智能排气扇设计

1、1重庆广播电视大学开放教育学院重庆广播电视大学开放教育学院传感器与测试技术传感器与测试技术课程论文课程论文班级：班级：2015 春春专业：机械设计及自动化本科专业：机械设计及自动化本科 姓名：何金波姓名：何金波学号：学号：15512012000382摘要：摘要：本智能排气扇以 STC12C5A08S2 为核心控制单元，通过远红外传感器探测热水器加热火焰来判定热水的开停。采用抗干扰能力强，精度高的数字温度传感器 DS18b20 感知温度，结合晶闸管 BT136，实现无级调速。系统通过 1602 液晶把温度、湿度，转速等实时信息反馈给使用者。使用者也可通过键盘实现排气扇的本地控制。本设计通过霍尔传

2、感器进行转速的采集，进而实现排气扇卡死等故障的自我检测。关键词：关键词：智能排气扇 远红外传感器 霍尔传感器 Abstract: The Intelligent exhaust fan is base on STC12C5A08S2 micro control unit. With the help of far infrared heat sensors, it can detect the opening of the flame and determine the action of water heater. By using the anti-interference ability

3、, high accuracy digital temperature sensor DS18b20 and combined with SCR BT136, this intelligent exhaust fan can control speed which is base on temperature. Users can get the information of temperature, humidity and speed through 1602 screen. Users can also control the exhaust fan through keyboard.

4、This design can detective the speed of the exhaust fan by hall element, so that it can warn the user when the fan work abnormally.Keywords: Intelligent exhaust fan infrared sensor Hall sensor3目录目录1 前言.42.1 总体系统设计.52.2 微控制器方案.62.3 故障检测方案.62.4 热水开停检测方案.73 单元模块设计.83.1 单片机最小系统设计.83.2DS18B20 测温电路.103.3MQ

5、-2 烟雾传感器.113.4DHT11 湿度传感器.123.5 3144E 开关型霍尔传感器测速.133.6 BT136 无级调速电路.143.7 总体电路布线.153.8 模块连接图.163.9 程序主要流程图.174 调试与仿真.185 系统功能及参数.196 设计总结.2041 1 前言前言随着经济的发展，智能化渐渐步入普通百姓的家。现在市场上的各类智能化产品可谓层出不穷，最常见的有智能电饭煲，智能电冰箱和智能洗衣机等。所谓的智能化，其目的在于增加人与机器的互动，降低功耗，提升效率，尽量达到以人为本的目的。而本小组的作品“智能排气扇”，就是遵循上述目的设计的。对于装有热水器的家庭来说，排

6、气扇可谓必不可少的家电，然而它又却常常被人们所忽略而缺少维护。一把积满灰尘，随时都有可能罢工的排气扇，成了浴室的隐患。有鉴于此，本小组设计了智能排气扇，它能够对扇叶转速实时监控，异常报警，对热水开停检测，自动运行和关闭。它的转速根据浴室温度而定，当有有害气体产生时，它能自动强制排气。有了它，你在浴室里再也没有后顾之忧。52 2 总体方案设计及选择总体方案设计及选择2.1 总体系统设计本排气扇总体系统设计如上图所示，由微控制器为核心，通过检测传感器来判断排气扇的工作状态和获取必要数据，进而控制电机的工作。稳压电源为整个系统提供稳定的低压直流电。排气扇的人机交互由键盘和 LCD 来完成。通过键盘，

7、用户能执行基本的控制，而 LCD 能把温度，湿度，转速等基本信息反馈给用户。微控制器温度测量湿度测量转速测量烟雾检测点火检测稳压电源电机驱动键盘输入LCD 显示6方案一：高性能单片机 ATmega16方案二：增强型 51 单片机 STC12C5A08S22.2 微控制器方案微控制器方案性能要求：（1）较强的抗干扰能力（2）低功耗（3）硬件集成AD 及 PWM(4)较高处理速度（5）成本合理。方案比较：两款单片机均能较好地实行上述要求（详细电气参数请参见附录）但采用 51 内核的 STC12C5A08S2 具有比ATmega16 更稳定的市场来源，更低的成本（前者的约为后者二分之一） 。最终决定

