排气扇三根线怎么接

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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：何金波

学号：38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。

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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:TheIntelligentexhaustfanisbaseon

ehelpoffar

infraredheatsensors,itcandetecttheopeningoftheflame

gtheanti-

interferenceability,highaccuracydigitaltemperaturesensor

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DS18b20andcombinedwithSCRBT136,thisintelligent

exhaustfancancontrolspeedwhichisbaseontemperature.

Userscangettheinformationoftemperature,humidityand

analsocontrolthe

signcandetectivethe

speedoftheexhaustfanbyhallelement,sothatitcanwarn

theuserwhenthefanworkabnormally.

Keywords:IntelligentexhaustfaninfraredsensorHall

sensor

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

3.2DS18B20测温电路....................................................................10

3.3MQ-2烟雾传感器.......................................................................11

3.4DHT11湿度传感器....................................................................12

3.53144E开关型霍尔传感器测速............................................12

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3.6BT136无级调速电路...............................................................13

3.7总体电路布线...............................................................................14

3.8模块连接图....................................................................................15

3.9程序主要流程图..........................................................................16

4调试与仿真..............................................................................................17

5系统功能及参数.....................................................................................18

6设计总结...................................................................................................19

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。

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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。

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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

（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

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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：

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（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

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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。XTAL2XTAL1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。

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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

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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

的预热时间，刚开机时不能马上读取数据，否则会出

错。此

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机AD口检测。要注意的是，MQ-2需要一定

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

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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

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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2

图1

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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

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。

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3.9程序流程图

强制排气

延时

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。

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上图为无级调速电路在Multisim输出波形的仿真结果。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

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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

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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》