家用换气扇的自动控制电路设计

家用换气扇的自动控制电路设计

李鲁冰

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摘要

目前科学技术十分发达，生活中所使用的家电也逐渐引入了智能化管理技术，人们可以通过信息化的手段来操作家电，这些都是传统家电无法企及的。如今工业生产技术虽然不断进步，但也给自然环境造成了影响，人们开始对空气质量引起关注，希望通过各种方式来排出室内的烟雾、二氧化碳等等，因此，我们需要设计一款可以自动换气的智能设备，并且能够对室内的氧气浓度进行自动检测，这对于改善人们的生活质量来说，有重要意义。关键词：空气检测 换气扇 STM32单片机 智能家居

一、引言

（一）课题研究背景及意义

本次设计的换气扇能够对室内的有害气体进行检测，包括一氧化碳、甲醛等等，当浓度达到阈值时，就会自动开启换气功能，让室内的控制质量得到改善，需要通过32单片机来控制，人们也可以通过手机来实现远程控制，系统会根据室内的气体浓度启动报警装置，维护人们的居住安全。

二、系统总体设计方案

（一）系统总体设计方案

本次设计的换气扇需要通过单片机来控制，系统内部还需要连接多个功能模块，相互之间协同完成控制需求。首先通过I/O输入相应的程序，既可以通过手动形式打开开关、调节运行参数，也可以自动调节；传感器可以检测空气中各类气体的浓度值，并且把检测得知的信息传递给单片机，提前设置浓度阈值，一旦超过合理区间，系统就会自动开启换气功能，并且启动报警装置。

（二）元器件选型

1.微控制器选型

方案一：通过52单片机来控制整个系统，这种单片机的优势在于操作简洁，今后易于扩展，采购成本较低，但工作时输出的电流十分有限，而且很难直接驱动所有的模块，也不能外接操作模块，电路过于复杂等等，因此，该方案的可行性较低。

方案二：通过32单片机来控制，这种单片机能够对外输出较大的电流值，而且和很多驱动设备都能兼容，对于开发团队来说，这种设备的应用范围更加广泛。

经过上述两个方案的对比，32单片机更加适用于本次的设计方案，可以有效驱动多个设备同时工作。而且单片机中已经自带了底层配置库，可以存储大量的数据，也能及时对这些数据进行控制。

2.空气质量检测模块选型

由于本次设计的换气扇能够实现气体浓度的检测功能，因此，必须在内部添加烟雾传感器，能够检测的气体包括甲醛、一氧化碳、二氧化碳等等。

传感器的型号为MQ-2，对气体的检测范围是300-10000ppm，有较高的灵敏度，并且运行起来稳定性很高，内部的驱动电路易于管理。

气体传感器可以检测空气中的甲醛、二氧化碳等物质，在设备上添加了金属氧化物，能够根据气体变化而发生不同的氧化反应，自带了4个引脚。

一氧化碳对于人体具有严重伤害，因此，我们在换气扇中增加了可以检测一氧化碳浓度的传感器，型号为MQ-7,在运行时会不断开展高温测试和低温测试，能够精准检测一氧化碳的浓度，对于使用液化气的家庭来说十分有必要。

3.换气风扇选型

市场上常见的通风扇分为多个不同的类型，例如隔墙型、软管配气管型、进气口型、全软管型。换气扇内部的旋风分离器也包括不同类型，常见的有离心风扇、轴流风扇、扩散流风扇等等。排气口的类型分为排出、吸入等模式。排风扇会先吸入外部的空气，再通过排气管把室内的空气排出去。为了提高本次的排气、换气需求，选择了导管排气型，导流口呈45度角，可以及时把室内的空气排出，内部的全铜电机能够确保设备长时间在稳定的工作状态中，可以不断带动风轮旋转，也能避免空气出现回流的现象，不仅能提高换气的效率，还能减少设备的功耗。

