实时风扇散热系统设计.docx
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实时风扇散热系统设计
JIUJIANGUNIVERSITY
毕业论文（设计）
题目实时风扇散热系统设计
英文题目Designofreal-timefancoolingsystem
院系电子工程学院
专业电子信息工程
姓名杨永强
年级二零零八级
指导教师查兵
二零一二年五月
摘要
温控风扇在现代社会中的生产以及人们的日常生活中都有广泛的应用，如工业生产中大型机械散热系统中的风扇、现在笔记本电脑上的广泛应用的智能CPU风扇等。
本文设计了基于单片机的温控风扇系统，采用单片机作为控制器，利用温度传感器DS18B20作为温度采集元件，并根据采集到的温度，通过二个三极管组成的达林顿管驱动风扇电机。
根据检测到的温度与系统设定的温度的比较实现风扇电机的自动启动和停止，并能根温度的变化分自动和手动改变风扇电机的转速，同时用LCD1602显示检测到的温度与风扇的转速。
LCD1602第一行实现了环境温度显示。
LCD1602第二行自动控制时能根据按键的调整显示所需要的温度初始值和风扇转速；手动控制时，显示转速级别和自动调整的转速，两者形成对比，让用户更明智地切换为自动控制还是手动控制。
关键词：
单片机；自动；手动；温控；风扇
TheFormatCriterionofMaster’sDegreePaperofDUT
Abstract
Faninmodernsocietyproductionandpeople'sdailylifehaveawiderangeofapplications,suchasindustrialproductioninlargemechanicalcoolingsystemoffan,nowalaptoponawiderangeofapplicationsinintelligentCPUfan.ThispaperintroducesthedesignofMCUbasedtemperaturecontrolfansystem,byusingasinglechipmicrocomputerascontroller,useoftemperaturesensorDS18B20asatemperatureacquisitioncomponent,andaccordingtothecollectedtemperature,throughthetwothreetransistorcomposedofDarlingtontubedrivingfanmotor.Accordingtothedetectedtemperatureandasettemperaturecomparisonofimplementationsystemoffanmotorforautomaticstartandstop,androottemperaturechangesautomaticallyormanuallychangingthefanmotorspeed,atthesametimeusingLCD1602todisplaythedetectedtemperatureandfanspeed.LCD1602thefirstlinetoachieveenvironmentaltemperaturedisplay.LCD1602secondlineautomaticcontrolaccordingtothebuttontoadjustthedisplaytothedesiredtemperaturetheinitialvalueandthefanspeed;themanualcontrol,displayspeedlevelandautomaticadjustmentofthespeed,bothcontrast,allowsuserstomorejudiciousswitchforautomaticormanualcontrol.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;automatic;manual;temperaturecontrol;fan
引言
在现代社会中，风扇被广泛的应用，发挥着举足轻重的作用，如夏天人们用的散热风扇、工业生产中大型机械中的散热风扇以及现在笔记本电脑上广泛使用的智能CPU风扇等。
而随着温度控制技术的发展，为了降低风扇运转时的噪音以及节省能源等，温控风扇越来越受到重视并被广泛的应用。
在现阶段，温控风扇的设计已经有了一定的成效，可以使风扇根据环境温度的变化进行自动无级调速，当温度升高到一定时能自动启动风扇，当温度降到一定时能自动停止风扇的转动，实现智能控制。
随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制的温度控制系统也应运而生，如基于单片机的温控风扇系统。
它使风扇根据环境温度的变化实现自动启停，使风扇转速随着环境温度的变化而变化，实现了风扇的智能控制。
它的设计为现代社会人们的生活以及生产带来了诸多便利，在提高人们的生活质量、生产效率的同时还能节省风扇运转所需的能量。
本文设计了由宏晶科技生产的STC89C52作为控制器，采用DALLAS公司的温度传感器DS18B20作为温度采集元件，并通过二个三极管组成的达林顿驱动器驱动风扇电机的转动。
同时使系统检测到得环境温度以及系统预设的温度动态的显示在LCD1602上。
根据系统检测到的环境温度与系统预设温度的比较，实现风扇电机的自动启停以及转速的自动调节，另外添加了拓展，人性化控制：
手动控制。
第1章整体方案设计
1.1系统整体设计
本设计的整体思路是：
利用温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出数字温度信号给单片机STC89C52进行处理，在LCD1602显示当前环境温度值以及风速值。
同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速。
