智能排气扇设计讲解.docx
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智能排气扇设计讲解.docx
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智能排气扇设计讲解
重庆广播电视大学开放教育学院
《传感器与测试技术》课程论文
班级:
2015春
专业:
机械设计及自动化本科
姓名:
***
学号:
*************
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:
智能排气扇远红外传感器霍尔传感器
Abstract:
TheIntelligentexhaustfanisbaseonSTC12C5A08S2microcontrolunit.Withthehelpoffarinfraredheatsensors,itcandetecttheopeningoftheflameanddeterminetheactionofwaterheater.Byusingtheanti-interferenceability,highaccuracydigitaltemperaturesensorDS18b20andcombinedwithSCRBT136,thisintelligentexhaustfancancontrolspeedwhichisbaseontemperature.Userscangettheinformationoftemperature,humidityandspeedthrough1602screen.Userscanalsocontroltheexhaustfanthroughkeyboard.Thisdesigncandetectivethespeedoftheexhaustfanbyhallelement,sothatitcanwarntheuserwhenthefanworkabnormally.
Keywords:
IntelligentexhaustfaninfraredsensorHallsensor
1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。
2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,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。
2.2微控制器方案
方案一:
高性能单片机ATmega16
方案二:
增强型51单片机STC12C5A08S2
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)。
最终决定采用STC12C5A08S2。
2.3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。
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
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
方案比较:
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。
3单元模块设计
3.1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)工作电压5.5V~3.3V
(3)工作频率范围0~35MHz
(4)8KROM,256RAM
(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
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口第二功能为AD口和ISP下载口P0口自带上拉电阻。
XTAL2
XTAL1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。
3.2DS18B20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。
可选择寄生工作方式。
检测温度范围为–55°C~+125°C(–67°F~+257°F)
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:
3~5V/DC
管脚2为开漏,要接上拉电阻,其与单片机接线如下
3.3MQ-2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
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
H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=5kΩ
3.4DHT11湿度传感器
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,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。
DHT11的供电电压为3-5.5V。
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。
3.53144E开关型霍尔传感器测速
3144E霍尔开关集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。
3.6BT136无级调速电路
上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。
3.7总体电路布线
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、烟雾传感器以及蜂鸣器。
3.8模块连接图
数字信号模拟信号
数字信号数字信号
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。
3.9程序流程图
Y
N
Y
Y
N
4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。
(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:
0~4m(蜡烛)
烟雾传感器有效范围:
0~2m
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:
1000~2500r/min
电机转速的调节范围:
0~+5摄氏度
6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电路实现电气隔离。
一般家用电风扇的无级调速是通过改变连接在晶闸管控制极的电容充放电时间来控制导通角,而本设计采用单片机直接控制导通角,这样不仅能使调速更加精确,而且能充分利用单片机硬件资源。
本设计涉及到弱电对强电的控制,除了做好必要的隔离外,强电产生的干扰必须考虑。
在调试过程中我们遇到这样的问题,当电机打开后,转速测量就会出错,比正常值高出许多。
再三查错后我们发现,由于模块间的连线较长,电机的转动在连接到霍尔传感器的外部中断引脚产生了严重的干扰,产生了额外的计数。
我们通过缩短引线,并接滤波电容,很好地解决这个问题。
首先,我们学会了如何分工合作,如何把程序设计、电路设计、焊接安装和论文设计合理地分配,发挥各人特长。
其次,在实践中我们获取了很多电子设计的经验,尤其增长了对各种传感器的认识。
为了写好传感器的通信协议,为了协调各模块的工作,为了解决各种各样意料之外的问题,我们翻遍了有关书籍,我们付出了很多,但我们收获了很多。
我们知道的可能并不多,可我们有着学习的热诚和精力。
当然,本设计还有很多需要改进的地方。
例如烟雾传感器工作时需要先预热,功耗大、灵敏度低,且不稳定,给程序的编写带来了极大的麻烦。
若改为离子烟雾传感器,则能获得更好的效果。
再如本设计模块间的连接采用杜邦线,线长且乱,容易受干扰而出错,若整个电路由PCB板来制作,则稳定性会大大加强。
附录
参考文献:
《C程序设计》、《MCS—51单片机应用设计》、
《AltiumDesigner实用教程》、《AVR嵌入式系统设计》
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- 智能 排气扇 设计 讲解