换气扇自动控制器的设计

1、nanchang university毕 业 设 计 论 文（20082011年）题 目: 换气扇自动控制器的设计 学 院: 系 别: 专 业: 班 级: 学生姓名: 学 号: 指导老师: 起讫日期: 摘要换气扇由电动机带动风叶旋转驱动气流，使室内外空气交换的一类空气调节电器。又称通风扇。换气的目的就是要除去室内的污浊空气，调节温度、湿度和感觉效果。换气扇广泛应用于家庭及公共场所。自动控制是一个非常有吸引力的研究领域，在过去的几十年中发展起来的理论和实践解决了大量的自动化问题，使这个领域具有了通用的特点。同时，保证了较高的控制精度，有强的抗干扰能力，又有很高的可靠性和环境适应性。 本设计为一种

2、通风控制系统，是室内换气扇自动控制器。它根据室内温度或有害气体浓度的变化。自动开启或关闭换气扇。它由电源电路，气敏传感控制电路、电子开关电路。换气扇运转电路和温度传感控制电路组成。可广泛用于家庭和各公共场所。本设计采用用ne555设计的换气扇的自动控制电路，电脑控制芯片通过模糊控制技术运算后控制换气扇的启动与停止，此有害气体检测及抽排电路以气体检测传感器qm-n5为中心，利用其气敏的特性来控制次级电路。当有害气体浓度到达一定值时，通过电路的巧妙设计，利用555定时器构成多谐振荡器控制，以保证人的安全。当有害气体的浓度恢复到正常情况时，排气扇不工作，电路恢复到正常检测状态。整个电路简单实用，制作

3、成本也较低。既能保持室内良好的空气质量又节约能源。 关键词：换气扇 自动控制 气体传感器 ne555abstractthefan by motor driving wind leaf rotary actuation, make indoor and outdoor air exchange air a kind of air conditioning appliances. say again tongfengshan. transaired purpose is to remove indoor air pollution, adjust the temperature, humidity

4、 and feeling effect. fan is widely used in homes and public places. automatic control is a very attractive field of study, in the past few decades of theory and practice developed solved a lot of automation problems, make this area is the general characteristic. meanwhile, assure the high control ac

5、curacy, have strong anti-jamming ability, and has high reliability and environmental adaptability. this design is a kind of ventilation control system, is indoor fan automatic controller. it according to indoor temperature or harmful gas concentration changes. automatic open or closed fan. it consis

6、ts of power supply circuit, gas-sensitive sensor control circuit, electronic switch circuit. fan operation circuit and control circuit temperature sensing composed. can be widely used in all public places family and. this design uses the ne555 design with the automatic control circuit, exhaust fan c

7、omputer control chip through fuzzy control technology operations with the startup control fan after stop, can both retain indoor good air quality and save energy. keywords: fan， automatic control ，gas sensor ，ne555前言：20世纪中期以后，由于晶体管技术和半导体集成电路技术的飞速发展，电子技术已成为当今科学技术领域中最活跃、影响最广泛的学科之一。电子技术在促进国防建设、科学技术研究、工

8、农业生产、第三产业发展，提高人类居住和生活质量等方面发挥了极其重要的作用。此设计是关于小型智能控制系统的设计，为换气扇自动控制系统的设计。一是有害气体的检测和抽排，二是温度的自动调节。当检测到有害气体意外排放超标或当室内温度达到一定高度时，自行启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1 设计要求本设计为一种通风控制系统，是室内换气扇自动控制器。它可根据室内温度或有害气体浓度的变化。自动开启或关闭换气扇。目的就是要除去室内的污浊空气，调节温度、湿度和感觉效果。2 设计方案及工作原理2.1 设计方案：由于本设计是感应气体浓度和室内温度的电路，该电路由交流降压整流电路

9、(vdd=+9v)、温度检测电路、双稳态控制电路等组成。可以使用气敏半导体器件，热敏电阻，利用其感温效应，将温度、浓度变化采集。用555芯片设计双稳态控制电路。再利用晶闸管为有源开关元件的特性来控制换气扇的工作情况。设计的总体方框图：气敏传感器热敏电阻信号处理555交流降压整流电路自动模块手动模块风扇模块图1流程框图2.2总电路图及工作原理系统整体硬件包括，双稳态控制电路，温度检测电路,交流降压整流电路等组成。如图2所示。图2 总电路图如图所示为换气扇的自动控制电路。该电路由交流降压整流电路(vdd=+9v)、有毒有害气体传感头qm-n5、温度检测电路rt、双稳态控制电路等组成。其中qm-n5

