一種帶溫度補償和空氣檢測的風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制器設計

摘 要：為了能夠快速便捷地控制靜電場(chǎng)、紫外線(xiàn)等空氣凈化消毒的設備，設計了一款基于STC8A8K64D4單片機為主控，可以檢測PM2.5和甲醛并加上風(fēng)動(dòng)檢測帶溫度補償的風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制器。該控制器實(shí)現與中央空調的風(fēng)機進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當檢測到風(fēng)機開(kāi)啟時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)空氣凈化消毒設備，檢測到?jīng)]風(fēng)的時(shí)候，可自動(dòng)將空氣凈化消毒設備關(guān)閉，同時(shí)可作為風(fēng)機的故障檢測傳感器。

關(guān)鍵詞：溫度補償；風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)；風(fēng)流感應

0 引言

為滿(mǎn)足人們對空氣質(zhì)量的高標準要求，現在的中央空調都會(huì )配備紫外線(xiàn)、負離子等凈化空氣和提高空氣質(zhì)量的設備，為了方便控制這些設備，一般都是通過(guò)一款可以感應風(fēng)速或者氣流的控制器來(lái)實(shí)現。

本文可廣泛應用于中央空調風(fēng)管中的各類(lèi)設備，實(shí)現與中央空調的風(fēng)機聯(lián)動(dòng)，既可應用于空氣凈化系統，也可應用于各類(lèi)風(fēng)機的故障檢測傳感控制器。

1 系統總體設計概述

1.1 設備功能及設計框圖

此產(chǎn)品與空調配合工作，當空調風(fēng)機打開(kāi)時(shí)，風(fēng)動(dòng)傳感器有所感應，并開(kāi)始工作，顯示單元顯示當前 PM2.5 值、甲醛數值和累計的工作時(shí)間，繼電器輸出 220 V 控制紫外線(xiàn)燈和負離子燈設備工作，空調關(guān)機后風(fēng)動(dòng)傳感器感應到設備運行狀態(tài)也執行關(guān)機操作，斷開(kāi)繼電器輸出，關(guān)閉顯示，停止計時(shí)累積工作時(shí)間。

開(kāi)機時(shí)光敏傳感器感應不到光 , 則為夜間工作狀態(tài)，此顯示單元不顯示，但設備仍然正常工作；當光敏電阻感應到光后，顯示單元正常顯示傳感器數值及累計使用時(shí)間。

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

表1 污染等級

當累積使用時(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)常按復位按鍵 3S 復位，累積使用時(shí)間清零，從新開(kāi)始計時(shí)，指示燈顯示綠色。

其系統總體設計框圖如圖 1 所示。

2.2 系統工作原理及主要功能介紹

PTC 熱敏電阻是一種正溫度系數具有溫度敏感性的半導體電阻，當超過(guò)一定的溫度時(shí)，它的電阻值隨著(zhù)溫度的升高呈階躍性的增高。風(fēng)動(dòng)檢測就是使用 PTC 電阻的正溫度系數的特點(diǎn)，實(shí)現對風(fēng)或者氣流的感應。首先對 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(guò)電阻變化輸出的不同電壓，配合電壓比較器就可以實(shí)現有風(fēng)和無(wú)風(fēng)的狀態(tài)輸出，MCU 通過(guò)讀取風(fēng)動(dòng)的狀態(tài)，進(jìn)行工作。

2 系統硬件電路設計

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(xiàn)式開(kāi)關(guān)電源芯片，最大輸出功率達到 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，其內部集成了 PWM 控制器、700 V 功率管和初級峰值電流檢測電路，并采用了可以省略輔助供電繞組的專(zhuān)利自供電技術(shù)，因此極大地簡(jiǎn)化了外圍應用電路，減少了原件數量，電路尺寸和質(zhì)量。既能滿(mǎn)足設備對成本敏感的需求，又可以滿(mǎn)足系統工作的額定功率。電源由 220 V 交流轉為 12 V 直流，再通過(guò)三端穩壓地， 將 12 V 直流轉換為 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位國產(chǎn) 8051 內核的單片機，其具有高可靠、高處理速度、寬電壓、強抗靜電能力且價(jià)格優(yōu)惠的特點(diǎn)，內部集成了豐富的數字外設（串口、定時(shí)器、PCA、增強型 PWM、I2C、SPI）接口于模擬外設（12 位 15 路的 ADC、比較器），且包含增強型的雙數據指針，通過(guò)程序控制，可實(shí)現數字指針自動(dòng)遞增或者遞減以及兩組數據指針自動(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