并通过两个按键手动改变转速值，一个提高转速，另一个降低转速值。
系统结构框图如下：
图1.1.1系统构成框图
1.2方案论证
本设计要实现风扇直流电机的温度控制，使风扇电机能根据环境温度的变化自动和手动启停及改变转速，需要比较高的温度变化分辨率以及稳定可靠的换挡停机控制部件。
1.2.1温度传感器的选择
在本设计中，温度传感器的选择有以下两种方案：
方案一：
采用热敏电阻作为检测温度的核心元件，并通过运算放大器放大，由于热敏电阻会随温度变化而变化，进而产生输出电压变化的微弱电压变化信号，再经模数转换芯片ADC0809将微弱电压变化信号转化为数字信号输入单片机处理。
方案二：
采用数字式的集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件，由其检测并直接输出数字温度信号给单片机进行处理。
对于方案一，采用热敏电阻作为温度检测元件，有价格便宜，元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不太敏感，在信号采集、放大以及转换的过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其自身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路来修正，但这不仅将使电路变得更加复杂，而且在人体所处环境温度变化过程中难以检测到小的温度变化。
故该方案不适合本系统。
对于方案二，由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。
温度值在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。
1.2.2控制核心的选择
在本设计中采用STC89C52单片机作为控制核心，通过软件编程的方法进行温度检测和判断，并在其I/O口输出控制信号。
STC89C52单片机工作电压低，性能高，片内含8k字节的只读程序存储器ROM和512字节的随机数据存储器RAM，它兼容标准的MCS-51指令系统，单片价格也不贵，适合本设计系统。
1.2.3温度显示器件的选择
方案一：
应用动态扫描的方式，采用LED共阴极数码管显示温度。
方案二：
采用LCD液晶显示屏显示温度。
对于方案一，该方案成本很低，显示温度明确醒目，即使在黑暗空间也能清楚看见，功耗极低，同时温度显示程序的编写也相对简单，因而这种显示方式得到了广泛应用。
但不足的地方是它采用动态扫描的显示方式，各个LED数码管是逐个点亮的，因此会产生闪烁，但由于人眼的视觉暂留时间为20MS，故当数码管扫描周期小于这个时间时人眼不会感觉到闪烁，因此只要描频率设置得当即可采用该方案。
对于方案二，液晶显示屏具有显示字符优美，其不仅能显示数字还能显示字符甚至图形，这是LED数码管无法比拟的。
本系统采用方案二。
1.2.4调速方式的选择
方案一：
采用数模转换芯片DAC0832来控制，由单片机根据当前环境温度值输出相应数字量到DAC0832中，再由DAC0832产生相应模拟信号控制晶闸管的导通角，从而通过无级调速电路实现风扇电机转速的自动调节。
方案二：
采用单片机软件编程实现PWM（脉冲宽度调制）调速的方法。
PWM是英文PulseWidthModulation的缩写，它是按一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调节方式，在PWM驱动控制的调节系统中，最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波得占空比。
占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。
在控制电机的转速时，占空比越大，转速就越快，若全为高电平，占空比为100%时，转速达到最大。
用单片机I/O口输出PWM信号时，有如下三种方法：
（1）利用软件延时。
当高电平延时时间到时，对I/O口电平取反，使其变成低电平，然后再延时一定时间；当低电平延时时间到时，再对该I/O口电平取反，如此循环即可得到PWM信号。
（2）利用定时器。
控制方法与
（1）相同，只是在该方法中利用单片机的定时器来定时进行高低电平的转变，而不是用软件延时。
应用此方法时编程相对复杂。
在本设计中应用了此方法。
（3）利用单片机自带的PWM控制器。
在12系列单片机中自身带有PWM控制器，但本系统所用到得STC89系列单片机无此功能。
对于方案一，该方案能够实现对直流风扇电机的无级调速，速度变化灵敏，但是D/A转换芯片的价格较高，与其温控状态下无级调速功能相比性价比不高。
对于方案二，相对于其他用硬件或者软硬件相结合的方法实现对电机进行调速而言，采用PWM用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，并可大大降低成本，能够充分发挥单片机的功能，对于简单速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。
综合考虑选用方案二。
第2章各单元模块的硬件设计
系统主要器件包括DS18B20温度传感器、AT89C52单片机、LCD1602、风扇直流电机、达林顿驱动。
辅助元件包括电阻电容、晶振、电源、按键、拨码开关等。
2.1系统器件简介
2.1.1DS18B20单线数字温度传感器简介
DS18B20数字温度传感器，是采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。
适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
DS18B20的主要特征：
