一種帶溫度補(bǔ)償和空氣檢測(cè)的風(fēng)動(dòng)開關(guān)控制器設(shè)計(jì)

摘 要：為了能夠快速便捷地控制靜電場(chǎng)、紫外線等空氣凈化消毒的設(shè)備，設(shè)計(jì)了一款基于STC8A8K64D4單片機(jī)為主控，可以檢測(cè)PM2.5和甲醛并加上風(fēng)動(dòng)檢測(cè)帶溫度補(bǔ)償的風(fēng)動(dòng)開關(guān)控制器。該控制器實(shí)現(xiàn)與中央空調(diào)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到風(fēng)機(jī)開啟時(shí)，自動(dòng)打開空氣凈化消毒設(shè)備，檢測(cè)到?jīng)]風(fēng)的時(shí)候，可自動(dòng)將空氣凈化消毒設(shè)備關(guān)閉，同時(shí)可作為風(fēng)機(jī)的故障檢測(cè)傳感器。

關(guān)鍵詞：溫度補(bǔ)償；風(fēng)動(dòng)開關(guān)；風(fēng)流感應(yīng)

0 引言

為滿足人們對(duì)空氣質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)在的中央空調(diào)都會(huì)配備紫外線、負(fù)離子等凈化空氣和提高空氣質(zhì)量的設(shè)備，為了方便控制這些設(shè)備，一般都是通過一款可以感應(yīng)風(fēng)速或者氣流的控制器來實(shí)現(xiàn)。

本文可廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)風(fēng)管中的各類設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與中央空調(diào)的風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，既可應(yīng)用于空氣凈化系統(tǒng)，也可應(yīng)用于各類風(fēng)機(jī)的故障檢測(cè)傳感控制器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)備功能及設(shè)計(jì)框圖

此產(chǎn)品與空調(diào)配合工作，當(dāng)空調(diào)風(fēng)機(jī)打開時(shí)，風(fēng)動(dòng)傳感器有所感應(yīng)，并開始工作，顯示單元顯示當(dāng)前 PM2.5 值、甲醛數(shù)值和累計(jì)的工作時(shí)間，繼電器輸出 220 V 控制紫外線燈和負(fù)離子燈設(shè)備工作，空調(diào)關(guān)機(jī)后風(fēng)動(dòng)傳感器感應(yīng)到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)也執(zhí)行關(guān)機(jī)操作，斷開繼電器輸出，關(guān)閉顯示，停止計(jì)時(shí)累積工作時(shí)間。

開機(jī)時(shí)光敏傳感器感應(yīng)不到光 , 則為夜間工作狀態(tài)，此顯示單元不顯示，但設(shè)備仍然正常工作；當(dāng)光敏電阻感應(yīng)到光后，顯示單元正常顯示傳感器數(shù)值及累計(jì)使用時(shí)間。

顯示單元顯示傳感器數(shù)據(jù)和累積使用時(shí)長(zhǎng)并使用紅黃綠三色指示燈表示當(dāng)前的污染等級(jí)，具體顯示情況如表 1。

表1 污染等級(jí)

當(dāng)累積使用時(shí)間顯示到 999 時(shí)，指示燈顯示紅色，并閃爍提示清洗濾網(wǎng)，此時(shí)常按復(fù)位按鍵 3S 復(fù)位，累積使用時(shí)間清零，從新開始計(jì)時(shí)，指示燈顯示綠色。

其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。

2.2 系統(tǒng)工作原理及主要功能介紹

PTC 熱敏電阻是一種正溫度系數(shù)具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，當(dāng)超過一定的溫度時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。風(fēng)動(dòng)檢測(cè)就是使用 PTC 電阻的正溫度系數(shù)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)或者氣流的感應(yīng)。首先對(duì) PTC 熱敏電阻進(jìn)行通電，讓 PTC 熱敏電阻發(fā)熱，電阻阻值升高，在有風(fēng)的情況下，風(fēng)帶走熱敏電阻自身的熱量，讓其溫度降低，進(jìn)而自身的阻值就會(huì)變小。通過電阻變化輸出的不同電壓，配合電壓比較器就可以實(shí)現(xiàn)有風(fēng)和無風(fēng)的狀態(tài)輸出，MCU 通過讀取風(fēng)動(dòng)的狀態(tài)，進(jìn)行工作。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源管理電路

