基于单片机的智能排风扇系统设计

北方民族大学 魏 鑫



基于单片机的智能排风扇系统设计

北方民族大学 魏 鑫

【摘要】针对现有的排风扇功能单一，处理应急事故能力差等问题，设计了一种基于单片机的智能排风扇系统。该系统可以根据温度和湿度实现自动无级调速，能够检测有毒气体并自动换气。当检测到空气中燃气浓度超标时，进行声光报警，同时排气扇强制排气，及时通风换气，稀释燃气浓度，预防恶性事故的发生。该系统具有功能强大、可靠性好、独立性强等优点。

【关键词】单片机；智能；排风扇；系统

0 引言

随着经济的发展，智能化产品渐渐进入普通百姓的家中。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，提高效率，尽量达到以人为本的目的[1]。而本文提出的“智能排风扇”，就是遵循上述目的设计的。

对于装有燃气热水器的家庭来说，排气扇可谓必不可少的家电[2]，然而由于其功能单一，因而常常被人们所忽略而缺少维护。一台积满灰尘，随时都有可能罢工的排气扇，成了浴室的安全隐患。鉴于此，设计了一种基于单片机的智能排风扇系统，该系统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。排风扇的转速根据浴室温度而定，当有有害气体产生时，系统能自动强制排气。该系统具有广阔的应用和市场前景。

1 系统总体设计方案

如系统框图图1所示，系统以微控制器为核心，通过检测传感器来判断排风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。排风扇的人机交互由键盘和LCD来完成。通过键盘，用户能够实现对排风扇基本的控制，而LCD能把温度、湿度、转速等基本信息反馈给用户。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

系统采用8位的51单片机为微控制器，通过温度、湿度传感器采集室内的温度、湿度等数据，并将其显示在1602液晶显示屏上。由温度传感器来检测热水开停并指示，同时采用烟雾传感器检测室内是否出现有害气体，在出现有害气体时报警提示并强制排气。在紧急情况下可通过按键来控制排风扇的启停。

2.1 微控制器

微控制器采用ATMEL公司的AT89C51单片机，芯片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元[3]。可以很好的控制温度、湿度的监测以及显示和语音报警，同时达到控制排风扇的开关的要求。其丰富的管脚足以满足智能排风扇的要求。

2.2 电源模块

系统中各芯片和传感器的电源供电电压一般为5V左右，电路接470uf的电容进行滤波和储能，用三端稳压器7805进行稳压，稳定输出为5V。

2.3 报警电路

采用蜂鸣器电路，提供报警声音。原理：由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流[4]。三极管的发射极接高电平，扬声器正极接三极管的集电极，负极与地相接，当单片机输出低电平时，三极管导通，扬声器发出生音；反之单片机输出高电平时，三极管不导通，扬声器不发声。

2.4 烟雾检测模块

根据实际需求，选择MQ-2烟雾传感器。加热丝给烟雾传感器加热一定时间后传感器才开始检测烟雾。当烟雾浓度升高时，传感器电导率下降，传感器两端电压升高，输出电压升高[5]，与电压比较器LM393的3管脚电压进行比较，输出低电平，传输给单片机；反之，当烟雾浓度下降时，传感器两端电压降低，经比较器比较后输出高电平，传输给单片机，单片机通过高低电平来控制报警电路和显示。

2.5 温度、湿度检测模块

温湿度传感器使用DHT11，DHT11自动将内部的传感器电压信号转化为数字信号直接输出给单片机[6]，但是，由于DHT11的温度测量只能精确到个位，而实际浴室的温度变化范围比较小，很难通过DHT11的变化控制PWM的占空比，故本设计只用DHT11来测量湿度。温度的测量采用温度传感器DS18B20，测温范围为-55度到125度，在测量范围从-10度到85度时精度为0.5度[7]。

2.6 显示模块电路设计

显示模块采用1602液晶显示，该液晶可以很精确的用字体显示本系统要显示的温度、湿度和转速等数据。

2.7 按键模块

考虑到经济成本，本系统采用按键对特殊情况进行控制。所需按键控制较少，只需用两个独立按键控制排气扇的开闭。

2.8 热水检测模块

采用火焰传感器检测是否有火源。采用直流5V电源供电，当提供火源时，火焰传感器两端电压升高，输出的电压和电压比较器LM393的正管脚电压进行比较，当高于设定的阈值时，DQ输出低电平；反之，当烟雾浓度降低时，未达到阈值时，DQ输出高电平[8]。将输出的DQ的高低电平传输给单片机，单片机通过高低电平来控制相关电路的运行。

