基于STC89C52 單片機的自動換氣扇系統設計

喬琳君，魏嚴鋒

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

當人們在安全舒適的環境中生活或工作時，心情愉悅，工作效率高。因此，為改善居室環境，設計基于STC89C52 型單片機的自動換氣扇系統。當環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，實現換氣扇自動工作，以調節溫度或排除有害氣體，讓人們在安全舒適的環境中生活或工作。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 系統框架設計

該自動換氣扇系統由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、模數轉換單元、參數設置按鍵單元、繼電器電機單元及液晶顯示單元。當室內煙霧濃度發生變化引起氣敏傳感器的阻值發生變化，系統上電后，該阻值變化在電路中會轉換為變化的電壓信號，經過模數轉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，系統就會自動將風扇關閉。相反，如果高于設定值，系統就會重新啟動風扇［1］。通過此方式對室內煙霧濃度進行監測和控制，以達到自動換氣的目的。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

2.1 STC89C52單片機

系統采用低功耗、高性能的STC89C52 型單片機為控制器，其內部有8 位中央處理器(CPU)、4k 字節Flash 閃速存儲器、128 字節內部RAM、32 個I/O 口、2個16 位定時/計數器、一個5 向量兩級中斷結構、一個全雙工串行通信口、片內振蕩器及時鐘電路[2-4]。其最小應用系統由單片機、晶振電路和復位電路構成。

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]，由敏感元件以及轉換電路組成。MQ-2 型氣敏傳感器轉換電路如圖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，實現電壓轉換，此電壓經過電壓比較器后可以將電壓轉化為數字量。

系統工作中，當煙霧濃度大小變化時，傳感器電阻值發生變化，經轉換電路引起輸出電壓的變化，并將此電壓信號輸送至數模轉換器，以便單片機判別運算。

2.3 DS18B20數字溫度傳感器

圖2 MQ-2氣敏傳感器轉換電路

DS18B20是常用的數字溫度傳感器，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，使用方便等優點，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域[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微處理器與其雙向通訊；另外，DS18B20支持多點組網功能，即多個DS1820 并聯在唯一三線上，可實現多點測溫。不同溫度下DS18B20 所對應的數字量對照表如表1 所示[9]。

表1 部分溫度值與DS18B20 輸出的數字量對照表

2.4 ADC0832模數轉換器

因為氣敏傳感器采集的氣體濃度信息為模擬量，經轉換電路后輸出電壓信號也為模擬量，因此需選用ADC0832 模數轉換器將模擬量轉換為單片機能夠識別的數字量。ADC0832 是8 位分辨率A/D 轉換器，其最高分辨可達256 級，能夠適應多數的模擬量轉換要求[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轉換后由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 位數據端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。當系統判斷煙霧濃度或溫度大于預設值時，經運算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，系統還設置有工作模式選擇、參數調節按鍵單元及燈光指示單元。

3 系統軟件設計

當系統上電后進行初始化，同時獲取設定煙霧濃度和環境溫度，并采集當前氣體濃度和溫度值。經過A/D 轉換后，送到LCD 顯示器，顯示信息；系統判斷當前氣體濃度、溫度和預設值大小關系，如果小于預設值，表明環境參數正常，綠色指示燈亮；如果高于預設值，紅色指示燈亮，并有閃爍報警現象，同時繼電器驅動換氣扇工作，隨著換氣扇的運行，環境參數得到改善，即氣體濃度和環境溫度下降，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境參數送至單片機進行比較，自動控制換氣扇，以達到改善環境的目的。系統流程圖如圖3 所示。

圖3 系統主程序流程圖

圖4 系統正常工作情況

4 仿真調試

依據主程序流程圖在Keil編程，選用Proteus仿真軟件[15-16]實現自動換氣扇系統的軟件仿真調試，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，打開仿真開關開始調試。

4.1 正常工作情況

系統上電后，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，表示環境情況正常。此時繼電器不工作，電機不轉，換氣扇不工作。電路正常工作狀態如圖4 所示。

4.2 異常工作情況

系統上電后，調節電位器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，換氣扇工作，改善居室空氣質量。再次回調電位器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 氣體濃度和環境溫度異常情況

同樣當系統上電后，調節溫度傳感器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，換氣扇工作，改善居室空氣質量。再次回調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

調試過程中可根據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 結論

通過仿真調試和硬件電路安裝調試表明，該自動換氣扇系統能夠實現環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境。系統性能穩定，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。