【正文】 ........................... 25 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 26 附 錄 .................................................................................................................................. 27 附錄 1：電路原理總圖 .................................................................................................... 27 附錄 2：程序代碼 ............................................................................................................ 28 大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第一章 概述 選題背景及意義 現(xiàn)在是一個(gè)知識(shí)爆炸的新時(shí)代。新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮，電子技術(shù)的發(fā)展更是日新月異?？梢院貌豢鋸埖恼f，電子技術(shù)的應(yīng)用無處不在，電子技術(shù)正在不斷地改變我們的生活，改變我們的世界。 在現(xiàn)代社會(huì)中，風(fēng)扇被廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著舉足輕重的作用，如夏天人們用的散熱風(fēng)扇、 工業(yè)生產(chǎn)中大型機(jī)械中的散熱風(fēng)扇以及現(xiàn)在筆記本電腦上廣泛使用的智能 CPU風(fēng)扇等。而隨著 溫度控制技術(shù)的發(fā)展，為了降低風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪音以及節(jié)省能源等，溫控風(fēng)扇越來越受到重視并被廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)階段， 溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一定的成效，可以使風(fēng)扇根據(jù)環(huán)境 溫度的變化進(jìn)行自動(dòng)無級(jí)調(diào)速，當(dāng)溫度升高到一定時(shí)能自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇，當(dāng)溫度降到一定時(shí)能自動(dòng)停止風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能控制 。 隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多用單片機(jī)作控制的溫度控制系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，如基于單片機(jī)的溫控風(fēng)扇系統(tǒng)。它使風(fēng)扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇的智能控制。它的設(shè)計(jì)為現(xiàn)代社會(huì)人們的生活以及生產(chǎn)帶來了諸多便利，在提高人們的生活質(zhì)量、生產(chǎn)效率的同時(shí)還能節(jié)省風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量。 比如在較大功率的電子產(chǎn)品散熱方面，現(xiàn)在絕大多數(shù)都采用了風(fēng)冷系統(tǒng)，利用風(fēng)扇引起空 氣流動(dòng)，帶走熱量，使電子產(chǎn)品不至于發(fā)熱燒壞。要使電子產(chǎn)品保持較低的溫度，必須用大功率、高轉(zhuǎn)速、大風(fēng)量的風(fēng)扇，而風(fēng)扇的噪音與其功率成正比。如果要低噪音，則要減小風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，又會(huì)引起電子設(shè)備溫度上升，不能兩全其美。為解決上述問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了這套溫控自動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)。 研究目標(biāo)和內(nèi)容 這次設(shè)計(jì)的是智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)，是將風(fēng)扇中的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為被控量，由單片機(jī)分析采集到的數(shù)字溫度信號(hào)，采用 PWM 脈寬調(diào)制方式來改變直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到無需人為操作就可以自動(dòng)控制風(fēng)力大小的效果。這次設(shè)計(jì)是以 MC51 單片機(jī)為核心，通 過溫度傳感器對(duì)周圍環(huán)境溫度進(jìn)行采集，從而建立一個(gè)控制系統(tǒng)，使風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速隨著溫度的變化而自動(dòng)換擋，實(shí)現(xiàn) “ 溫度高，風(fēng)力大；溫度低，風(fēng)力小 ” 的性能。另外 ,通過鍵盤控制面板 ,用戶可以在一定范圍內(nèi)設(shè)置電風(fēng)扇的最低工作溫度 ,當(dāng)溫度低于所設(shè)置溫度時(shí) ,電風(fēng)扇將自動(dòng)關(guān)閉 ,當(dāng)高于此溫度時(shí) ,電風(fēng)扇又將重新啟動(dòng)。 大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 第二章 方案論證 本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇直流電機(jī)的溫度控制，使風(fēng)扇電機(jī)能根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動(dòng)啟停及改變轉(zhuǎn)速，需要比較高的溫度變化分辨率以及穩(wěn)定可靠的換擋停機(jī)控制部件 [1]。 本設(shè)計(jì)的整體思路 利用溫度傳感器 DS18B20 檢測(cè)環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給單片機(jī)AT89C52 進(jìn)行處理，在 LED 數(shù)碼管上顯示當(dāng)前環(huán)境溫度值以及預(yù)設(shè)溫度值。其中預(yù)設(shè)溫度值只能為整數(shù)形式，檢測(cè)到的當(dāng)前環(huán)境溫度可精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。同時(shí)采用 PWM脈寬調(diào)制方式來改變直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。