電源電路使用 220 V 交流電輸出，采用 DK124 這款離線式開關(guān)電源芯片，最大輸出功率達(dá)到 24 W。該芯片不同于 PWM 控制器和外部分立功率 MOS 組合的解決方案，其內(nèi)部集成了 PWM 控制器、700 V 功率管和初級(jí)峰值電流檢測(cè)電路，并采用了可以省略輔助供電繞組的專利自供電技術(shù)，因此極大地簡(jiǎn)化了外圍應(yīng)用電路，減少了原件數(shù)量，電路尺寸和質(zhì)量。既能滿足設(shè)備對(duì)成本敏感的需求，又可以滿足系統(tǒng)工作的額定功率。電源由 220 V 交流轉(zhuǎn)為 12 V 直流，再通過三端穩(wěn)壓地， 將 12 V 直流轉(zhuǎn)換為 5 V 直流，給 MCU 及傳感器供電，具體電路如圖 2 所示。

圖2 電源管理電路圖

2.2 MCU主控單元電路

TC8A8K64D 是一款不需要外部晶振和外部復(fù)位國(guó)產(chǎn) 8051 內(nèi)核的單片機(jī)，其具有高可靠、高處理速度、寬電壓、強(qiáng)抗靜電能力且價(jià)格優(yōu)惠的特點(diǎn)，內(nèi)部集成了豐富的數(shù)字外設(shè)（串口、定時(shí)器、PCA、增強(qiáng)型 PWM、I2C、SPI）接口于模擬外設(shè)（12 位 15 路的 ADC、比較器），且包含增強(qiáng)型的雙數(shù)據(jù)指針，通過程序控制，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字指針自動(dòng)遞增或者遞減以及兩組數(shù)據(jù)指針自動(dòng)切換的功能，主控單元具體電路如圖 3 所示。

2.3 輸入輸出及傳感器模塊電路

傳感器均使用數(shù)字串口與 MCU 通信，按照預(yù)定通信協(xié)議即可讀取正確的傳感器數(shù)值。

顯示單元使用了 TM1640 芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管和指示燈的顯示，TM1640 是一款 8 段 16 位的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片，僅需要 2 根線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的讀寫，芯片自動(dòng)進(jìn)行數(shù)碼管的刷新操作，節(jié)省了單片機(jī)的 IO，簡(jiǎn)化了程序的控制。

輸出模塊使用一路繼電器，控制 220 V 輸出，繼而控制其他外設(shè)。

光照度輸入模塊，利用了光敏電阻隨光照度的變化使其電阻也發(fā)生變化的特性，通過與電阻分壓，MCU 采集光敏電阻的電壓來確定其電阻，進(jìn)而判斷當(dāng)前的光照度，實(shí)現(xiàn)晝夜的判斷。

