同時繼電器驅(qū)動換氣扇工作，隨著換氣扇的運行，環(huán)境參數(shù)得到改善，即氣體濃度和環(huán)境溫度下降，當下降至預設值以下，繼電器斷電，換氣扇停止作。

將氣敏傳感器和溫度傳感器實時環(huán)境參數(shù)送至單片機進行比較，自動控制換氣扇，以達到改善環(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]實現(xiàn)自動換氣扇系統(tǒng)的軟件仿真調(diào)試，按照所設計的方案搭建電路模型，如圖4 所示，模型搭建完畢，點擊單片機添加程序，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定值20 和溫度30 時，D3 綠色指示燈亮，表示環(huán)境情況正常。此時繼電器不工作，電機不轉(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。當居室煙霧濃度高于設定值20，D2 紅色指示燈亮，表示環(huán)境情況異常，同時D1 指示燈閃爍報警；繼電器得電工作，電機得電旋轉(zhuǎn)，換氣扇工作，改善居室空氣質(zhì)量。再次回調(diào)電位器RV1，當煙霧濃度低于設定值20 時，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

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

4.3 預設值修改

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

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識別，自動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，整體性價比較高，在實際使用中有一定的實用價值。