10、为气敏半导体器件，rt采用mf-51型ntc热敏电阻。正常情况下，室内无有害气体或其浓度在允许范围内时，qm两端a、b间阻值较大，b点电位低于1v，使d2、bg2截止，555则因脚为高电平而复位，由脚输出的低电平使scr截止，换气扇不工作。当室内有害气体的浓度超过允许值时，qm-n5的阻值迅速减小，b点电位升高，使d2、bg1导通，555则因脚为低电平而置位，由脚输出的高电平使scr导通，换气扇工作。当室温升高时，rt的阻值减小，使e点电位升高，当室温上升到约36时，d1、bg1均导通。555则因脚为低电平而置位，由脚输出的高电平使scr导通，换气扇运转。3 硬件设计：3.1.1 主控制器55

11、5集成时基电路称为集成定时器，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5k的电阻，故取名555电路。3.1.2 55内部框图及引脚功能图3 ne555内部框图555定时器由3个阻值为5k的电阻组成的分压器、两个电压比较器c1和c2、基本rs触发器、放电三极管td和缓冲反相器g4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。pin 2 (触发点) -这个脚位是触发ne555使

12、其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 vcc，下缘须低于1/3 vcc 。 pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到o伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 ma 。 pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 pin 6 (重置锁定) - pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电

13、压从1/3 vcc电压以下移至2/3 vcc以上时启动这个动作。 pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为on时为low，对地为低阻抗，当输出为off时为high，对地为高阻抗。 pin 8 (v +) -这是555个计时器ic的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。3.1.3 555工作时过程分析 5脚经0.01uf电容接地，比较器c1和c2的比较电压为：ur1=2/3vcc、ur2=1/3vcc。 当vi12/3vcc，vi21/3vcc时，比较器c1输出低电平，比较器c2输出高电平，基本rs触发器置0，g3输出高

14、电平，放电三极管td导通，定时器输出低电平。 当vi12/3vcc，vi21/3vcc时，比较器c1输出高电平，比较器c2输出高电平，基本rs触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。 当vi12/3vcc，vi21/3vcc时，比较器c1输出低电平，比较器c2输出低电平，基本rs触发器两端都被置1，g3输出低电平，放电三极管td截止，定时器输出高电平。 当vi12/3vcc，vi21/3vcc时，比较器c1输出高电平，比较器c2输出低电平，基本rs触发器置1，g3输出低电平，放电三极管td截止，定时器输出高电平。3.2气敏半导体器件 qm-n5型气敏元件是以金属氧化物sno2为主体

15、材料的n型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。特点：1、 用于可燃性气体的检测（ch4、c4h10、h2等）2、 灵敏度高3、 响应速度快4、 输出信号大5、 寿命长，工作稳定可靠 技术指标： 加热电压（vh） ac或dc 50.2v响应时间(trec)10s回路电压（vc）最大dc 24v恢复时间(trec)30s 负载电阴（rl）2k元件功耗0.7w清洁空气中电阻 （ra） 2000 k检测范围5010000ppm灵敏度（s=ra/rdg）4(在1000ppmc4h10中)使用寿命2年基本测试电路图4使用方法及注意事项1. 元件开始通电工作时,没有接

16、触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决. 2. 加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳. 3. 元件在接触标定气体1000ppmc4h10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(vdg-va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppmc4h1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(vdg-va)差值的80%(即恢复时间). 4. 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. 5. 使用条件:温度-1535;相对湿度4575%rh;大气压力80106kpa 6. 环境温湿度的变化会给元件电

17、阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. 7. 避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网. 8. 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用。3.3热敏电阻ntc是negative temperature coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓ntc热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子

18、和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。ntc热敏电阻器在室温下的变化范围在10o1000000欧姆，温度系数-2%-6.5%。ntc热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。，在实现小型化的同时，还具有电阻值、 温度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，可进行高灵敏度、高精度的 检测。它的测量范围一般为-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200环境中作测温用负温度系数热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1，感温时间可少至10s以下它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深

