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一种带温度补偿和空气检测的风动开关控制器设计

作者:唐 梅1,顾 问2(1. 南京朗驰集团机电有限公司,江苏南京 210001;2. 三江学院电子信息工程学院,江苏南京 210012)时间:2022-11-28来源:电子产品世界收藏

摘 要:为了能够快速便捷地控制静电场、紫外线等空气净化消毒的设备,设计了一款基于STC8A8K64D4单片机为主控,可以检测PM2.5和甲醛并加上风动检测带控制器。该控制器实现与中央空调的风机进行联动,当检测到风机开启时,自动打开空气净化消毒设备,检测到没风的时候,可自动将空气净化消毒设备关闭,同时可作为风机的故障检测传感器。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202211/440978.htm

关键词

0 引言

为满足人们对空气质量的高标准要求,现在的中央空调都会配备紫外线、负离子等净化空气和提高空气质量的设备,为了方便控制这些设备,一般都是通过一款可以感应风速或者气流的控制器来实现。

本文可广泛应用于中央空调风管中的各类设备,实现与中央空调的风机联动,既可应用于空气净化系统,也可应用于各类风机的故障检测传感控制器。

1 系统总体设计概述

1.1 设备功能及设计框图

此产品与空调配合工作,当空调风机打开时,风动传感器有所感应,并开始工作,显示单元显示当前 PM2.5 值、甲醛数值和累计的工作时间,继电器输出 220 V 控制紫外线灯和负离子灯设备工作,空调关机后风动传感器感应到设备运行状态也执行关机操作,断开继电器输出,关闭显示,停止计时累积工作时间。

开机时光敏传感器感应不到光 , 则为夜间工作状态,此显示单元不显示,但设备仍然正常工作;当光敏电阻感应到光后,显示单元正常显示传感器数值及累计使用时间。

显示单元显示传感器数据和累积使用时长并使用红黄绿三色指示灯表示当前的污染等级,具体显示情况如表 1。

表1 污染等级

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当累积使用时间显示到 999 时,指示灯显示红色,并闪烁提示清洗滤网,此时常按复位按键 3S 复位,累积使用时间清零,从新开始计时,指示灯显示绿色。

其系统总体设计框图如图 1 所示。

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2.2 系统工作原理及主要功能介绍

PTC 热敏电阻是一种正温度系数具有温度敏感性的半导体电阻,当超过一定的温度时,它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。风动检测就是使用 PTC 电阻的正温度系数的特点,实现对风或者气流的感应。首先对 PTC 热敏电阻进行通电,让 PTC 热敏电阻发热,电阻阻值升高,在有风的情况下,风带走热敏电阻自身的热量,让其温度降低,进而自身的阻值就会变小。通过电阻变化输出的不同电压,配合电压比较器就可以实现有风和无风的状态输出,MCU 通过读取风动的状态,进行工作。

2 系统硬件电路设计

2.1 电源管理电路

电源电路使用 220 V 交流电输出,采用 DK124 这款离线式开关电源芯片,最大输出功率达到 24 W。该芯片不同于 PWM 控制器和外部分立功率 MOS 组合的解决方案,其内部集成了 PWM 控制器、700 V 功率管和初级峰值电流检测电路,并采用了可以省略辅助供电绕组的专利自供电技术,因此极大地简化了外围应用电路,减少了原件数量,电路尺寸和质量。既能满足设备对成本敏感的需求,又可以满足系统工作的额定功率。电源由 220 V 交流转为 12 V 直流,再通过三端稳压地, 将 12 V 直流转换为 5 V 直流,给 MCU 及传感器供电,具体电路如图 2 所示。image.png

图2 电源管理电路图

2.2 MCU主控单元电路

TC8A8K64D 是一款不需要外部晶振和外部复位国产 8051 内核的单片机,其具有高可靠、高处理速度、宽电压、强抗静电能力且价格优惠的特点,内部集成了丰富的数字外设(串口、定时器、PCA、增强型 PWM、I2C、SPI)接口于模拟外设(12 位 15 路的 ADC、比较器),且包含增强型的双数据指针,通过程序控制,可实现数字指针自动递增或者递减以及两组数据指针自动切换的功能,主控单元具体电路如图 3 所示。

