基于單片機的智能排風扇系統設計

北方民族大學 魏 鑫

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基于單片機的智能排風扇系統設計

北方民族大學 魏 鑫

【摘要】針對現有的排風扇功能單一，處理應急事故能力差等問題，設計了一種基于單片機的智能排風扇系統。該系統可以根據溫度和濕度實現自動無級調速，能夠檢測有毒氣體并自動換氣。當檢測到空氣中燃氣濃度超標時，進行聲光報警，同時排氣扇強制排氣，及時通風換氣，稀釋燃氣濃度，預防惡性事故的發生。該系統具有功能強大、可靠性好、獨立性強等優點。

【關鍵詞】單片機；智能；排風扇；系統

0 引言

隨著經濟的發展，智能化產品漸漸進入普通百姓的家中。現在市場上的各類智能化產品可謂層出不窮，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“智能排風扇”，就是遵循上述目的設計的。

對于裝有燃氣熱水器的家庭來說，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，設計了一種基于單片機的智能排風扇系統，該系統能夠對扇葉轉速實時監控，異常報警，對熱水開停檢測，自動運行和關閉。排風扇的轉速根據浴室溫度而定，當有有害氣體產生時，系統能自動強制排氣。該系統具有廣闊的應用和市場前景。

1 系統總體設計方案

如系統框圖圖1所示，系統以微控制器為核心，通過檢測傳感器來判斷排風扇的工作狀態和獲取必要數據，進而控制電機的工作。穩壓電源為整個系統提供穩定的低壓直流電。排風扇的人機交互由鍵盤和LCD來完成。通過鍵盤，用戶能夠實現對排風扇基本的控制，而LCD能把溫度、濕度、轉速等基本信息反饋給用戶。

圖1 系統框圖

2 系統硬件設計

系統采用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的溫度、濕度等數據，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是否出現有害氣體，在出現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，芯片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元[3]。可以很好的控制溫度、濕度的監測以及顯示和語音報警，同時達到控制排風扇的開關的要求。其豐富的管腳足以滿足智能排風扇的要求。

2.2 電源模塊

系統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，用三端穩壓器7805進行穩壓，穩定輸出為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口是無法直接驅動的，所以要利用放大電路來驅動，一般使用三極管來放大電流[4]。三極管的發射極接高電平，揚聲器正極接三極管的集電極，負極與地相接，當單片機輸出低電平時，三極管導通，揚聲器發出生音；反之單片機輸出高電平時，三極管不導通，揚聲器不發聲。

2.4 煙霧檢測模塊

根據實際需求，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。當煙霧濃度升高時，傳感器電導率下降，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，當煙霧濃度下降時，傳感器兩端電壓降低，經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自動將內部的傳感器電壓信號轉化為數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要顯示的溫度、濕度和轉速等數據。

2.7 按鍵模塊

考慮到經濟成本，本系統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

采用火焰傳感器檢測是否有火源。采用直流5V電源供電，當提供火源時，火焰傳感器兩端電壓升高，輸出的電壓和電壓比較器LM393的正管腳電壓進行比較，當高于設定的閾值時，DQ輸出低電平；反之，當煙霧濃度降低時，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電路的運行。

2.9 電機驅動模塊

如圖2所示，L9110是為控制和驅動電機設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，具有較大的電流驅動能力。

圖2 電機驅動電路

圖3 系統流程圖

3 系統軟件設計

如圖3所示，為系統流程圖。首先進行模塊的初始化，溫度、濕度和煙霧傳感器開始工作，進行數據的檢測，經單片機處理后將這些數據顯示到LCD屏上。當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。如果檢測到沒有煙霧，再檢測熱水是否開啟，如果熱水開啟了，那么根據室溫調整排風扇轉速，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，那么就根據是否有緊急情況進行處理，此時可以通過按鍵來控制排風扇的啟停。當判定沒有緊急情況時，排風扇延時5秒后自動關閉。

3.1 電機調速（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。通過調節占空比，可以實現調節輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以無級連續調節[10]。

3.2 排風扇轉速檢測

使用霍爾傳感器，在扇葉上粘上磁鐵，每當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，通過單位時間內對輸出低電平次數的計數來計算風扇的轉速。測速主要程序如下所示，通過定時器T1對一分鐘內的低電平次數進行計數。速度轉換公式為：

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，通過模擬浴室環境進行試調。傳感器測得數據經由排風扇的液晶顯示，調試時以實驗室內的溫濕度數據為程序的試調提供依據。表1為不同溫度對應電機電壓值測定。

表1 不同溫度對應的電機電壓值

由表1可知，調壓調速是異步電動機調速系統中比較簡單的一種。由電機原理，當轉差率基本不變時，電動機的電磁轉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，從而達到調節電機轉速的目的。能滿足本系統設計的要求。

5 結論

針對現有的排風扇功能單一，處理應急事故能力差等問題，設計了一種基于單片機的智能排風扇系統。該系統能夠通過火焰的亮滅檢測固定點熱水的開關并指示。熱水開啟時能根據溫度控制風扇轉速，并能通過液晶屏顯示溫度，濕度及轉速信息，熱水關閉時排氣扇根據設定的時間延時停止。當系統檢測到有害氣體時，強制排風扇排氣并由蜂鳴器報警。用戶也可通過按鍵手動控制排風扇的開閉。實驗結果表明，該系統具有功能強大、可靠性好、獨立性強等優點，能夠很好地應用在浴室、廚房等領域。

參考文獻

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魏鑫（1992—），男，河北邢臺人，碩士研究生，主要研究方向：物聯網技術和嵌入式系統設計。

作者簡介：