基于STC89C52 单片机的自动换气扇系统设计

乔琳君，魏严锋

（1.西安航空职业技术学院自动化工程学院，陕西西安 710089；2.西北工业大学航空学院，陕西西安 710072）

当人们在安全舒适的环境中生活或工作时，心情愉悦，工作效率高。因此，为改善居室环境，设计基于STC89C52 型单片机的自动换气扇系统。当环境温度过高或存在有害气体时，自动换气扇传感检测单元则接收到信号并通过单片机控制，实现换气扇自动工作，以调节温度或排除有害气体，让人们在安全舒适的环境中生活或工作。烟感自动换气扇可以广泛应用于办公室、卧室、客厅、厨房、浴室等，给人们的身体健康带来很大的益处。

1 系统框架设计

该自动换气扇系统由7 个单元组成，即单片机控制单元、烟雾浓度采集单元、温度采集单元、模数转换单元、参数设置按键单元、继电器电机单元及液晶显示单元。当室内烟雾浓度发生变化引起气敏传感器的阻值发生变化，系统上电后，该阻值变化在电路中会转换为变化的电压信号，经过模数转换后送至单片机识别运算控制，并由LCD 显示器显示烟雾浓度。用户可以对该系统的烟雾浓度情况和温度情况进行设定，如果实际值低于设定值，系统就会自动将风扇关闭。相反，如果高于设定值，系统就会重新启动风扇［1］。通过此方式对室内烟雾浓度进行监测和控制，以达到自动换气的目的。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

2.1 STC89C52单片机

系统采用低功耗、高性能的STC89C52 型单片机为控制器，其内部有8 位中央处理器(CPU)、4k 字节Flash 闪速存储器、128 字节内部RAM、32 个I/O 口、2个16 位定时/计数器、一个5 向量两级中断结构、一个全双工串行通信口、片内振荡器及时钟电路[2-4]。其最小应用系统由单片机、晶振电路和复位电路构成。

2.2 MQ-2型气敏传感器

气敏传感器用来检测气体成分和气体浓度大小，并将浓度大小转换为电阻值大小。此次选用MQ-2 型旁热式气敏传感器[5]，由敏感元件以及转换电路组成。MQ-2 型气敏传感器转换电路如图2 所示。由图可知：它有6 个针状引脚，其中2 和5 引脚用来提供加热电流；1～3 引脚、4～6 引脚用来读取气体浓度，并和电阻R1串联，实现电压转换，此电压经过电压比较器后可以将电压转化为数字量。

系统工作中，当烟雾浓度大小变化时，传感器电阻值发生变化，经转换电路引起输出电压的变化，并将此电压信号输送至数模转换器，以便单片机判别运算。

2.3 DS18B20数字温度传感器

图2 MQ-2气敏传感器转换电路

DS18B20是常用的数字温度传感器，其测温范围为-55～＋125 ℃，固有测温分辨率为0.5 ℃,具有体积小，坚固耐用，封装形式多样，使用方便等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域[6-8]。DS18B20在使用中不需要任何外围元件；接口方式为单线式，一条接口线就能实现微处理器与其双向通讯；另外，DS18B20支持多点组网功能，即多个DS1820 并联在唯一三线上，可实现多点测温。不同温度下DS18B20 所对应的数字量对照表如表1 所示[9]。

表1 部分温度值与DS18B20 输出的数字量对照表

2.4 ADC0832模数转换器

因为气敏传感器采集的气体浓度信息为模拟量，经转换电路后输出电压信号也为模拟量，因此需选用ADC0832 模数转换器将模拟量转换为单片机能够识别的数字量。ADC0832 是8 位分辨率A/D 转换器，其最高分辨可达256 级，能够适应多数的模拟量转换要求[10-12]。其----CS 由单片机P3.7控制,由CH0通道接收来的模拟信号经转换后由DO口送至单片机P3.6口。

2.5 LCD1602液晶显示器

为了实时显示气体浓度和温度，选用LCD1602液晶显示器[13-14]用来显示气体浓度和温度高低，并显示气体浓度和温度的阈值。运行过程中第一行Smoke 显示当前气体浓度，T 显示当前温度；第二行Alarm 显示气体浓度和温度的阈值。液晶显示器的8 位数据端D1～D7 由单片机的P0 口控制，RS、R/W、E 端分别由单片机P2.5～P2.7 控制。

2.6 继电器换风扇单元

该模块由PNP 型三极管和继电器及换气扇组成，单片机P1.7 口控制三极管基极。当系统判断烟雾浓度或温度大于预设值时，经运算P1.7 输出为0，则PNP 型三极管导通，继电器得电，常开触点吸合，换气扇工作。当系统判断烟雾浓度或温度小于预设值时，P2.0 输出为1，则PNP 型三极管截止，继电器失电，常开触点复位，换气扇停止工作。

2.7 其他辅助单元

除以上六大单元外，系统还设置有工作模式选择、参数调节按键单元及灯光指示单元。

3 系统软件设计

当系统上电后进行初始化，同时获取设定烟雾浓度和环境温度，并采集当前气体浓度和温度值。经过A/D 转换后，送到LCD 显示器，显示信息；系统判断当前气体浓度、温度和预设值大小关系，如果小于预设值，表明环境参数正常，绿色指示灯亮；如果高于预设值，红色指示灯亮，并有闪烁报警现象，同时继电器驱动换气扇工作，随着换气扇的运行，环境参数得到改善，即气体浓度和环境温度下降，当下降至预设值以下，继电器断电，换气扇停止作。

将气敏传感器和温度传感器实时环境参数送至单片机进行比较，自动控制换气扇，以达到改善环境的目的。系统流程图如图3 所示。

图3 系统主程序流程图

图4 系统正常工作情况

4 仿真调试

依据主程序流程图在Keil编程，选用Proteus仿真软件[15-16]实现自动换气扇系统的软件仿真调试，按照所设计的方案搭建电路模型，如图4 所示，模型搭建完毕，点击单片机添加程序，打开仿真开关开始调试。

4.1 正常工作情况

系统上电后，采集到烟雾浓度低于设定值20 和温度30 时，D3 绿色指示灯亮，表示环境情况正常。此时继电器不工作，电机不转，换气扇不工作。电路正常工作状态如图4 所示。

4.2 异常工作情况

系统上电后，调节电位器RV1 阻值。当居室烟雾浓度高于设定值20，D2 红色指示灯亮，表示环境情况异常，同时D1 指示灯闪烁报警；继电器得电工作，电机得电旋转，换气扇工作，改善居室空气质量。再次回调电位器RV1，当烟雾浓度低于设定值20 时，换气扇停止工作。工作电路如图5 所示。

图5 气体浓度和环境温度异常情况

同样当系统上电后，调节温度传感器DS18B20。当居室温度高于设定值30，D2 红色指示灯亮，表示环境情况异常，同时D1 指示灯闪烁报警；继电器得电工作，电机旋转，换气扇工作，改善居室空气质量。再次回调DS18B20，当温度低于设定值30 时，换气扇停止工作。

4.3 预设值修改

调试过程中可根据个人对烟雾浓度和温度的敏感度和需求，修改气体浓度和温度报警值。按下设置键，再按增大减小键，可修改报警阈值。

5 结论

通过仿真调试和硬件电路安装调试表明，该自动换气扇系统能够实现环境中气体浓度大小和温度高低的检测识别，自动开启换气扇以改善居住环境。系统性能稳定，工作可靠、灵敏度高、体积小，整体性价比较高，在实际使用中有一定的实用价值。