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2.3 输入输出及传感器模块电路

传感器均使用数字串口与 MCU 通信,按照预定通信协议即可读取正确的传感器数值。

显示单元使用了 TM1640 芯片驱动数码管和指示灯的显示,TM1640 是一款 8 段 16 位的数码管驱动芯片,仅需要 2 根线就可以实现对芯片的读写,芯片自动进行数码管的刷新操作,节省了单片机的 IO,简化了程序的控制。

输出模块使用一路继电器,控制 220 V 输出,继而控制其他外设。

光照度输入模块,利用了光敏电阻随光照度的变化使其电阻也发生变化的特性,通过与电阻分压,MCU 采集光敏电阻的电压来确定其电阻,进而判断当前的光照度,实现昼夜的判断。

风动输入模块,与传统检测电路不同的是,为了应对不同环境温度对检测电路电阻等造成的影响,此处通过设计加入一个负温度系数的 NTC 热敏电阻对温度进行补偿,以达到让电路在不同环境温度下均可稳定工作的状态。其电路工作原理是,PTC 热敏电阻与电阻 R13 串联,对输入的电源 12 V 进行分压,得到一个被比较电压 V1, 电阻 R6 与电位器 R14 以及 NTC 电阻 R16 串联,对输入的电源 12 V 进行分压,得到比较电压 V2,比较器 U2B 对电压 V1、V2 进行比较,当 V1 高于 V2 时,U2B_OUT 输出高电平信号,当 V1 低于 V2 时,U2B_OUT 输出低电平信号。可以通过改变电位器 R14 的阻值,调节 V2 的电压,进而调整检测的灵敏度;当上电后,PTC 热敏电阻通电,PTC 热敏电阻发热,电阻阻值升高,电压 V1 降低一直达到一个稳定点。调节可调电阻 R14,让电压 V2 大于电压 V1,比较器 U2B 输出低电平。在有风的情况下,风会带走 PTC 热敏电阻的自身热量,让其温度降低,从而阻值变小,电压 V1 升高,当高于电压 V2,比较器 U2B 输出高电平;U2B 输出后再经过 U2A 的迟滞比较器输出,就可以给 MCU 提供当前是否有风的信号。整体电路如图 4 所示。

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图4 输入输出及传感器电路图

3 系统软件设计

本设备应用程序代码使用 C 语言编写,程序的编写遵循模块化和层次化的设计标准,以实现代码的高内聚和低耦合,方便开发人员后续的维护。程序上电后从内置 EEPROM 中读取已累计运行的时间,当读取到风动检测电路工作时,如果处于白天,则显示所有传感器的数值和对应的等级,若是处于黑夜,则不显示,但是设备依然正常工作,依旧定时统计累计运行时间;当读取到风动开关电路不工作后,就关闭设备的输出,关闭显示,并且不再统计累计运行时间。系统主程序流程图如图 5 所示。

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4 实现功能

和空气检测的风动开关控制器主要实现以下功能:

a)显示当前环境的 PM2.5、甲醛值和累计运行值,并通过三色 LED 指示其污染等级;

b)设备可跟随空调风机的启动而工作,随着空调风机的关闭而停止 ; 

c)当设备工作时,可通过光敏传感器实现昼夜不同环境下显示单元是否显示的自动切换;

d)当设备累计使用时间到达设定值时,可以提示清洗滤网,并可以通过长按按键重置累计使用时间。

5 结束语

该风动开关控制器附带空气质量检测功能,还在传统风动开关的基础上增加温度补偿的功能,大大增强了其稳定性和产品适用性,目前已逐步量产并投入市场。

参考文献:

[1] 王尧,李艳,唐梅.基于物联网的空气净化器设计[J].电子产品世界,2019,26(02).

[2] 李明枫,杨家欣等.基于STC8A8K 单片机的温室浇灌系统实验平台开发[J].科学技术创新,2021,(28).

[3] 刘慕园,杨宾峰.PTC热敏电阻的特点及应用[J].河南职业技术师范学院学报,2002,(1).

[4] 武晋,郑杰良,孙宇凯.基于STM32 的PM2.5空气质量检测仪[J].中国集成电路,2020,29(Z2).

(注:本文转载自《电子产品世界》杂志2022年11月期)



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