【文章內(nèi)容簡介】 度的變化自動改變風扇電機的轉(zhuǎn)速 ，同時用 LED 八段數(shù)碼管顯示檢測到的溫度與設定的溫度。 關鍵詞 ： 單片機、 DS18B溫控、風扇 第 1 頁 1 第一章 整體方案設計 前 言 在現(xiàn)代社會中，風扇被廣泛的應用，發(fā)揮著舉足輕重的作用，如夏天人們用的散熱風扇、 工業(yè)生產(chǎn)中大型機械中的散熱風扇以及現(xiàn)在筆記本電腦上廣泛使用的智能 CPU風扇等。而隨著 溫度控制技術(shù)的發(fā)展，為了降低風扇運轉(zhuǎn)時的噪音以及節(jié)省能源等，溫控風扇越來越受到重視并被廣泛的應用。在現(xiàn)階段， 溫控 風扇的設計已經(jīng)有了一定的成效，可以使風扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化進行自動無級調(diào)速，當溫度升高到一定時能自動啟動風扇，當溫度降到一定時能自動停止風扇的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)智能控制 。 隨著單片機在各個領域的廣泛應用，許多用單片機作控制的溫度控制系統(tǒng)也應運而生，如基于單片機的溫控風扇系統(tǒng)。它使風扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化實現(xiàn)自動啟停，使風扇轉(zhuǎn)速隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實現(xiàn)了風扇的智能控制。它的設計為現(xiàn)代社會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)效率的同時還能節(jié)省風扇運轉(zhuǎn)所需的能量。 本文設計了由 ATMEL公司的 8052系列單片機 AT89C52作為控制器，采用 DALLAS公司的溫度傳感器 DS18B20 作為溫度采集元件，并通過 一個達林頓反向驅(qū)動器ULN2803 驅(qū)動風扇 電機的轉(zhuǎn)動。同時使系統(tǒng)檢測到得環(huán)境溫度以及系統(tǒng)預設的溫度動態(tài)的顯示在 LED 數(shù)碼管上。根據(jù)系統(tǒng)檢測到得環(huán)境溫度與系統(tǒng)預設溫度的比較，實現(xiàn)風扇電機的自動啟停以及轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)整體設計 本設計的整體思路是：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)境溫度值以及預設溫度 值。其中預設溫度值只能為整數(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設溫度值，一個提高預設溫度，另一個降低預設溫度值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下： 第 2 頁 2 圖 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 方案論證 本設計要實現(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 [1]。 溫度傳感器的選擇 在本設 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。 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雜，而且在人體所 [1] 李學龍 . 使用單片機控制的智能遙控電風扇控制器 [J].電子電路制作， 2021,9： 13— 15. 溫度顯示 DS18B20 AT89C52 復位 晶振 獨立鍵盤 PWM 驅(qū)動電路 直流電機 第 3 頁 3 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，適合本設計系統(tǒng)。 溫度顯示器件的選擇 方案一：應用動態(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，同時溫度顯示程序的編寫也相對簡單，因而這種顯示方式得到了廣泛應用。但不足的地方是它采用動態(tài)掃描的顯示方式，各個 LED 數(shù)碼管是逐個點亮的，因此會產(chǎn)生閃爍，但由于人眼的視覺暫留時間為 20MS，故當數(shù)碼管掃描周期小于這個時間時人眼不會感覺到閃爍，因此只要描頻率設置得當即可采用該方案。 對于方案二，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格昂貴，顯示驅(qū)動程序的編寫也較復雜，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)境溫度值輸出相應數(shù)字量到 DAC0832 中，再由 DAC0832 產(chǎn)生相應模擬信號控制晶閘管的導通角，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 第 4 頁 4 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 [2]。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。在本設計中應用了 此方法。 (2) 利用定時器。控制方法與 (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。應用此方法時編程相對復雜。 (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。 [2] 藍厚榮 .單片機的 PWM 控制技術(shù) [J] .工業(yè)控制計算機， 2021,23（ 3） :97— 98 第 5 頁 5 第二章 各單元模塊的硬件設計 系統(tǒng)主要器件包括 DS18B20 溫度傳感器、 AT89C52 單片機、五位 LED 共陰數(shù)碼管、風扇直流電機、達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803。輔助元件包括電阻電容、晶振、電源、按鍵、撥碼開關等。 系統(tǒng)器件簡介 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器簡介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 ，是 采用 美國 DALLAS 半導體 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、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理。 適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。 DS18B20 的主要特征：測量的結(jié)果直接以數(shù)字信號的形式輸出，以“一線總線”方式串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；溫度測量范圍在 55℃ ~+125℃ 之間，在 10℃ ~+85℃ 時精度為 177。 ℃ ；可檢測溫度分辨率為9~12 位，對應的可分辨溫度分別 為 ℃ ， ℃ ， ℃ 和 ℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫；它單線接口的獨特性，使它與微處理器連接時僅需一條端口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通信；支持多點組網(wǎng)功能，即多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫的功能；工作電壓范圍寬，其范圍在 ~[3]。 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)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。其管腳有三個，其中 DQ 為數(shù)字信號端， GND 為電源地，VDD 為電源輸入端。 達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 簡介 本系統(tǒng)要用單片機控制風扇直流電機，需要加驅(qū)動電路，為直流電機提供足夠大的驅(qū)動電流。在本系統(tǒng)驅(qū)動電路中，選用達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 來驅(qū)動風扇直流電機。 ULN2803 在使用時接口簡單，操作方便，可為電機提供較大的驅(qū)動電流，它實際上是一個集成芯片，單塊芯片可同時驅(qū)動 8 個電機。每個電機由單片機的一個 I/O 口控制，單片機 I/O 口輸出的為 5V 的 TTL 信號。 [3] 郭天祥 .新概念 51 單片機 C 語言教程 [M].北京：電子工業(yè)出版社 .— 344 第 6 頁 6 ULN2803 由 8 個 NPN 達林頓晶體管組裝而成，共 18 個引腳，引腳 1~8 分別是 8路驅(qū)動器的輸入端，輸入信號可直接是 TTL 或 CMOS 信號；引腳 11~18 分別是 8 路驅(qū)動器的輸出端；引腳 9 為接地線，引腳 10 為電源輸入。當輸入 TTL 信號為 5V 或 CMOS信號為 6~15V時，輸出的最大電壓為 50V，最大電流為 500mA，工作溫度范圍為 0~70℃ 。本系統(tǒng)選用的電機為 12V 直流無刷電機，可用 ULN2803 來驅(qū)動。 AT89C52 單片機簡介 AT89C52 是 51 系列單片機的一個型號，它是由 ATMEL 公司生產(chǎn)的一個低電壓、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)器件采用 ATMEL 公司的非易失性、高密度存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準的 MCS51 指令系統(tǒng)兼容，同時片內(nèi)置有通用 8 位中央 處理器和 8k 字節(jié) 的可反復擦寫的只讀程序存儲器 ROM 以及 256 字節(jié) 的數(shù)據(jù)存儲器RAM，在許多許多較復雜的控制系統(tǒng)中 AT89C52 單片機得到了廣泛 的應用。AT89C52 有 40 個引腳，各引腳介紹如下： VCC： +5V 電源線； GND： 接地 線 。 P0 口： ~，這組引腳共 8 條，其中 為最高位， 為最低位 。 這 8 條引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是單片機不帶片外存儲器， P0 口可以作為通用 I/O 口使用， ~ 用于傳送 CPU 的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，此時它需外接一上 拉電阻才能正常工作。第二種情況是單片機帶片外存儲器，其各引腳在 CPU 訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù) [4]。