【正文】 ................................................................. 35 智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì) 3 1 緒論 引言 生活中，我們經(jīng)常會(huì)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(guó)大部分人口的農(nóng)村地區(qū)依舊使用電風(fēng)扇作為降溫防暑設(shè)備，春夏（夏秋）交替時(shí)節(jié)，白天溫度依舊很高，電風(fēng)扇應(yīng)高轉(zhuǎn)速、大風(fēng)量，使人感到清涼；到了晚上，氣溫降低，當(dāng)人入睡后，應(yīng)該逐步減小轉(zhuǎn)速，以免使人感冒。雖然電風(fēng)扇都有調(diào)節(jié)不同檔位的功能，但必須要人手動(dòng)換檔，睡著了就無(wú)能為力了，而普遍采用 的定時(shí)器關(guān)閉的做法，一方面是定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短有限制，一般是一兩個(gè)小時(shí)；另一方面可能在一兩個(gè)小時(shí)后氣溫依舊沒(méi)有降低很多，而風(fēng)扇就關(guān)閉了，使人在睡夢(mèng)中熱醒而不得不起床重新打開(kāi)風(fēng)扇，增加定時(shí)器時(shí)間，非常麻煩，而且可能多次定時(shí)后最后一次定時(shí)時(shí)間太長(zhǎng)，在溫度降低以后風(fēng)扇依舊繼續(xù)吹風(fēng)，使人感冒；第三方面是只有簡(jiǎn)單的到了定時(shí)時(shí)間就關(guān)閉風(fēng)扇電源的單一功能，不能滿足氣溫變化對(duì)風(fēng)扇風(fēng)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(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(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了這套溫控自動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用高精度集成溫度傳感器，用單片機(jī)控制，能顯示實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)使用者設(shè)定的溫度自動(dòng)在相應(yīng)溫度時(shí)作出小風(fēng)、大風(fēng)、停機(jī)動(dòng)作，精確度高，動(dòng)作準(zhǔn)確。 發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用領(lǐng)域 當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)完全進(jìn)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(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，以保證工業(yè)儀器，測(cè)量工 具，農(nóng)業(yè)種植的正常運(yùn)作 ，它的最大特點(diǎn)是能 實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍溫度的高低 ，并能同時(shí)控制 電機(jī)運(yùn)作來(lái)改變溫度 。它的廣泛應(yīng)用和普及給人們的日常生活帶來(lái)了方便。 簡(jiǎn)易 溫度監(jiān)測(cè)控制 器是利用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成的一個(gè)小型的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)階段運(yùn)用與國(guó)內(nèi)大部分家庭，系統(tǒng)效率越來(lái)越高，成本也越來(lái)越低。其發(fā)展趨勢(shì)可以根據(jù)其性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)可以運(yùn)用與不同 場(chǎng)合 的 溫度監(jiān)測(cè) 控制，并帶來(lái)大量的經(jīng)濟(jì)效益。 智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì) 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(yáng)能、鍋爐及 對(duì)溫度敏感的產(chǎn)業(yè) 的自動(dòng)控制和 溫度 報(bào)警，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的理想產(chǎn)品，市場(chǎng)極為廣闊 ，需求量大。并且使用壽命長(zhǎng)，適用范圍廣，安裝極其容易。 智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì) 5 2 整體方案的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的整體思路是：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(lái)改變直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。并通過(guò)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。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(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。 溫度傳感器的選擇方案 在本設(shè)計(jì)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(cè)溫度的核心元件，并通過(guò)運(yùn)算放大器放大，由于熱敏電阻會(huì)隨溫度變化而變化，進(jìn)而產(chǎn)生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號(hào)，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 將微弱電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入單 片機(jī)處理。 AT98C52 溫度顯示 DS18B20 復(fù)位開(kāi)關(guān) PWM 驅(qū)動(dòng)電路 直 流電動(dòng)機(jī) 智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì) 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(cè)的核心元件，由其檢測(cè)并直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給單片機(jī)進(jìn)行處理。 對(duì)于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測(cè)元件，有價(jià)格便宜，元件易購(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但熱敏電阻對(duì)溫度的細(xì)微變化不太敏感，在信號(hào)采集、放大以及轉(zhuǎn)換的過(guò)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，其自身電阻對(duì)溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過(guò)一定電路來(lái)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(guò)程中難以檢測(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，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(cè)溫度的原理與熱敏電阻檢測(cè)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(jiǎn)化了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，又由于該溫度傳感器采用先進(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)，因此該方案適用于本系統(tǒng)。 控制核心的選擇 在本設(shè)計(jì)中采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)軟件編程的方法進(jìn)行溫度檢測(cè)和判斷，并在其 I/O 口輸出控制信號(hào)。 