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

顯示單元使用了 TM1640 芯片驅動(dòng)數碼管和指示燈的顯示，TM1640 是一款 8 段 16 位的數碼管驅動(dòng)芯片，僅需要 2 根線(xiàn)就可以實(shí)現對芯片的讀寫(xiě)，芯片自動(dòng)進(jìn)行數碼管的刷新操作，節省了單片機的 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。

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(guò)與電阻分壓，MCU 采集光敏電阻的電壓來(lái)確定其電阻，進(jìn)而判斷當前的光照度，實(shí)現晝夜的判斷。

風(fēng)動(dòng)輸入模塊，與傳統風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)檢測電路不同的是，為了應對不同環(huán)境溫度對檢測電路電阻等造成的影響，此處通過(guò)設計加入一個(gè)負溫度系數的 NTC 熱敏電阻對溫度進(jìn)行補償，以達到讓電路在不同環(huán)境溫度下均可穩定工作的狀態(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)，對輸入的電源 12 V 進(jìn)行分壓，得到比較電壓 V2，比較器 U2B 對電壓 V1、V2 進(jìn)行比較，當 V1 高于 V2 時(shí)，U2B_OUT 輸出高電平信號，當 V1 低于 V2 時(shí)，U2B_OUT 輸出低電平信號?？梢酝ㄟ^(guò)改變電位器 R14 的阻值，調節 V2 的電壓，進(jìn)而調整檢測的靈敏度；當上電后，PTC 熱敏電阻通電，PTC 熱敏電阻發(fā)熱，電阻阻值升高，電壓 V1 降低一直達到一個(gè)穩定點(diǎn)。調節可調電阻 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，當高于電壓 V2，比較器 U2B 輸出高電平；U2B 輸出后再經(jīng)過(guò) U2A 的遲滯比較器輸出，就可以給 MCU 提供當前是否有風(fēng)的信號。整體電路如圖 4 所示。

圖4 輸入輸出及傳感器電路圖

3 系統軟件設計

本設備應用程序代碼使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，程序的編寫(xiě)遵循模塊化和層次化的設計標準，以實(shí)現代碼的高內聚和低耦合，方便開(kāi)發(fā)人員后續的維護。程序上電后從內置 EEPROM 中讀取已累計運行的時(shí)間，當讀取到風(fēng)動(dòng)檢測電路工作時(shí)，如果處于白天，則顯示所有傳感器的數值和對應的等級，若是處于黑夜，則不顯示，但是設備依然正常工作，依舊定時(shí)統計累計運行時(shí)間；當讀取到風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路不工作后，就關(guān)閉設備的輸出，關(guān)閉顯示，并且不再統計累計運行時(shí)間。系統主程序流程圖如圖 5 所示。

4 實(shí)現功能

帶溫度補償和空氣檢測的風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制器主要實(shí)現以下功能：

a）顯示當前環(huán)境的 PM2.5、甲醛值和累計運行值，并通過(guò)三色 LED 指示其污染等級；

b）設備可跟隨空調風(fēng)機的啟動(dòng)而工作，隨著(zhù)空調風(fēng)機的關(guān)閉而停止 ; 

c）當設備工作時(shí)，可通過(guò)光敏傳感器實(shí)現晝夜不同環(huán)境下顯示單元是否顯示的自動(dòng)切換；

d）當設備累計使用時(shí)間到達設定值時(shí)，可以提示清洗濾網(wǎng)，并可以通過(guò)長(cháng)按按鍵重置累計使用時(shí)間。

5 結束語(yǔ)

該風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)控制器附帶空氣質(zhì)量檢測功能，還在傳統風(fēng)動(dòng)開(kāi)關(guān)的基礎上增加溫度補償的功能，大大增強了其穩定性和產(chǎn)品適用性，目前已逐步量產(chǎn)并投入市場(chǎng)。

參考文獻：

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)