测量的结果直接以数字信号的形式输出，以“一线总线”方式串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；温度测量范围在-55℃~+125℃之间，在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃；可检测温度分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；它单线接口的独特性，使它与微处理器连接时仅需一条端口线即可实现与微处理器的双向通信；支持多点组网功能，即多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温的功能；工作电压范围宽，其范围在3.0~5.5V。
DS18B20内部结构主要有四部分：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
其管脚有三个，其中DQ为数字信号端，GND为电源地，VDD为电源输入端。
2.1.2LCD1602简介
LCD1602液晶显示模块基本技术：
（1）、主要功能A、40通道点阵LCD驱动;B、可选择当作行驱动或列驱动;C、输入/输出信号:
输出,能产生20×2个LCD驱动波形;输入,接受控制器送出的串行数据和控制信号,偏压（V1∽V6）;D、通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来
（2）引脚和指令功能
表2.1模块引脚功能表
]
符号
名称
功能
1
Vss
接地
0V
2
VDD
电路电源
5V±10%
3
VEE
液晶驱动电压
保证VDD-VEE=4.5∽5V电压差
4
RS
寄存器选择信号
H:
数据寄存器L:
指令寄存器
5
R/W
读/写信号
H:
读 L:
写
6
E
片选信号
下降沿触发,锁存数据
7-14
DB0-DB7
数据线
数据传输
表2.2寄存器选择功能表：
RS
R/W
操 作
0
0
指令寄存器（IR）写入
0
1
忙标志和地址计数器读出
1
0
数据寄存器（DR）写入
1
1
数据寄存器读出
（注:
忙标志为"1"时,表明正在进行内部操作,此时不能输入指令或数据,要等内部操作结束,即忙标志为"0"时。
）
（3）指令功能
格式:
RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
共11种指令:
清除,返回,输入方式设置,显示开关,控制,移位,功能设置,CGRAM地址设
置,DDRAM地址设置,读忙标志,写数据到CG/DDRAM,读数据由CG/DDRAM。
（4）初始化方法
用户所编的显示程序,开始必须进行初始化,否则模块无法正常显示,下面介绍两种初始化方法;
利用内部复位电路进行初始化
下面指令是在初始化过程中执行的。
清屏（DISPLAYCLEAR）;
功能设置（FUNCTIONSET）;
DL=1:
8Bit接口数据;
显示开/关控制（DISPLAYON/OFFCONTROL）
D=0:
显示关;C=0:
光标关;B=0:
消隐关
输入方式设置（ENTRYMODESET）
I/D=1:
（增量）:
S=0:
无移位:
2.1.3STC89C52单片机简介
STC89C52是51系列单片机的一个型号，它是由宏晶公司生产的一个低电压、高性能的8位单片机，片内器件采用宏晶公司的非易失性、高密度存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统兼容，同时片内置有通用8位中央处理器和8k字节的可反复擦写的只读程序存储器ROM以及512字节的数据存储器RAM，在许多许多较复杂的控制系统中STC89C52单片机得到了广泛的应用。
STC89C52有40个引脚，各引脚介绍如下：
VCC：
+5V电源线；GND：
接地线。
P0口：
P0.7~P0.0，这组引脚共8条，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。
这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。
第一种情况是单片机不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7~P0.0用于传送CPU的输入/输出数据，此时它需外接一上拉电阻才能正常工作。
第二种情况是单片机带片外存储器，其各引脚在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P1口：
P1口是一个内部含上拉电阻的8位双向I/O口。
它也可作为通用的I/O口使用，与P0口一样用于传送用户的输入输出数据，所不同的是它片内含上拉电阻而P0口没有，故P0口在做该用途时需外接上拉电阻而P1口则无需。
在FLASH编程和校验时，P1口用于输入片内EPROM的低8位地址。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，它可以作为通用I/O口使用，传送用户的输入/输出数据，同时可与P0口的第二功能配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储单元，但此时不能传送存储器的读写数据。
在一些型号的单片机中，P2口还可以配合P1口传送片内EPROM的12位地址中的高4位地址。
P3口：
P3口引脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平。
它也可作为通用的I/O口使用，传送用户的输入输出数据，P3口也作为一些特殊功能端口使用，如下所示：
P3.0：
RXD（串行数据接收口）
P3.1：
TXD（串行数据发送口）图2.1.1STC89C52单片机
P3.2：
（外部中断0输入）
P3.3：
（外部中断1输入）
P3.4：
T0（记数器0计数输入）
P3.5：
T1（记时器1外部输入）
P3.6：
（外部RAM写选通信号）
P3.7：
（外部RAM读选通信号）
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，
要保持RST脚两个机器周期的高电平状态。
ALE/
：