風(fēng)動(dòng)輸入模塊，與傳統(tǒng)風(fēng)動(dòng)開關(guān)檢測(cè)電路不同的是，為了應(yīng)對(duì)不同環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)電路電阻等造成的影響，此處通過設(shè)計(jì)加入一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的 NTC 熱敏電阻對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到讓電路在不同環(huán)境溫度下均可穩(wěn)定工作的狀態(tài)。其電路工作原理是，PTC 熱敏電阻與電阻 R13 串聯(lián)，對(duì)輸入的電源 12 V 進(jìn)行分壓，得到一個(gè)被比較電壓 V1, 電阻 R6 與電位器 R14 以及 NTC 電阻 R16 串聯(lián)，對(duì)輸入的電源 12 V 進(jìn)行分壓，得到比較電壓 V2，比較器 U2B 對(duì)電壓 V1、V2 進(jìn)行比較，當(dāng) V1 高于 V2 時(shí)，U2B_OUT 輸出高電平信號(hào)，當(dāng) V1 低于 V2 時(shí)，U2B_OUT 輸出低電平信號(hào)?？梢酝ㄟ^改變電位器 R14 的阻值，調(diào)節(jié) V2 的電壓，進(jìn)而調(diào)整檢測(cè)的靈敏度；當(dāng)上電后，PTC 熱敏電阻通電，PTC 熱敏電阻發(fā)熱，電阻阻值升高，電壓 V1 降低一直達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)。調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 R14，讓電壓 V2 大于電壓 V1，比較器 U2B 輸出低電平。在有風(fēng)的情況下，風(fēng)會(huì)帶走 PTC 熱敏電阻的自身熱量，讓其溫度降低，從而阻值變小，電壓 V1 升高，當(dāng)高于電壓 V2，比較器 U2B 輸出高電平；U2B 輸出后再經(jīng)過 U2A 的遲滯比較器輸出，就可以給 MCU 提供當(dāng)前是否有風(fēng)的信號(hào)。整體電路如圖 4 所示。

圖4 輸入輸出及傳感器電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)備應(yīng)用程序代碼使用 C 語言編寫，程序的編寫遵循模塊化和層次化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)代碼的高內(nèi)聚和低耦合，方便開發(fā)人員后續(xù)的維護(hù)。程序上電后從內(nèi)置 EEPROM 中讀取已累計(jì)運(yùn)行的時(shí)間，當(dāng)讀取到風(fēng)動(dòng)檢測(cè)電路工作時(shí)，如果處于白天，則顯示所有傳感器的數(shù)值和對(duì)應(yīng)的等級(jí)，若是處于黑夜，則不顯示，但是設(shè)備依然正常工作，依舊定時(shí)統(tǒng)計(jì)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；當(dāng)讀取到風(fēng)動(dòng)開關(guān)電路不工作后，就關(guān)閉設(shè)備的輸出，關(guān)閉顯示，并且不再統(tǒng)計(jì)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 5 所示。

4 實(shí)現(xiàn)功能

帶溫度補(bǔ)償和空氣檢測(cè)的風(fēng)動(dòng)開關(guān)控制器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

a）顯示當(dāng)前環(huán)境的 PM2.5、甲醛值和累計(jì)運(yùn)行值，并通過三色 LED 指示其污染等級(jí)；

b）設(shè)備可跟隨空調(diào)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)而工作，隨著空調(diào)風(fēng)機(jī)的關(guān)閉而停止 ; 

c）當(dāng)設(shè)備工作時(shí)，可通過光敏傳感器實(shí)現(xiàn)晝夜不同環(huán)境下顯示單元是否顯示的自動(dòng)切換；

d）當(dāng)設(shè)備累計(jì)使用時(shí)間到達(dá)設(shè)定值時(shí)，可以提示清洗濾網(wǎng)，并可以通過長(zhǎng)按按鍵重置累計(jì)使用時(shí)間。

5 結(jié)束語

該風(fēng)動(dòng)開關(guān)控制器附帶空氣質(zhì)量檢測(cè)功能，還在傳統(tǒng)風(fēng)動(dòng)開關(guān)的基礎(chǔ)上增加溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?，大大增?qiáng)了其穩(wěn)定性和產(chǎn)品適用性，目前已逐步量產(chǎn)并投入市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王堯,李艷,唐梅.基于物聯(lián)網(wǎng)的空氣凈化器設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2019,26(02).

[2] 李明楓,楊家欣等.基于STC8A8K 單片機(jī)的溫室澆灌系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2021,(28).

[3] 劉慕園,楊賓峰.PTC熱敏電阻的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].河南職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2002,(1).

[4] 武晉,鄭杰良,孫宇凱.基于STM32 的PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)儀[J].中國(guó)集成電路,2020,29(Z2).

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)