AT89C52 單片機(jī)工作電壓低，性能高，片內(nèi)含 8k 字節(jié)的只讀程序存儲(chǔ)器 ROM 和 256 字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM，它兼容標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令系統(tǒng)，單片價(jià)格也不貴，適合本設(shè)計(jì)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(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)高于或低于某值時(shí)將風(fēng)扇切換到相應(yīng)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(wú)需編寫(xiě)軟件程序的 特點(diǎn)，但控制方式過(guò)于單一，不能自由設(shè)置上下限動(dòng)作溫度，無(wú)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(guò)編寫(xiě)程序不但能將傳感器感測(cè)到的溫度通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)，而且用戶能通過(guò)鍵盤(pán)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(guò)程序判斷溫度具有極高的精準(zhǔn)度，能精確把握環(huán)境溫度的智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì) 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(yáng)數(shù)碼管顯示溫度，動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。 方案二：采用液晶顯示屏 LCD 顯示溫度 對(duì)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(jiàn)，功耗極低，顯示驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)也相對(duì)簡(jiǎn)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(gè) LED 逐個(gè)點(diǎn)亮，因此會(huì)有閃爍，但是人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間為 20MS，當(dāng)數(shù)碼管掃描周期小于這個(gè)時(shí)間時(shí)人眼將感覺(jué)不到閃爍，因此可以通過(guò)增大掃描頻率來(lái)消除閃爍感。 對(duì)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(diǎn)，這是 LED 數(shù)碼管無(wú)法比擬的。但是液晶顯示模塊價(jià)格昂貴，驅(qū)動(dòng)程序復(fù)雜，從簡(jiǎn)單實(shí)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(lái)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(guò)無(wú)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(xiě)，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。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 (1)相同，只是在該方法中利用單片機(jī)的定時(shí)器來(lái)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。 智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì) 8 (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(wú)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(wú)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(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)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。 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(jī)根據(jù)當(dāng)前溫度值送出相應(yīng)數(shù)字量到 AD0832，由 AD0832 產(chǎn)生模擬信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而配合無(wú)級(jí)調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)溫控時(shí)的自動(dòng)無(wú)級(jí)風(fēng)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(jī)控制，根據(jù)當(dāng)前溫度值在相應(yīng)管腳送出高 /低電平，決定某個(gè)繼電器的導(dǎo)通角控制電阻是否接入電路。 對(duì)于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)在風(fēng)扇處于溫控狀態(tài)時(shí)也能無(wú)級(jí)調(diào)速，但是 D/A轉(zhuǎn)換芯片價(jià)格較高，與 其溫控狀態(tài)下無(wú)級(jí)調(diào)速功能相比性價(jià)比不高。 對(duì)于方案二，雖然在溫控狀態(tài)下只能實(shí)現(xiàn)弱 /大風(fēng)兩級(jí)調(diào)速，但采用繼電器價(jià)格便宜，控制可靠，且出于在溫控狀態(tài)時(shí)無(wú)級(jí)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(fēng)扇的設(shè)計(jì) 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(jī)、四位 LED 共陰數(shù)碼管、風(fēng)扇步進(jìn)電機(jī)。輔助元件包括電阻、電容、晶振、電源、按鍵、開(kāi)關(guān)等。 溫度傳感器 溫度傳感器的種類和選擇 目前市場(chǎng)上常用的溫度傳感器有 pt100，溫敏電阻， DS18B20 等等。 本次 設(shè)計(jì)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(diǎn)： （ 1） 獨(dú)立的單線接口，只需一個(gè)接口引腳即可通信； （ 2） 多點(diǎn)能力使分布使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)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(cè)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(shí)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(fèi)類產(chǎn)品，溫度計(jì)和各種熱敏系統(tǒng)。 DS18B20 的工作原理及其單片機(jī)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(bào)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(hào)端， GND 為電源地 ， VDD 為電源輸入端。 智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì) 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(jī)（單片機(jī)）通信是需要串行通信，而 AT89S51 有兩個(gè)串行端口，所以可以不用軟件來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)單線接口訪問(wèn)DS18B20 必須遵循如下協(xié)議：初始化、 ROM 操作命令、存儲(chǔ)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(kāi)始。 主機(jī)發(fā)送（ Tx） 復(fù)位脈沖（最短為 480μs 的低電平信號(hào)）。接著主機(jī)便釋放此線并進(jìn)入接收方式（ Rx）?？偩€經(jīng)過(guò) 的上拉電阻被拉至高電平狀態(tài)。在檢測(cè)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(chǔ)器和控制器 高速 緩存