并通過兩個(gè)按鍵改變預(yù)設(shè)溫度值，一個(gè)提高預(yù)設(shè)溫度，另一個(gè)降低預(yù)設(shè)溫度值。 溫度傳感器的選 擇 溫度傳感器可由以下幾種方案可供選擇： 方案一：選用熱敏電阻作為感測(cè)溫度的核心元件，通過運(yùn)算放大器放大由于溫度變化引起熱敏電阻的變化、進(jìn)而導(dǎo)致的輸出電壓變化的微弱電壓變化 信號(hào)，再用 AD 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)處理。 方案二：采用熱電偶作為感測(cè)溫度的核心元件，配合橋式電路，運(yùn)算放大電路和AD 轉(zhuǎn)換電路，將溫度變化信號(hào)送入單片機(jī)處理。 方案三：采用數(shù)字式集成溫度傳感器 DS18B20 作為感測(cè)溫度的核心元件，直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)傳送到單片機(jī)處理。 對(duì)于方案一，采用熱敏電阻有價(jià)格便宜、元件易購(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但熱敏電阻對(duì)溫度細(xì)微變化不敏感，在信號(hào)采集、放大、轉(zhuǎn)換過程中還會(huì)產(chǎn)生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的 RT 關(guān)系的非線性，其本身電阻對(duì)溫度的變化存在較大誤差，雖 然可以通過一定的電路予以糾正，但不僅將使電路復(fù)雜，穩(wěn)定性降低，而且在人體所處環(huán)境溫度變化中難以檢測(cè)到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。 對(duì)于方案二，采用熱電偶和橋式測(cè)量電路，相對(duì)于熱敏電阻對(duì)溫度的敏感性和器件的非線性誤差都有較大提高，其測(cè)量范圍也非常寬，從 50 攝氏度到 1600 攝氏度均可測(cè)量。但是依然存在電路復(fù)雜，對(duì)溫度敏感性達(dá)不到本系統(tǒng)要求的標(biāo)準(zhǔn)，故不采用該方案。 對(duì)于方案三， 由于數(shù)字式集成溫度傳感器 DS18B20 的高度集成化，大大降低了外接放大轉(zhuǎn)換電路的誤差因素，溫度誤差很小，并且由于其感測(cè)溫度的原理與 上述兩種方案有著本質(zhì)上的不同，使得其分辨力極高。溫度值在其內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接輸出，簡(jiǎn)化系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，又由于該傳感器采用先進(jìn)的單總線技術(shù)，與單片機(jī)的接口變得非常簡(jiǎn)潔，抗干擾能力強(qiáng)。所以選擇本方案。 控制核心的選擇 方案一：采用電壓比較電路作為控制部件。溫度傳感器采用熱敏電阻或熱電偶等，溫度信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)并放大，由集成運(yùn)放組成的比較電路判決控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，當(dāng)高于或大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 低于某值時(shí)，將風(fēng)扇切換到相應(yīng)的檔位。 方案二：采用單片機(jī)作為控制核心。以軟件編程的方法進(jìn)行溫度判斷，并在端口輸出控制信號(hào)。 對(duì)于方案一， 采用電壓 比較電路，具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，以及無需編寫軟件程序的特點(diǎn)。但控制方式過于單一，不能自由設(shè)置上下限動(dòng)作溫度，無法滿足不同用戶以及不同環(huán)境下的多種動(dòng)作溫度要求，故不在本系統(tǒng)中采用。 對(duì)于方案二， 以單片機(jī)作為控制器，通過編寫程序，不但能將傳感器感測(cè)到的溫度通過顯示電路顯示出來，而且，用戶能通過鍵盤接口，自由設(shè)置上下限動(dòng)作溫度值，滿足全方位的需求。并且通過程序判斷溫度具有極高的準(zhǔn)確度，能精確把握環(huán)境溫度的微小變化。所以本系統(tǒng)采用方案二。 溫度顯示器件的選擇 方案一：應(yīng)用動(dòng)態(tài)掃描的方式，采用 LED 共陰極數(shù)碼 管顯示溫度。 方案二：采用 LCD 液晶顯示屏顯示溫度。 對(duì)于方案一，該方案成本很低，顯示溫度明確醒目，即使在黑暗空間也能清楚看見，功耗極低，同時(shí)溫度顯示程序的編寫也相對(duì)簡(jiǎn)單，因而這種顯示方式得到了廣泛應(yīng)用。但不足的地方是它采用動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式，各個(gè) LED 數(shù)碼管是逐個(gè)點(diǎn)亮的，因此會(huì)產(chǎn)生閃爍，但由于人眼的視覺暫留時(shí)間為 20MS，故當(dāng)數(shù)碼管掃描周期小于這個(gè)時(shí)間時(shí)人眼不會(huì)感覺到閃爍，因此只要描頻率設(shè)置得當(dāng)即可采用該方案。 對(duì)于方案二，液晶顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，其不僅能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形，這是 LED 數(shù)碼管 無法比擬的。但是液晶顯示模塊的元件價(jià)格昂貴，顯示驅(qū)動(dòng)程序的編寫也較復(fù)雜，從簡(jiǎn)單實(shí)用的原則考慮，本系統(tǒng)采用方案一。 鍵盤電路的選擇 方案一：獨(dú)立式鍵盤 ，最簡(jiǎn)單的鍵盤為獨(dú)立式鍵盤，每個(gè)鍵對(duì)應(yīng) I/O 端口的一位，沒有鍵閉合時(shí)， I/O 端口各位均處于高電平。當(dāng)有一個(gè)鍵被按下時(shí)，就使對(duì)應(yīng)位接地成為低電平。而其他位仍為高電平。這樣，只要 CPU 檢測(cè)到 I/O 端口的某一位為 “ 0”， 便可以辨別出對(duì)應(yīng)鍵已經(jīng)被按下。 方案二：矩陣式鍵盤，當(dāng)系統(tǒng)所需按鍵較多時(shí)，為了減少鍵盤電路占用的 I/O 引腳數(shù)目，一般采用矩陣式電路。設(shè)有一個(gè)含 有 mn 個(gè)鍵的鍵盤，如果采用獨(dú)立式的鍵盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要 mn 條引線和 mn 位 I/O 端口。如果采用矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)，便只要m+n 條引線和 m+n 位 I/O 端口就行了。它由行線和列線組成，按鍵設(shè)置在行、列的交叉點(diǎn)上，行、列分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻接到 +5v 上。平時(shí)無按鍵動(dòng)作時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低，則行線電平為低，列線電平如果為高，則行線電平亦為高。這一點(diǎn)是識(shí)別矩陣按鍵是否被按下的關(guān)鍵。