自动排气扇电气控制系统设计

闫莎莎

【关键词】单片机;排气扇;采集;温度;烟雾

在现代日常生活中，排气扇一般应用于厨房、浴室、工厂等场合排除烟雾。传统排气扇已经逐渐退出市场，人们对自动化的排气扇的需求越来越大。排气扇在人们的日常生活中的作用就是排除室内的对人体有害的气体或臭气，人们也会因呼吸到新鲜空气而感到舒适感[1]。当室内空气发生变化时，自动化的排气扇系统自动启动，室内外的空气开始对流，净化室内空气，使室内空气保持良好的空气质量，让人们在室内呼吸道良好的空气。

自动排气扇相对于传统排气扇的优点体现在自动上，当空气的成分发生变化且超过临界值，自动排气扇开始启动。自动排气扇比传统排气扇先进在可以一直监测空气中成分，从而可以确保人们在室内呼吸道新鲜空气。自动排气扇可以根据室内的空气质量或温度去自行控制排气扇的开启，甚至根据周围环境的变化去自动调节排气扇的转速，这为人们带来了自动化生活的体感，使人民生活更加舒适。传统的排气扇控制多采用机械方式进行，存在需要人为的手动换挡，不能检测空气质量等缺点，随着现代科技的发展，现代生活中消费电子产品都会变得更加人性化、自动化以及智能化。排气扇也从传统排气扇经过更新换代，结合科技力量，逐渐发展成为满足人们生活需求的自动化排气

本系统由单片机最小系统、温度采集模块和烟雾采集模块、液晶显示模块、声光报警模块和继电器驱动模块组成。结构框架如图1所示：

本系统接通电源后，各个模块都会进行初始化，初始化完成后烟雾传感器和温度传感器开始工作采集周围环境的信息，将其传回单片机且实时显示在液晶显示屏上，单片机对采集到的信号进行数据处理，判断是否发出脉冲信号去控制报警电路和驱动负载[2]。在本设计系统中，软件程序会自动设置好相应的温度阈值和烟雾浓度阈值，但是也可以通过按键去调节阈值的大小。当超过阈值时，主控模块发出信号控制报警电路和风扇的启动。

（一）烟雾传感器选型

在日常生活中，家用厨房一般选用天然气作为主要燃气，天然气在燃烧时会产生CO 和 CO2等气体。所以厨房一般会存在CO等有害气体。而MQ-2烟雾传感器对这些气体都能较快地检测到。MQ-2 传感器探测烟雾灵敏高、探测浓度准确，常被用于检测液化气等危险气体，可以通过检测室内的烟雾浓度去判断是否开启风扇。MQ-2气体烟雾传感器的输出为电压值，而单片机接受的是数字信号，所以需要AD转换器进行转换。当检测到的烟雾浓度小于设定值时，单片机会检测到一个高电平。当检测到的烟雾浓度高于设定值时，单片机会检测到一个低电平。

MQ-2型传感器的作用就是检测室内的烟雾浓度，当它检测当前空气成分时，分子间界处的势垒收到此时接收到的空气中的天然气分子变化的信息，从而引起电导率的变化，利用这个特性就可以采集到实时的烟雾浓度情况[3]。

（二）温度传感器选型

因检测对象是室内环境，因此需要体积小且能安稳运行的温度传感器。该设计检测室内温度，会受周围环境和地理条件因素的影响，所以需要抗干扰能力强且能稳定工作的温度传感器。DS18B20是一种单总线数字温度传感器。DS18B20有独特的单线接口方式，没有时钟线[4]。在与单片机连接时，实现了单线接口的方式。其测温范围在-55℃～+125℃之间，固有测温分辨率0.5℃;综上所述，DS18B20芯片适用于本系统。

（三）单片机的最小系统设计

单片机选型为ST89C51，它是一种可靠性高、性价比高、高性能的单片机;系统电路晶振设定为11.0592M，并联电容为3pF，方便电路起振;电源电路：从常用的USB接口获取5V电源[5]。

（四）声光报警电路设计

当室内的烟雾浓度或温度检测值超出预设阈值时，这片机的P1.7口会显示为低电平，三极管被导通，基极电流被放大，蜂鸣器通电发出报警声，直到室内烟雾浓度或温度检测值恢复正常，或手动切断系统的电源解除报警。

采用LED灯来提示温度和烟雾浓度超出阈值，且采用黄色和红色分别显示达到区分的目的。选用LED灯的原因是其体积小、稳定性高、发光纯度高、反应速度快。因此LED是最好的选择。

（五）A/D转换模块设计

本设计采用ADC0809转换器将烟雾传感器采集的信号转换为数字信号。

（六）液晶显示电路设计

本设计的显示电路可选择LED数码管、LCD液晶显示屏、OLED显示屏[6]。单片机人机交流界面要求不用一直刷新，而是保持常亮，且颜色不变。由于本设计需要精致巧妙，操作简单，以达到智能控制目的，而LCD液晶显示屏很薄，不占地方，且操作容易。其画质很高但能耗很小，做到了节能减排。液晶显示模块要求能迅速可靠的反应当前温度和烟雾浓度，准确显示清晰数字和设置阈值。因此采用LCD液晶显示屏。

当单片机接通电源时进入初始化状态，此时温度检测模块和烟雾检测模块开始采集数据，并将数据与预设值进行比较。当超出阈值时会有脉冲信号给报警电路和驱动负载电路。当设置错误时，有相应的复位电路。程序流程如圖2所示。

单片机的最小系统在焊接过程中要求绝不虚焊，使单片机可以正常运行。将单片机最小系统与采购的烟雾传感器、温度传感器、LCD液晶显示屏、报警模块用杜邦线进行连接通电测试。各传感器电源的指示灯亮起、LCD屏亮、报警模块亮光和声音报警，表明连接正确，可进行使用。通过点燃纸张，打火机熄灭后放气等方式，烟雾传感器采集烟雾浓度信息。超出阈值就发出报警，黄灯开始常亮，且风扇开始转动。

本系统完成了控制信号检测模块、主控模块、声光报警和继电器驱动模块的设计以及实物模型制作。液晶显示屏能够实时显示室内的烟雾浓度或温度。声音报警采用蜂鸣器，因为单片机的输出电流不满足驱动蜂鸣器要求，需使用三极管放大电路来控制蜂鸣器。本系统设计能满足日常生活对厨房中自动排气扇的电气控制系统的控制基本要求。