自動排氣扇電氣控制系統設計

閆莎莎

【關鍵詞】單片機;排氣扇;采集;溫度;煙霧

在現代日常生活中，排氣扇一般應用于廚房、浴室、工廠等場合排除煙霧。傳統排氣扇已經逐漸退出市場，人們對自動化的排氣扇的需求越來越大。排氣扇在人們的日常生活中的作用就是排除室內的對人體有害的氣體或臭氣，人們也會因呼吸到新鮮空氣而感到舒適感[1]。當室內空氣發生變化時，自動化的排氣扇系統自動啟動，室內外的空氣開始對流，凈化室內空氣，使室內空氣保持良好的空氣質量，讓人們在室內呼吸道良好的空氣。

自動排氣扇相對于傳統排氣扇的優點體現在自動上，當空氣的成分發生變化且超過臨界值，自動排氣扇開始啟動。自動排氣扇比傳統排氣扇先進在可以一直監測空氣中成分，從而可以確保人們在室內呼吸道新鮮空氣。自動排氣扇可以根據室內的空氣質量或溫度去自行控制排氣扇的開啟，甚至根據周圍環境的變化去自動調節排氣扇的轉速，這為人們帶來了自動化生活的體感，使人民生活更加舒適。傳統的排氣扇控制多采用機械方式進行，存在需要人為的手動換擋，不能檢測空氣質量等缺點，隨著現代科技的發展，現代生活中消費電子產品都會變得更加人性化、自動化以及智能化。排氣扇也從傳統排氣扇經過更新換代，結合科技力量，逐漸發展成為滿足人們生活需求的自動化排氣

本系統由單片機最小系統、溫度采集模塊和煙霧采集模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊和繼電器驅動模塊組成。結構框架如圖1所示：

本系統接通電源后，各個模塊都會進行初始化，初始化完成后煙霧傳感器和溫度傳感器開始工作采集周圍環境的信息，將其傳回單片機且實時顯示在液晶顯示屏上，單片機對采集到的信號進行數據處理，判斷是否發出脈沖信號去控制報警電路和驅動負載[2]。在本設計系統中，軟件程序會自動設置好相應的溫度閾值和煙霧濃度閾值，但是也可以通過按鍵去調節閾值的大小。當超過閾值時，主控模塊發出信號控制報警電路和風扇的啟動。

（一）煙霧傳感器選型

在日常生活中，家用廚房一般選用天然氣作為主要燃氣，天然氣在燃燒時會產生CO 和 CO2等氣體。所以廚房一般會存在CO等有害氣體。而MQ-2煙霧傳感器對這些氣體都能較快地檢測到。MQ-2 傳感器探測煙霧靈敏高、探測濃度準確，常被用于檢測液化氣等危險氣體，可以通過檢測室內的煙霧濃度去判斷是否開啟風扇。MQ-2氣體煙霧傳感器的輸出為電壓值，而單片機接受的是數字信號，所以需要AD轉換器進行轉換。當檢測到的煙霧濃度小于設定值時，單片機會檢測到一個高電平。當檢測到的煙霧濃度高于設定值時，單片機會檢測到一個低電平。

MQ-2型傳感器的作用就是檢測室內的煙霧濃度，當它檢測當前空氣成分時，分子間界處的勢壘收到此時接收到的空氣中的天然氣分子變化的信息，從而引起電導率的變化，利用這個特性就可以采集到實時的煙霧濃度情況[3]。

（二）溫度傳感器選型

因檢測對象是室內環境，因此需要體積小且能安穩運行的溫度傳感器。該設計檢測室內溫度，會受周圍環境和地理條件因素的影響，所以需要抗干擾能力強且能穩定工作的溫度傳感器。DS18B20是一種單總線數字溫度傳感器。DS18B20有獨特的單線接口方式，沒有時鐘線[4]。在與單片機連接時，實現了單線接口的方式。其測溫范圍在-55℃～+125℃之間，固有測溫分辨率0.5℃;綜上所述，DS18B20芯片適用于本系統。

（三）單片機的最小系統設計

單片機選型為ST89C51，它是一種可靠性高、性價比高、高性能的單片機;系統電路晶振設定為11.0592M，并聯電容為3pF，方便電路起振;電源電路：從常用的USB接口獲取5V電源[5]。

（四）聲光報警電路設計

當室內的煙霧濃度或溫度檢測值超出預設閾值時，這片機的P1.7口會顯示為低電平，三極管被導通，基極電流被放大，蜂鳴器通電發出報警聲，直到室內煙霧濃度或溫度檢測值恢復正常，或手動切斷系統的電源解除報警。

采用LED燈來提示溫度和煙霧濃度超出閾值，且采用黃色和紅色分別顯示達到區分的目的。選用LED燈的原因是其體積小、穩定性高、發光純度高、反應速度快。因此LED是最好的選擇。

（五）A/D轉換模塊設計

本設計采用ADC0809轉換器將煙霧傳感器采集的信號轉換為數字信號。

（六）液晶顯示電路設計

本設計的顯示電路可選擇LED數碼管、LCD液晶顯示屏、OLED顯示屏[6]。單片機人機交流界面要求不用一直刷新，而是保持常亮，且顏色不變。由于本設計需要精致巧妙，操作簡單，以達到智能控制目的，而LCD液晶顯示屏很薄，不占地方，且操作容易。其畫質很高但能耗很小，做到了節能減排。液晶顯示模塊要求能迅速可靠的反應當前溫度和煙霧濃度，準確顯示清晰數字和設置閾值。因此采用LCD液晶顯示屏。

當單片機接通電源時進入初始化狀態，此時溫度檢測模塊和煙霧檢測模塊開始采集數據，并將數據與預設值進行比較。當超出閾值時會有脈沖信號給報警電路和驅動負載電路。當設置錯誤時，有相應的復位電路。程序流程如圖2所示。

單片機的最小系統在焊接過程中要求絕不虛焊，使單片機可以正常運行。將單片機最小系統與采購的煙霧傳感器、溫度傳感器、LCD液晶顯示屏、報警模塊用杜邦線進行連接通電測試。各傳感器電源的指示燈亮起、LCD屏亮、報警模塊亮光和聲音報警，表明連接正確，可進行使用。通過點燃紙張，打火機熄滅后放氣等方式，煙霧傳感器采集煙霧濃度信息。超出閾值就發出報警，黃燈開始常亮，且風扇開始轉動。

本系統完成了控制信號檢測模塊、主控模塊、聲光報警和繼電器驅動模塊的設計以及實物模型制作。液晶顯示屏能夠實時顯示室內的煙霧濃度或溫度。聲音報警采用蜂鳴器，因為單片機的輸出電流不滿足驅動蜂鳴器要求，需使用三極管放大電路來控制蜂鳴器。本系統設計能滿足日常生活對廚房中自動排氣扇的電氣控制系統的控制基本要求。