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各 按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將互相發(fā)生影響，所以必須大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 將行、列信號(hào)配合起來并做適當(dāng)?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。 對(duì)于方案一， 根據(jù)本 設(shè)計(jì) 所需按鍵個(gè)數(shù)、 I/O 引腳輸出級(jí)電路結(jié)構(gòu)以及可以利用的I/O 引腳數(shù)量，確定鍵盤電路形式。本方案有 2 個(gè)按鍵，又考慮到 I/O 口的數(shù)量，采用方案一。 對(duì)于方案二， I/O 口的數(shù)量較多，適合較復(fù)雜的電路，所以不采用方案二。 調(diào)速方式的選擇 方案一：采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832 來控制，由單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度值輸出相應(yīng)數(shù)字量到 DAC0832 中，再由 DAC0832 產(chǎn) 生相應(yīng)模擬信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而通過無級(jí)調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 方案二：采用單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn) PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速的方法。 PWM 是英文 Pulse Width Modulation 的縮寫，它是按一定的規(guī)律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)節(jié)方式，在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，最常用的是矩形波PWM 信號(hào)，在控制時(shí)需要調(diào)節(jié) PWM 波得到占空比。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比。在控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，轉(zhuǎn)速就越快，若全為高電平，占空比為 100%時(shí)，轉(zhuǎn)速 達(dá)到最大 [2]。用單片機(jī) I/O 口輸出 PWM 信號(hào)時(shí)，有如下三種方法： 1． 利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對(duì) I/O 口電平取反，使其變成低電平，然后再延時(shí)一定時(shí)間；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)時(shí)間到時(shí)，再對(duì)該 I/O 口電平取反，如此循環(huán)即可得到 PWM 信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用了此方法。 2． 利用定時(shí)器?？刂品椒ㄅc 第 1 條所述 相同，只是在該方法中利用單片機(jī)的定時(shí)器來定時(shí)進(jìn)行高低電平的轉(zhuǎn)變，而不是用軟件延時(shí)。應(yīng)用此方法時(shí)編程相對(duì)復(fù)雜。 3． 利用單片機(jī)自帶的 PWM 控制器。在 STC12 系列單片機(jī)中自身帶有 PWM 控制器，但本系統(tǒng)所用到得 AT89 系列單片機(jī)無此功能。 對(duì)于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流風(fēng)扇電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，速度變化靈敏，但是D/A 轉(zhuǎn)換芯片的價(jià)格較高，與其溫控狀態(tài)下無級(jí)調(diào)速功能相比性價(jià)比不高。 對(duì)于方案二，相對(duì)于其他用硬件或者軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速而言，采用 PWM 用純軟件的方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)速過程，具有更大的靈活性，并可大大降低成本，能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的功能，對(duì)于簡(jiǎn)單速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。綜合考慮選用方案二。 大連交通大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第三 章 主要 單元模塊的介紹 系統(tǒng)主要器件包括 DS18B20 溫度傳感器、 AT89C52 單片機(jī)、 五位 LED 共陰數(shù)碼管、風(fēng)扇直流電機(jī)、達(dá)林頓反向驅(qū)動(dòng)器 ULN2803。輔助元件包括電阻電容、晶振、電源、按鍵、 開關(guān)等。 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器簡(jiǎn)介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，是采用美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理。 適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分： 64 位 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警 觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。其管腳有三個(gè)，其中 DQ 為數(shù)字信號(hào)端， GND 為電源地，VDD 為電源輸入端。 DS18B20 溫度傳感器如下圖 31 所示： 圖 31 DS18B20 溫度傳感器 DS18B20 的主要特征：測(cè)量的結(jié)果直接以數(shù)字信號(hào)的形式輸出，以 “ 一線總線 ” 方式串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力；溫度測(cè)量范圍在 55℃ ~+125℃ 之間，在 10℃ ~+85℃ 時(shí)精度為 177?！?；可檢測(cè)溫度分辨率為 9~12位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ ， ℃ ， ℃ 和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫；它單線接口的獨(dú)特性，使它與微處理器連接時(shí)僅需一條端口線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通信；支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，即多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫的功能；工作電壓范圍寬，其范圍在 ~[3]。 DS18B20 的功能