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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：1551201200038 2 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
2、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：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-interf
3、erence ability, 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 thro
4、ugh keyboard. 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 sensor 3 目录目录 1 前言4 2.1 总体系统设计5 2.2 微控制器方案6 2.3 故障检测方案6 2.4 热水开停检测方案7 3 单元模块设计.8 3.1 单片机最小系统设计8 3.2D
5、S18B20 测温电路10 3.3MQ-2 烟雾传感器.11 3.4DHT11 湿度传感器.12 3.5 3144E 开关型霍尔传感器测速.13 3.6 BT136 无级调速电路.14 3.7 总体电路布线.15 3.8 模块连接图.16 3.9 程序主要流程图.17 4 调试与仿真18 5 系统功能及参数19 6 设计总结20 4 1 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
6、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。 5 2 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。
7、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。 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 STC12C5A08S2 2.2 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
8、 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
9、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：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 8 3 3 单元模块设计单元模块设计 3.1 单片机
10、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
11、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。 10 3.2DS18B20 测温电路 管脚 1 为电源地，
12、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。 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
13、称技术条件备注 Vc 回路电压 15V AC 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 900mW 12 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=5k 3.4DHT113.4DHT11 湿
14、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，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。 13 DHT11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
15、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
16、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。 14 3.63.6 BT136BT136 无级调速电路无级调速电路 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。 3.73.7 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