2.9 电机驱动模块

如图2所示，L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推娩式功率放大专用集成电路器件，该芯片具有两个TTL/CMOS兼容电平输入，具有良好的抗干扰性[9]，两个输出端能控制电机的正反转，具有较大的电流驱动能力。

图2 电机驱动电路

图3 系统流程图

3 系统软件设计

如图3所示，为系统流程图。首先进行模块的初始化，温度、湿度和烟雾传感器开始工作，进行数据的检测，经单片机处理后将这些数据显示到LCD屏上。当烟雾传感器检测到有烟雾时，蜂鸣器启动进行报警，同时强制排风扇启动进行排气，延时一段时间后再次检测是否有烟雾。如果检测到没有烟雾，再检测热水是否开启，如果热水开启了，那么根据室温调整排风扇转速，延时一段时间后再次检测热水是否开启。如果检测到热水没有开启，那么就根据是否有紧急情况进行处理，此时可以通过按键来控制排风扇的启停。当判定没有紧急情况时，排风扇延时5秒后自动关闭。

3.1 电机调速（PWM）

PWM的占空比决定了输出到电机的平均电压。占空比越大，高电平时间越长，则输出的脉冲幅度越高，即电压越高。通过调节占空比，可以实现调节输出电压的目的，而且输出电压可以无级连续调节[10]。

3.2 排风扇转速检测

使用霍尔传感器，在扇叶上粘上磁铁，每当扇叶上的磁铁扫过霍尔原件时霍尔模块输出端输出低电平[11]，不扫过则输出高电平，通过单位时间内对输出低电平次数的计数来计算风扇的转速。测速主要程序如下所示，通过定时器T1对一分钟内的低电平次数进行计数。速度转换公式为：

v=(TH1*256+TL1)*60/3

其中TH1为定时器1高八位值，TL1为定时器1低八位值。

4 实验验证与分析

用蜡烛的火焰代替热水器点火的火焰，用打火机的烟雾代替浴室的有害气体，通过模拟浴室环境进行试调。传感器测得数据经由排风扇的液晶显示，调试时以实验室内的温湿度数据为程序的试调提供依据。表1为不同温度对应电机电压值测定。

表1 不同温度对应的电机电压值

由表1可知，调压调速是异步电动机调速系统中比较简单的一种。由电机原理，当转差率基本不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电机转速的目的。能满足本系统设计的要求。

5 结论

针对现有的排风扇功能单一，处理应急事故能力差等问题，设计了一种基于单片机的智能排风扇系统。该系统能够通过火焰的亮灭检测固定点热水的开关并指示。热水开启时能根据温度控制风扇转速，并能通过液晶屏显示温度，湿度及转速信息，热水关闭时排气扇根据设定的时间延时停止。当系统检测到有害气体时，强制排风扇排气并由蜂鸣器报警。用户也可通过按键手动控制排风扇的开闭。实验结果表明，该系统具有功能强大、可靠性好、独立性强等优点，能够很好地应用在浴室、厨房等领域。

参考文献

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[2]庞晓辉.燃气热水器节能环保大有可为[J].现代家电,2004(16):20-21.

[3]吴汉清.常用的典型单片机资料[J].无线电,2007: 72-80.

[4]刘颋鹏.利用单片机I/O口直接驱动LCD[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(5):76-77.

[5]王锐,秦建峰.矿用烟雾倍感器检测装置设计和配置[J].煤,2012,21(10):37-38.

[6]倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(6):60-62.

[7]马丽丽,高鑫,贺超兴,等.基于单片机的温度检测系统硬件设计[J].现代仪器,2012,18(3):60-62.

[8]沈苏民.LM339(LM393)电压比较器在电脑控制型电磁灶上的应用[J].家电检修技术,2005(12S):50-51.

[9]陌尘.LG9110电机驱动芯片介绍[J]. 电子制作,2004(11):45-45.

[10]王效华,牛思先.基于单片机PWM控制技术的实现[J].武汉理工大学学报,2010(1):94-98.

[11]黄明,尚群立,余善恩.线性霍尔传感器在直线位移中的应用[J].自动化仪表,2010,31(3):66-68.

魏鑫（1992—），男，河北邢台人，硕士研究生，主要研究方向：物联网技术和嵌入式系统设计。

作者简介：