【正文】 ................................................................. 35 智能溫控風扇的設(shè)計 3 1 緒論 引言 生活中，我們經(jīng)常會使用一些與溫度有關(guān)的設(shè)備。比如，現(xiàn)在雖然不少城市家庭用上了空調(diào)，但在占中國大部分人口的農(nóng)村地區(qū)依舊使用電風扇作為降溫防暑設(shè)備，春夏（夏秋）交替時節(jié)，白天溫度依舊很高，電風扇應(yīng)高轉(zhuǎn)速、大風量，使人感到清涼；到了晚上，氣溫降低，當人入睡后，應(yīng)該逐步減小轉(zhuǎn)速，以免使人感冒。雖然電風扇都有調(diào)節(jié)不同檔位的功能，但必須要人手動換檔，睡著了就無能為力了，而普遍采用 的定時器關(guān)閉的做法，一方面是定時時間長短有限制，一般是一兩個小時；另一方面可能在一兩個小時后氣溫依舊沒有降低很多，而風扇就關(guān)閉了，使人在睡夢中熱醒而不得不起床重新打開風扇，增加定時器時間，非常麻煩，而且可能多次定時后最后一次定時時間太長，在溫度降低以后風扇依舊繼續(xù)吹風，使人感冒；第三方面是只有簡單的到了定時時間就關(guān)閉風扇電源的單一功能，不能滿足氣溫變化對風扇風速大小的不同要求。又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)都采用了風冷系統(tǒng)，利用風扇引起空氣流動，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、大風量的風扇，而風扇的噪音與其功率成正比。如果要低噪音，則要減小風扇轉(zhuǎn)速，又會引起電子設(shè)備溫度上升，不能兩全其美。為解決上述問題，我們設(shè)計了這套溫控自動風扇系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用高精度集成溫度傳感器，用單片機控制，能顯示實時溫度，并根據(jù)使用者設(shè)定的溫度自動在相應(yīng)溫度時作出小風、大風、停機動作，精確度高，動作準確。 發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域 當今社會已經(jīng)完全進入了電子信息化， 溫度 控制器在各行各業(yè)中已經(jīng)得到了充分的利用。 具有對溫度進行實時監(jiān)控的功能，以保證工業(yè)儀器，測量工 具，農(nóng)業(yè)種植的正常運作 ，它的最大特點是能 實時監(jiān)控周圍溫度的高低 ，并能同時控制 電機運作來改變溫度 。它的廣泛應(yīng)用和普及給人們的日常生活帶來了方便。 簡易 溫度監(jiān)測控制 器是利用單片機系統(tǒng)來完成的一個小型的控制系統(tǒng)。現(xiàn)階段運用與國內(nèi)大部分家庭，系統(tǒng)效率越來越高，成本也越來越低。其發(fā)展趨勢可以根據(jù)其性質(zhì)進行相應(yīng)的改進可以運用與不同 場合 的 溫度監(jiān)測 控制，并帶來大量的經(jīng)濟效益。 智能溫控風扇的設(shè)計 4 它廣泛應(yīng)用于城市、農(nóng)村、 各種工業(yè)生產(chǎn) ， 在一定情況下 亦適用于太陽能、鍋爐及 對溫度敏感的產(chǎn)業(yè) 的自動控制和 溫度 報警，是實現(xiàn)無人值守的理想產(chǎn)品，市場極為廣闊 ，需求量大。并且使用壽命長，適用范圍廣，安裝極其容易。 智能溫控風扇的設(shè)計 5 2 整體方案的設(shè)計 系統(tǒng)整體設(shè)計 本設(shè)計的整體思路是：利用溫度傳感器 DS18B20 檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機 AT89C52 進行處理，在 LED 數(shù)碼管上顯示當前環(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，檢測到的當前環(huán)境溫度可精確到小數(shù)點后一位。同時采用 PWM 脈寬調(diào)制方式來改變直流風扇電機的轉(zhuǎn)速。并通過兩個按鍵改變預(yù)設(shè)溫度值，一個提高預(yù)設(shè)溫度，另一個降低預(yù)設(shè)溫度值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：如圖21 所示。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 方案論證 本設(shè)計要實現(xiàn)風扇直流電機的溫度控制，使風扇電機能根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動啟停及改變轉(zhuǎn)速，需要比較高的溫度變化分辨率以及穩(wěn)定可靠的換擋停機控制部件。 溫度傳感器的選擇方案 在本設(shè)計中，溫度傳感器的選擇有以下兩種方案： 方案一：采用熱敏電阻作為檢測溫度的核心元件，并通過運算放大器放大，由于熱敏電阻會隨溫度變化而變化，進而產(chǎn)生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 將微弱電壓變化信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單 片機處理。 AT98C52 溫度顯示 DS18B20 復(fù)位開關(guān) PWM 驅(qū)動電路 直 流電動機 智能溫控風扇的設(shè)計 6 方案二：采用數(shù)字式的集成溫度傳感器 DS18B20 作為溫度檢測的核心元件，由其檢測并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機進行處理。 