8、采用 STC12C5A08S2。2.3 故障检测方案故障检测方案方案一：在排气扇干路传联互感线圈，把次级线圈输出信号通过整流滤波后经由运放放大，再通过 AD 口检测。方案二：再排气扇扇叶上固定小磁体，通过霍尔传感器检测磁体单位时间内通过固定位置的次数得到转速，与目标转速进行比较进而检测异常。7排气扇故障一般由灰尘堵塞扇叶或内部电子线路造成，其表现通常为扇叶转速异常且流过排气扇电流过大。方案比较：方案一的电子线路设计比较复杂，成本高，且容易受到干扰而发生误动作。相比之下，方案二设计比较简单，不仅能检测到故障，而且获得转速，一举两得。决定采用方案二。2.4 热水开停检测方案热水开停检测方案方案比较

9、：热水器的开关产生的特征物理量主要有打火声音和加热的火焰。若根据声音来进行开停判定，则硬件实现比较困难，而且容易受到噪声干扰而产生误动作。而对火焰的检测则比较容易实现。本设计采用远红外火焰传感器来进行火焰检测，但有由于其容易受到杂光干扰，实际是用要在硬件和程序两方面对其进行抗干扰处理。方案一：通过检测点火声音来检测热水开停方案二：通过检测点火火焰来检测热水开停83 3 单元模块设计单元模块设计3.1 单片机最小系统设计单片机最小系统设计本系统以 STC12C5A08S2 为核心控制单元其管脚与一般的51 兼容，其主要特性如下：（1） 增强型 51 内核，一个机器周期执行一条指令。（2） 工作电

10、压 5.5V3.3V（3） 工作频率范围 035MHz（4） 8K ROM,256 RAM（5） 32 个通用 IO 口，可推免输出，电流达 20ma（6） 支持 ISP，IAP 串口编程方式（7） 集成 EPROOM,看门狗，内部 RC（8） 上电自动复位，掉电检测（9） 6 路外部中断，支持上升沿触发（10） 2 路 8 位 PWM（11） 8 路 10 位 AD 转化9其引脚如上图所示，RXD,TXD 为串口收发端，INT0，INT1为外部触发，WR,RD 分别为外部写选通,外部读选通。P0,P1,P2,P3 为输入输出接口。可设定为四种模式：准双向口,推免,高阻,开漏。P1 口第二功能

11、为 AD 口和 ISP 下载口 P0 口自带上拉电阻。XTAL2XTAL1 为晶振引脚。最小系统电路：C3 与 R1 构成上电复位电路，XTAL1,XTAL2 与晶振相连，频率为 12MHz,C1,C2 为起振电容EA 接正极，以保证对内部 ROM 编程。电源电压为直流 5V。晶振频率为 12MHz。103.2DS18B20 测温电路管脚 1 为电源地，管脚 2 为信号输入，输出接口管脚 3 为电源正。DS18B20 的主要特征： 全数字温度转换及输出。 先进的单总线数据通信。 最高 12 位分辨率，精度可达土 0.5 摄氏度。 12 位分辨率时的最大工作周期为 750 毫秒。 可选择寄生工作

12、方式。 11 检测温度范围为55C +125C (67F +257F) 内置 EEPROM，限温报警功能。 64 位光刻 ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。 多样封装形式，适应不同硬件系统。工作电源: 35V/DC 管脚 2 为开漏，要接上拉电阻，其与单片机接线如下3.3MQ-23.3MQ-2 烟雾传感器烟雾传感器 标准工作条件：符号参数名称技术条件备注 Vc 回路电压15VAC or DC VH加热电压5.0V0.2 VAC or DC RL负载电阻可调 RH加热电阻313室温 PH加热功耗900mW12H 为加热电阻丝引脚。RL 为负载电阻，与 AB 串联，当检查到有害器体时，AB 两

13、端的阻值发生变化，引起电压变化，再经由单片机 AD 口检测。要注意的是，MQ-2 需要一定的预热时间，刚开机时不能马上读取数据，否则会出错。此外，MQ-2 受湿度影响比较大，在浴室使用时必需加上适当的防潮措施。灵敏度特性曲线图温度：20相对湿度：65%、 氧气浓度：21% RL=5k 3.4DHT113.4DHT11 湿度传湿度传感器感器DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。每个 DHT11 传感器都在湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，

14、传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行口，较小的体积、较低的功耗，信号传输距离可达 20 米。13DHT11的供电电压为35.5V。传感器上电后，要等待1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。由于 DHT11 的温度测量只能精确到个位，而实际浴室温度变化比较小，很难通过 DHT11 的变化控制 PWM 的占空比，故本设计只采用 DHT11 的湿度传感器，而温度的测量则交由 DS18B20实现。3.53.5 3144E3144E 开关型霍尔传感器测速开关型霍尔传感器测速3144E 霍尔开关集

