基于单片机的温控风扇设计论文Word下载.docx

基于单片机的温控风扇设计论文Word下载.docx

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传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

更能串接多个数字温度传感器DS18B20进行围的温度检测。

本文设计了由ATMEL公司的8052系列单片机AT89C52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，并通过一个达林顿反向驱动器ULN2803驱动风扇电机的转动。

同时使系统检测到得环境温度以与系统预设的温度动态的显示在LED数码管上。

根据系统检测到得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与转速的自动调节。

1.2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AT89C52进行处理，在LED数码管上显示当前环境温度值以与预设温度值。

其中预设温度值只能为整数形式，检测到的当前环境温度可精确到小数点后一位。

同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速。

并通过两个按键改变预设温度值，一个提高预设温度，另一个降低预设温度值。

系统结构框图如下：

图1.1系统构成框图

1.3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启停与改变转速，需要比较高的温度变化分辨率以与稳定可靠的换挡停机控制部件[1]。

1.3.1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、放大以与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。

1.3.2控制核心的选择

在本设计中采用AT89C52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。

AT89C52单片机工作电压低，性能高，片含8k字节的只读程序存储器ROM和256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。

1.3.3温度显示器件的选择

应用动态扫描的方式，采用LED共阴极数码管显示温度。

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。

但是液晶显示模块的元件价格昂贵，显示驱动程序的编写也较复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一。

1.3.4调速方式的选择

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。

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[2]。

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。

在本设计中应用了此方法。

（2）利用定时器。

控制方法与

（1）一样，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。

（3）利用单片机自带的PWM控制器。

在STC12系列单片机中自身带有PWM控制器，但本系统所用到得AT89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。

第二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、五位LED共阴数码管、风扇直流电机、达林顿反向驱动器ULN2803。

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；

工作电压围宽，其围在3.0~5.5V[3]。

DS18B20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。

2.1.2达林顿反向驱动器ULN2803简介

本系统要用单片机控制风扇直流电机，需要加驱动电路，为直流电机提供足够大的驱动电流。

在本系统驱动电路中，选用达林顿反向驱动器ULN2803来驱动风扇直流电机。

ULN2803在使用时接口简单，操作方便，可为电机提供较大的驱动电流，它实际上是一个集成芯片，单块芯片可同时驱动8个电机。

每个电机由单片机的一个I/O口控制，单片机I/O口输出的为5V的TTL信号。

ULN2803由8个NPN达林顿晶体管组装而成，共18个引脚，引脚1~8分别是8路驱动器的输入端，输入信号可直接是TTL或CMOS信号；

引脚11~18分别是8路驱动器的输出端；

引脚9为接地线，引脚10为电源输入。

当输入TTL信号为5V或CMOS信号为6~15V时，输出的最大电压为50V，最大电流为500mA，工作温度围为0~70℃。

本系统选用的电机为12V直流无刷电机，可用ULN2803来驱动。

2.1.3AT89C52单片机简介

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是由ATMEL公司生产的一个低电压、高性能的8位单片机，片器件采用ATMEL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以与256字节的数据存储器RAM，在许多许多较复杂的控制系统中AT89C52单片机得到了广泛的应用。

AT89C52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[4]。

P1口：

P1口是一个部含上拉电阻的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EPROM的低8位地址。

P2口：

P2口为一个部上拉电阻的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