對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價格便宜，元件易購的優(yōu)點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉(zhuǎn)換的過程中還會產(chǎn)生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的 RT 關(guān)系的非線性，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復(fù)雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。 對于方案 二，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)化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變得很小，并且由于其檢測溫度的原理與熱敏電阻檢測的原理有著本質(zhì)的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)化成數(shù)字量直接輸出，簡化了系統(tǒng)程序設(shè)計，又由于該溫度傳感器采用先進的單總線技術(shù)，與單片機的接口變得非常簡潔，抗干擾能力強，因此該方案適用于本系統(tǒng)。 控制核心的選擇 在本設(shè)計中采用 AT89C52 單片機作為控制核心，通過軟件編程的方法進行溫度檢測和判斷，并在其 I/O 口輸出控制信號。 AT89C52 單片機工作電壓低，性能高，片內(nèi)含 8k 字節(jié)的只讀程序存儲器 ROM 和 256 字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器 RAM，它兼容標準的 MCS51 指令系統(tǒng)，單片價格也不貴，適合本設(shè)計系統(tǒng)。 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，溫度信號轉(zhuǎn)為電信號并放大，由集成運放組成的比較電路判決控制風扇轉(zhuǎn)速，當高于或低于某值時將風扇切換到相應(yīng)檔位。 方案二：采用單片機作為控制核心。以軟件編程的方法進行溫度判斷，并在端口輸出控制信號。 對于方案一，采用電壓比較電路具有電路簡單、易于實現(xiàn)，以及無需編寫軟件程序的 特點，但控制方式過于單一，不能自由設(shè)置上下限動作溫度，無法滿足不同用戶以及不同環(huán)境下的多種動作溫度要求，故不在本系統(tǒng)中采用。 對于方案二，以單片機作為控制器，通過編寫程序不但能將傳感器感測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精準度，能精確把握環(huán)境溫度的智能溫控風扇的設(shè)計 7 微小變化。故本系統(tǒng)采用方案二。 顯示電路的選擇 方案一：采用四位共陽數(shù)碼管顯示溫度，動態(tài)掃描顯示方式。 方案二：采用液晶顯示屏 LCD 顯示溫度 對于方案一，該方 案成本低廉，顯示溫度明確醒目，在夜間也能看見，功耗極低，顯示驅(qū)動程序的編寫也相對簡單，這種顯示方式得到廣泛應(yīng)用。不足的地方是掃描顯示方式是使四個 LED 逐個點亮，因此會有閃爍，但是人眼的視覺暫留時間為 20MS，當數(shù)碼管掃描周期小于這個時間時人眼將感覺不到閃爍，因此可以通過增大掃描頻率來消除閃爍感。 對于方案二，液晶體顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，不但能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形的優(yōu)點，這是 LED 數(shù)碼管無法比擬的。但是液晶顯示模塊價格昂貴，驅(qū)動程序復(fù)雜，從簡單實用的原則考慮，本系統(tǒng)采用方案一。 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，由單片機根據(jù)當前環(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)模擬信號控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而通過無級調(diào)速電路實現(xiàn)風扇電機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。 方案二：采用單片機軟件編程實現(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)動控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，最常用的是矩形波 PWM 信號，在控制時需要調(diào)節(jié) PWM 波得占空比。占 空比是指高電平持續(xù)時間在一個周期時間內(nèi)的百分比。在控制電機的轉(zhuǎn)速時，占空比越大，轉(zhuǎn)速就越快，若全為高電平，占空比為 100%時，轉(zhuǎn)速達到最大。用單片機 I/O 口輸出 PWM 信號時，有如下三種方法： (1) 利用軟件延時。當高電平延時時間到時，對 I/O 口電平取反，使其變成低電平，然后再延時一定時間；當?shù)碗娖窖訒r時間到時，再對該 I/O 口電平取反，如此循環(huán)即可得到 PWM 信號。