15、成电路应用霍尔效应原理，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。其优点有：体积小 . 灵敏度高 . 响应速度快 . 温度性能好 . 精确度高 . 可靠性高 典型应用 . 无触点开关。本设计的转速测量通过霍尔传感器来实现。在扇叶固定一块小磁体，扇叶每转一周，磁体靠近传感器一次，当传感器感应到磁场后，G 脚输出低电平，经由单片机的外部中断捕捉。通过计算两次低电平的时间差，即可得出转速。143.63.6 BT136BT136 无级调速电路无级调速电路上

16、图为排气扇无级调速电路，其主要原理是通过改变排气扇两端交流电的导通角来控制转速。其中整流桥，R3，光耦 U2 构成过零检测电路，当交流电电位下降到发光二极管截止时光电三极管截止，输出一个高电平信号，由单片机外部中断捕捉。R1，R3 为限流电阻，R2 为集电极电阻。Moc3021 为闸管驱动光耦，在这里起隔离作用。3.73.7 总体电路布线总体电路布线15图 1图 2单片机外围电路如上图（1）所示，P2 口连接 1602 液晶显。示 S1 到 S6 为六个独立按钮，用来调节排气扇的转速及关机延时。图（2）所示为各传感器接线电路图，依次分别为温度传感器、霍尔传感器、湿度传感器、远红外火焰传感器、烟

17、雾传感器以及蜂鸣器。3.83.8 模块连接图模块连接图 数字信号数字信号 模拟信号模拟信号 数字信号 数字信号独立键盘BT136 无级调速DHT1 湿度检测MQ-2 烟雾检测霍尔传感器测速DS18B20 测温LCD160 液晶显示 STC12C5A08S2 最小系统开关电源模块远红外火焰传远红外火焰传感器感器16 脉冲信号 数字信号 电源 脉冲信号 排气扇以 STC12C5A08S2 为核心处理各种信号，信号类型有数字信号，模拟信号以及脉冲信号。模拟信号由单片机 AD 读取，脉冲信号由外部中断捕捉。电源模块为单片机及各传感器模块提供稳定低压电源。 3.93.9 程序流程图程序流程图 有火焰否？

18、模块初始化强制排气键盘检测开蜂鸣器延时关机延时传感器检测LCD 显示速度异常否？有烟雾否？开电机开蜂鸣器17Y NY Y N4 4 调试与仿真调试与仿真排气扇调试必须获得的参数有（1） 一米范围的火焰在远红外传感器上产生的电压（2） 太阳光在远红外传感器上产生的电压（3） 开机后烟雾传感器稳定所需要的时间（4） 稳定后无烟雾时烟雾传感器电压（5） 稳定后有烟雾时烟雾传感器电压（6） 电风扇的最大及最小转（7） 风扇转速与导通角的关系调试过程：用蜡烛的火焰代替热水器点火的火焰，用香烟的烟18雾代替浴室的有害器体。通过模拟浴室环境进行试调。数据传感器经由排气扇的液晶显示，为程序的试调提供依据。上图

19、为无级调速电路在 Multisim 输出波形的仿真结果。一图的导通角较大，此时风扇转速较快，二图导通角较小，转速较慢。5 5 系统功能及参数系统功能及参数本排气扇所能实现的功能有：（1）能通过火焰的亮灭检测定点热水的开关（2）能通过湿度的变化检测多点热水的开关。（3）能根据温度控制转速。（4）能通过液晶屏显示温度，湿度，转速信息。（5）检测到有害气体自动排气并由蜂鸣器报警。19（6）当扇叶堵住时蜂鸣器自动报警。（7）用户可通过键盘手动调节转速及关机延时。（8）当一段时间检测不到火焰是能自动延时关机。性能参数：火焰传感器有效范围：04m（蜡烛）烟雾传感器有效范围：02m湿度传感器精确度：5%温度传感器精确度：0.1 摄氏度系统功耗；1.5w电机功率：30W电机转速：10002500r/min电机转速的调节范围：0+5 摄氏度 6 6 设计总结设计总结 本设计所用到的传感器数目及种类比较多，所以传感器的选取非常重要。好的传感器能节省不少调试的时间，增加系统的稳定性。无级调速是本设计电路中较难的部分，因为单片机必须准确地控制排气扇的转速且和强电