地址锁存允许/编程线，当访问片外存储器时，在P0.7~P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/
线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7~P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。
在不访问片外存储器时，单片机自动在ALE/
线上输出频率为1/6晶振频率的脉冲序列。
：
外部程序存储器ROM的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/VPP：
允许访问片外存储器/编程电源线，当
保持低电平时，则在此期间允许使用片外程序存储器，不管是否有内部程序存储器。
当
端保持高电平时，则允许使用片内程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1和XTAL2：
片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路。
2.2各部分电路设计
2.2.1开关复位与晶振电路
在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。
单片机上的XTAL1和XTAL2用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路。
本设计中开关复位与晶振电路如下图所示，当按下按键开关S1时，系统复位一次。
其中电容C1、C2为20pF，C3为10uF，电阻R2、R3为10k，晶振为11.0592MHz。
图2.2.1最小系统板
2.2.2独立键盘连接电路
键盘包括2个独立按键S2和S3，一端与单片机的P1.3和P1.4口相连，另一端接地，当按下任一键时，P1口读取低电平有效。
系统上电后，进入键盘扫描子程序，以查询的方式确定各按键，完成温度初值的设定。
其中按键S1为加按键，每按下一次，系统对最初设定值加一，按键S2为减按键，每按下一次，系统对初设定值进行减一计算。
其接线图如下：
图2.2.2独立键盘连接电路
2.2.3LCD1602显示电路
本设计制作中选用LCD1602作为显示模块，它和单片机硬件的接口如图2.2.3所示。
其中LCD1602使能端接法：
/*---------------------------------------------------------
LCD数据、控制口定义
---------------------------------------------------------*/
#defineLCD_DATAP2//LCD的数据口
sbitLCD_BUSY=P2^7;//LCD忙信号位
sbitLCD_RS=P1^1;//LCD寄存器选择
sbitLCD_RW=P1^2;//LCD读写控制
sbitLCD_EN=P1^3;//LCD使能信号*/
图2.2.3LCD1602显示电路
2.2.4温度采集电路
DS18B20数字温度传感器通过其内部计数时钟周期来的作用，实现了特有的温度测量功能。
低温系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数，计数器预先置有与-55℃相对应的一个基权值。
如果计数器计数到0时，高温度系数振荡周期还未结束，则表示测量的温度值高于-55℃，被预置在-55℃的温度寄存器中的值就增加1℃，然后这个过程不断重复，直到高温度系数振荡周期结束为止。
此时温度寄存器中的值即为被测温度值，这个值以16位二进制形式存放在存储器中，通过主机发送存储器读命令可读出此温度值，读取时低位在前，高位在后，依次进行。
由于温度振荡器的抛物线特性的影响，其内用斜率累加器进行补偿。
DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。
只须将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。
在本设计中将DS18B20接在P1.0口实现温度的采集。
其与单片机的连接如图2.2.4。
图2.2.4温度采集电路
2.2.5风扇电机驱动与调速电路
本设计中由单片机的I/O口输出PWM脉冲，通过一个达林顿管驱动12V直流无刷风扇电机以及实现风扇电机速度的调节。
键盘控制设置温度，通过软件向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.4口输出与转速相应的PWM脉冲，经二个9013三极管组成的达林顿管驱动风扇直流电机控制电路，实现电机转速与启停的自动控制。
当环境温度升高时，直流电机的转速会相应按照设定的等级有所提高；当环境温度下降时，电机的转速会相应的下降；当环境温度低于设置温度时，电机停止转动，而环境温度又高于预设温度时，电机重新启动。
电路如图2.2.5所示，风扇电机的一端接12V电源，另一端接达林顿管引脚，引脚与单片机的P1.4引脚相连，通过控制单片机的P1.4引脚输出PWM信号，由此控制风扇直流电机的速度与启停。
图2.2.5风扇电机驱动与调速电路
系统选用的风扇电机为12V直流无刷电机，单达林顿驱动器输入TTL信号为5V，输出的最大电压为12V，最大电流为300mA，工作温度范围为0~70℃。
本系统中单片机I/O口输出的TTL信号为5V，因此此风扇电机可以用由二个9013三极管组成的达林顿管来驱动。
2.2.6拓展功能：
手动Manual与自动Automatic的切换
在实现了本次论文设计的要求外，本次设计增做了一个拓展功能，为了实现个性化调节，为主人人性化的增作了一个手动控制，同时设有手动与自动切换开关，接单片机控制芯片的P3.5，当此开关闭合为自动，同时LCD1602显示为a,当此开关断开为手动，此时LCD11602显示为m。
图2.2.6手动Manual与自动Automatic的切换
第3章软件设计
3
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