在本設(shè)計中應(yīng)用了此方法。 (2) 利用定時器?？刂品椒ㄅc (1)相同，只是在該方法中利用單片機的定時器來定時進行高低電平的轉(zhuǎn)變，而不是用軟件延時。應(yīng) 用此方法時編程相對復(fù)雜。 智能溫控風扇的設(shè)計 8 (3) 利用單片機自帶的 PWM 控制器。在 STC12 系列單片機中自身帶有 PWM 控制器，但本系統(tǒng)所用到得 AT89 系列單片機無此功能。 對于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對直流風扇電機的無級調(diào)速，速度變化靈敏，但是D/A 轉(zhuǎn)換芯片的價格較高，與其溫控狀態(tài)下無級調(diào)速功能相比性價比不高。 對于方案二，相對于其他用硬件或者軟硬件相結(jié)合的方法實現(xiàn)對電機進行調(diào)速而言，采用 PWM 用純軟件的方法來實現(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)揮單片機的功能，對于簡單速度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種有 效的途徑。綜合考慮選用方案二。 控制執(zhí)行部件的選擇 方案一：采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 AD0832 控制，由單片機根據(jù)當前溫度值送出相應(yīng)數(shù)字量到 AD0832，由 AD0832 產(chǎn)生模擬信號控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而配合無級調(diào)速電路實現(xiàn)溫控時的自動無級風力調(diào)節(jié)。 方案二：采用繼電器，繼電器的接有控制晶閘管導(dǎo)通角的電阻的接入電路與否由單片機控制，根據(jù)當前溫度值在相應(yīng)管腳送出高 /低電平，決定某個繼電器的導(dǎo)通角控制電阻是否接入電路。 對于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)在風扇處于溫控狀態(tài)時也能無級調(diào)速，但是 D/A轉(zhuǎn)換芯片價格較高，與 其溫控狀態(tài)下無級調(diào)速功能相比性價比不高。 對于方案二，雖然在溫控狀態(tài)下只能實現(xiàn)弱 /大風兩級調(diào)速，但采用繼電器價格便宜，控制可靠，且出于在溫控狀態(tài)時無級調(diào)速并不是特別需要的功能，綜合考慮采用方案二。 智能溫控風扇的設(shè)計 9 3 主要原件的介紹 系統(tǒng)主要器件包括 DS18B20 溫度傳感器、 AT89C52 單片機、四位 LED 共陰數(shù)碼管、風扇步進電機。輔助元件包括電阻、電容、晶振、電源、按鍵、開關(guān)等。 溫度傳感器 溫度傳感器的種類和選擇 目前市場上常用的溫度傳感器有 pt100，溫敏電阻， DS18B20 等等。 本次 設(shè)計我們采用 DS18B20， DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器 它具有以下特點： （ 1） 獨立的單線接口，只需一個接口引腳即可通信； （ 2） 多點能力使分布使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化； （ 3） 不需外部元件； （ 4） 可用數(shù)據(jù)線供電，不需要備用電源； （ 5） 測量范圍從 55 攝氏度到 +125 攝氏度，增值量為 攝氏度； （ 6） 以 9 位數(shù)字值方式讀出溫度； （ 7） 在 1 秒（典型值）內(nèi)把溫度變?yōu)閿?shù)字； （ 8） 用戶可定義的，非易失行的溫度警告設(shè)置； （ 9） 告警收索命令識別和尋址溫度在編訂的極限范圍之 外的器件； （ 10） 應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費類產(chǎn)品，溫度計和各種熱敏系統(tǒng)。 DS18B20 的工作原理及其單片機的接口電路 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，主要由 4 部分組成： 64 位 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。其管腳排列如圖 32 所示， DQ 為數(shù)字信號端， GND 為電源地 ， VDD 為電源輸入端。 智能溫控風扇的設(shè)計 10 圖 31 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 32 DS18B20 外形及管腳 由于 DS18B20 只有一根數(shù)據(jù)線。因此它和主機（單片機）通信是需要串行通信，而 AT89S51 有兩個串行端口，所以可以不用軟件來模擬實現(xiàn)。經(jīng)過單線接口訪問DS18B20 必須遵循如下協(xié)議：初始化、 ROM 操作命令、存儲器操作命令和控制操作。要使傳感器工作，一切處理均從序列開始。 主機發(fā)送（ Tx） 復(fù)位脈沖（最短為 480μs 的低電平信號）。接著主機便釋放此線并進入接收方式（ Rx）?？偩€經(jīng)過 的上拉電阻被拉至高電平狀態(tài)。在檢測到I/O 引腳上的上升沿之后， DS18B20 等待 1560μs, 并且接著發(fā)送脈沖（ 60240μs 的 64 位ROM和 單線接口 存儲器和控制器 高速 緩存