19、井、高空、冰川等方面的温度测量热敏电阻的主要特点是：灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能强。热敏电阻与温度的特性：图5 电阻-温度特性3.4 开关控制器件3.4.1晶闸管晶闸管是一种大功率半导体器件，也称为可控硅整流元件(scr),是由三个pn结构成的一种大功率半

20、导体器件，既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用，可用微小的功率控制较大的功率。在交直流电动机调速系统、随动系统、变频电源和无触点开关等方面有广泛应用。晶闸管在本设计中作为一种开关元件，顾名思义他的名字里面有一个闸字也就是门，开关的意思，他广泛的应用在各种电路，以及电子设备中。在性能上,晶闸管不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性,它只有导通和关断两种状态。晶闸管的优点很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍;反应极快,在微秒级内开通、关断;无触点运行,无火花、无噪声;效率高,成本低等。因此,特别是在大功率ups供电系统中,晶闸管在整流电路、静态旁路

21、开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用。3.4.2普通晶闸管的结构和工作原理晶闸管是pnpn四层三端器件,共有三个pn结。分析原理时,可以把它看作是由一个pnp管和一个npn管所组成,其等效图解如图。图6 晶闸管等效图当阳极a加上正向电压时，bg1和bg2管均处于放大状态。此时，如果从控制极g输入一个正向触发信号，bg2便有基流ib2流过，经bg2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为bg2的集电极直接与bg1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经bg1放大，于是bg1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。电流又流回到bg2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向

22、馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。3.4.3晶闸管导通和关断条件状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位2、阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位2、阳极电流小于维持电流任一条件即可 (1)晶闸管承受反向阳极电压时,无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。(2)晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。(3)晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。(4)晶闸管在导

23、通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。4 各模块单元电路及工作原理4.11降压、整流、滤波、稳压模块电路此单元由两个电容,整流二极管in4007，稳压二极管，一个电阻组成。先通过整流二极管in4007对其整流，电容c并联在整流电路之后用作滤波电路，滤去整流输出电压中的纹波。然后使用稳压二极管对其进行稳压输出，得到9v的电压。4.12 气体检测模块电路气体检测电路由qm-n5气敏传感器、电阻r1、滑动变阻器w1、二极管组成。当有害气体的浓度很低时，qm-n5的级间（1脚和3脚）导电率低，成高阻态，检测到的电信号小，不能驱动后级电路工作。因此排气扇不转动，当有害气体到达一定

24、的浓度时，qm-n5的级间电阻小，检测到的电信号大，w1调节时，使气敏传感器取值电压最低限制在1v，然后接到后级电路驱动其他单元电路工作，使得排气扇开始转动，达到所需的目的。r1保证qm-n5能够正常的使用。4.13延时单元电路此部分电路由两个电阻r2,两个型号为2ak6的二极管d1、d2，bg1，电容c1组成.根据气敏传感器qm-n5的参数知道，开始通电工作时,虽然没有接触可燃性气体,但其电导率也急剧增加，大概在1分钟后达到稳定,这时方可正常使用。为防止qm-n5在不稳定过程中引起的1、3脚级间电阻下降而产生误报现象，可采取延时电路来处理。此延时电路的延时时间常数由d2、r2、c1决定。刚接

25、通电源时先通过给c1充电来延时，避免受到qm-n5突变电压产生误报的情况。而三极管在此时饱和导通，起到开关作用。4.14 排气扇驱动单元电路电路主体采用双向可控硅控制电机的转动，双向可控硅的三脚接至qm-n5的输出端以检测电信号，当有害气体的浓度到达一定值，得到高电平信号，排气扇开始转动。图7驱动单元电路5 电路的仿真5.1 电路仿真图与仿真效果图图8电路仿真图图9电路仿真现象图当室内有害气体的浓度超过允许值时，qm-n5的阻值迅速减小，b点电位升高，使d2、bg1导通，555则因脚为低电平而置位，由脚输出的高电平使scr导通，换气扇工作。5.2换气扇工作前后对比图 工作前 工作时6 总结此次单片机论文设计使我受益匪浅，通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾、梳理、总结。并充分发挥自己对所学知识的理解和思考能力，在老师讲解原理后，自己动手设计，最终完成了本次论文设计。这为自己今后进一步深化学习，积累了一定宝贵的经验。把知识转化为能力的实际训练。培养了我运用所学知识解决实际问题的能力。通过这次论文设计我发现，