4.显示模块选型

当换气扇内的传感器检测到室内的空气数据时，需要通过显示屏展示出来，此时就要在系统中添加显示模块，便于操作人员随时检查设备的运行情况，也能够提高设备的人机交互功能。

方案一：通过LED显示屏来扫描数据，这种显示屏的优势在于采购成本较低，但显示的内容十分有限，只能展示数字、少量字符等等。

方案二：通过LCD1602来展示，这种显示屏虽然连接起来较为简单，但由于显示内容十分有限，并且不能展示汉字，并不适用于本次的设计方案，而且结合以往的使用经验来看，这种型号的显示屏还会出现漏光的问题。

方案三：通过OLED显示屏来展示信息，这种型号的显示屏体积较小，而且驱动电路十分简单，可以显示汉字、数字、符号等多种信息。

经过多个方案比对，方案三中提及的显示屏最符合本次的设计需求，且外观较小，不会占用换气扇内过多的地方，显示功能较为完善。

三、系统调试及结果

（一）调试步骤

步骤一：硬件部分的调试

在测试之前，需要先检查内部的电路完整情况，避免在测试前出现电路断联的情况，对每个区域内的模块组件都要检查，确保模块之间的连接状态正常，如果存在电路板损坏、传感器连接不牢固的现象，需要及时纠正，否则有可能影响工作时的数据传输，甚至会导致整个电路被烧坏。

（1）当通电以后，需要等待一段时间，再测试传感器的有效性，因为刚通电时，由于受到峰值电流的影响，有可能会对传感器的工作状态造成误判，检测值超出正常区间。

对通信模块进行测试时，必须提前插入手机卡，有可能会在通电时出现误发短信的问题，由于设备对于信号的感应比较灵敏。

调试蓝牙模块时，应该现在手机上打开蓝牙功能，相当于打通通信串口，和换气扇中的蓝牙模块进行配对，配对成功以后，就能实现远程控制需求。

步骤二：软件部分的调试

系统能够自如运行，自然离不开软件的支持，可以提前在设备中烧录测试代码，可以对所有的模块功能进行检测，确认无误后，对室内的空气质量数据进行收集，为了提高换气扇工作时的稳定性、准确性，需要提前设置阈值，如果气体浓度超出这个阈值，系统就会自动打开开关，回到阈值内时，就能自动关闭开关。

（二）系统室内测试结果

把所有的硬件设备组装完成以后，下载相应的软件程序，随后就进入测试阶段，主要目的是检测换气扇是否能够准确识别空气中的有害气体含量，能够及时打开换气装置。这个步骤对于今后产品能否投入市场来说有着至关重要的作用，也能在此期间发现系统运行时的漏洞，及时维护升级。

软件测试方案：设置测试用例，对产品进行仿真测试，对每个模块的完成情况进行记录和反馈，提高产品的稳定性和可靠性。

经过检测得知，显示屏上可以同时展示气体类型、空气质量标准、系统规定的合理区间等等。一旦气体浓度超过预先设置的阈值，系统就会自动启动报警装置，并且立即打开换气扇，操作人员的手机上也会收到提示短信，操作人员也能通过蓝牙模块随时中断换气扇的工作，经过实验后得知，本次设计的方案是可行的。

四、结论

在设计初期，已经对多种配件的性能进行了比较，选择了最合适的配件进行组装，完成设计工作以后，就要对系统功能进行测试，传感器可以收集空气中有害气体的浓度，自动打开换气扇进行排风，操作人员的手机上可以立即收到短信提示。

参考文献

[1] 丁怡：《自动智能排气扇电气控制系统设计》，《南方农机》2021年第24期。

[2] 赵欢：《基于PLC自动智能换气扇系统的设计》，《科研》2021年第10期。

[3] 朱文川,熊巍：《高山发射机房智能换气扇系统的设计》，《声屏世界》2021年第1期。

[4] 潘阳,胡桃元,熊国华：《热管换热式智能换气扇的设计与研究[C]全国暖通空调制冷学术年会.2020.