一種帶溫度補償和空氣檢測的風動開關控制器設計

摘 要：為了能夠快速便捷地控制靜電場、紫外線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和甲醛并加上風動檢測帶溫度補償的風動開關控制器。該控制器實現與中央空調的風機進行聯動，當檢測到風機開啟時，自動打開空氣凈化消毒設備，檢測到沒風的時候，可自動將空氣凈化消毒設備關閉，同時可作為風機的故障檢測傳感器。

關鍵詞：溫度補償；風動開關；風流感應

0 引言

為滿足人們對空氣質量的高標準要求，現在的中央空調都會配備紫外線、負離子等凈化空氣和提高空氣質量的設備，為了方便控制這些設備，一般都是通過一款可以感應風速或者氣流的控制器來實現。

本文可廣泛應用于中央空調風管中的各類設備，實現與中央空調的風機聯動，既可應用于空氣凈化系統，也可應用于各類風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

此產品與空調配合工作，當空調風機打開時，風動傳感器有所感應，并開始工作，顯示單元顯示當前 PM2.5 值、甲醛數值和累計的工作時間，繼電器輸出 220 V 控制紫外線燈和負離子燈設備工作，空調關機后風動傳感器感應到設備運行狀態也執行關機操作，斷開繼電器輸出，關閉顯示，停止計時累積工作時間。

開機時光敏傳感器感應不到光 , 則為夜間工作狀態，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間。

顯示單元顯示傳感器數據和累積使用時長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

當累積使用時間顯示到 999 時，指示燈顯示紅色，并閃爍提示清洗濾網，此時常按復位按鍵 3S 復位，累積使用時間清零，從新開始計時，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，當超過一定的溫度時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。風動檢測就是使用 PTC 電阻的正溫度系數的特點，實現對風或者氣流的感應。首先對 PTC 熱敏電阻進行通電，讓 PTC 熱敏電阻發熱，電阻阻值升高，在有風的情況下，風帶走熱敏電阻自身的熱量，讓其溫度降低，進而自身的阻值就會變小。通過電阻變化輸出的不同電壓，配合電壓比較器就可以實現有風和無風的狀態輸出，MCU 通過讀取風動的狀態，進行工作。

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 這款離線式開關電源芯片，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利自供電技術，因此極大地簡化了外圍應用電路，減少了原件數量，電路尺寸和質量。既能滿足設備對成本敏感的需求，又可以滿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 8051 內核的單片機，其具有高可靠、高處理速度、寬電壓、強抗靜電能力且價格優惠的特點，內部集成了豐富的數字外設（串口、定時器、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，通過程序控制，可實現數字指針自動遞增或者遞減以及兩組數據指針自動切換的功能，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 芯片驅動數碼管和指示燈的顯示，TM1640 是一款 8 段 16 位的數碼管驅動芯片，僅需要 2 根線就可以實現對芯片的讀寫，芯片自動進行數碼管的刷新操作，節省了單片機的 IO，簡化了程序的控制。

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，進而判斷當前的光照度，實現晝夜的判斷。

風動輸入模塊，與傳統風動開關檢測電路不同的是，為了應對不同環境溫度對檢測電路電阻等造成的影響，此處通過設計加入一個負溫度系數的 NTC 熱敏電阻對溫度進行補償，以達到讓電路在不同環境溫度下均可穩定工作的狀態。其電路工作原理是，PTC 熱敏電阻與電阻 R13 串聯，對輸入的電源 12 V 進行分壓，得到一個被比較電壓 V1, 電阻 R6 與電位器 R14 以及 NTC 電阻 R16 串聯，對輸入的電源 12 V 進行分壓，得到比較電壓 V2，比較器 U2B 對電壓 V1、V2 進行比較，當 V1 高于 V2 時，U2B_OUT 輸出高電平信號，當 V1 低于 V2 時，U2B_OUT 輸出低電平信號。可以通過改變電位器 R14 的阻值，調節 V2 的電壓，進而調整檢測的靈敏度；當上電后，PTC 熱敏電阻通電，PTC 熱敏電阻發熱，電阻阻值升高，電壓 V1 降低一直達到一個穩定點。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。在有風的情況下，風會帶走 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 輸出后再經過 U2A 的遲滯比較器輸出，就可以給 MCU 提供當前是否有風的信號。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 語言編寫，程序的編寫遵循模塊化和層次化的設計標準，以實現代碼的高內聚和低耦合，方便開發人員后續的維護。程序上電后從內置 EEPROM 中讀取已累計運行的時間，當讀取到風動檢測電路工作時，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，依舊定時統計累計運行時間；當讀取到風動開關電路不工作后，就關閉設備的輸出，關閉顯示，并且不再統計累計運行時間。系統主程序流程圖如圖 5 所示。

4 實現功能

帶溫度補償和空氣檢測的風動開關控制器主要實現以下功能：

a）顯示當前環境的 PM2.5、甲醛值和累計運行值，并通過三色 LED 指示其污染等級；

b）設備可跟隨空調風機的啟動而工作，隨著空調風機的關閉而停止 ; 

c）當設備工作時，可通過光敏傳感器實現晝夜不同環境下顯示單元是否顯示的自動切換；

d）當設備累計使用時間到達設定值時，可以提示清洗濾網，并可以通過長按按鍵重置累計使用時間。

5 結束語

該風動開關控制器附帶空氣質量檢測功能，還在傳統風動開關的基礎上增加溫度補償的功能，大大增強了其穩定性和產品適用性，目前已逐步量產并投入市場。

參考文獻：

[1] 王堯,李艷,唐梅.基于物聯網的空氣凈化器設計[J].電子產品世界,2019,26(02).

[2] 李明楓,楊家欣等.基于STC8A8K 單片機的溫室澆灌系統實驗平臺開發[J].科學技術創新,2021,(28).

[3] 劉慕園,楊賓峰.PTC熱敏電阻的特點及應用[J].河南職業技術師范學院學報,2002,(1).

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

(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年11月期)