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部 含 上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 。它也可作為通用的 I/O 口使用，與 P0 口一樣用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)，所不同的是它片內(nèi)含上拉電阻而 P0口沒有，故 P0 口在做該用途時需外接上拉電阻而 P1 口則無需。 在 FLASH 編程和校驗時， P1 口 用于輸入片內(nèi) EPROM 的低 8 位地址。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 它可以作 為通用 I/O 口使用，傳送用戶的輸入 /輸出數(shù)據(jù)，同時可與 P0 口的第二功能配合，用于輸出片外存儲器的高8 位地址，共同選中片外存儲單元，但此時不能傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。在一些型號的單片機中， P2 口還可以配合 P1 口傳送片內(nèi) EPROM 的 12 位地址中的高 4 位地址。 P3 口： P3 口 引 腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，當 P3 口寫入 1 后，它們被 [4] 胡漢才 .單片機原理及其接口技術(shù) [M]（第 2 版） .北京：清華大學出版社 . 63 頁 . 第 7 頁 7 內(nèi)部上拉為高電平。 它也可作為通用的 I/O 口使用，傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)， P3 口也作為一些特殊功能 端 口 使用 ，如下所示： ： RXD（串行 數(shù)據(jù)接收 口） ： TXD（串行 數(shù) 據(jù)發(fā)送 口） ： 0INT （外部中斷 0 輸入 ） ： 1INT （外部中斷 1 輸入 ） ： T0（記 數(shù) 器 0 計數(shù) 輸入） ： T1（記時器 1 外部輸入） ： WR （外部 RAM 寫選通 信號 ） ： RD （外部 RAM 讀選通 信號 ） 圖 AT89C51 單片機 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳 兩個機器周期的高電平 狀態(tài) 。 ALE/ PROG ： 地址鎖存允許 /編程線， 當訪問 片 外存儲器時， 在 ~ 引腳線上輸出片外存儲器低 8 位地址的同時還在 ALE/ PROG 線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿用于把這個片外存儲器低 8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出 ~引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，單片機自動在ALE/ PROG 線上輸出頻率為 1/6 晶振頻 率的脈沖序列。 PSEN ：外部程序存儲器 ROM 的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn)。 EA /VPP： 允許訪問片外存儲器 /編程電源線， 當 EA 保持低電平時，則在此期間 允許使用片 外程序存儲 器 ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當 EA 端保持高電平時， 則允許使用片 內(nèi)程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1 和 XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接單片機片內(nèi) OSC 的定時反饋回路。 LED 數(shù)碼管簡介 第 8 頁 8 dpgfedcbadpgfedcbaR x 8 R x 8本系統(tǒng)選用五個 LED 數(shù)碼管來進行溫度顯示。 LED 又稱為數(shù)碼管，它主要是由 8段發(fā)光二極管組成的不同組合，其中 a~g 為數(shù)字和字符顯示段， dp 為小數(shù)點的顯示，通過 a~g 這 7 個發(fā)光二極管點亮的不同組合，可以顯示 0～ 9 和 A～ F 共 16 個數(shù)字和字母。 LED 數(shù)碼管可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，如下圖 (a)和圖 (b) 所示。共陰極結(jié)構(gòu)把 8 個發(fā)光二極管陰極連在一起，共陽極結(jié)構(gòu)把 8 個發(fā)光二極管陽極連在一起。通過單片機引腳輸出高低電平，可使數(shù)碼管顯示相應的數(shù)字或字母，這種使數(shù)碼管顯示字形的數(shù)據(jù)稱字形碼，又稱段選碼 [5]。 圖 七段 LED 數(shù)碼管 表 7 段 LED 的段選碼表 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 顯示字符 共陰極段碼 共陽極段碼 0 3fH C0H 8 7fH 80H 1 06H F9H 9 6fH 90H 2 5bH A4H A 77H 88H 3 4fH B0H B 7fH 83H 4 66H 99H C 39H C6H 5 6dH 92H D 3fH A1H 6 7dH 82H E 79H 86H 7 07H F8H F 71H 8EH 一個共陰極數(shù)碼管接至單片機的電路，要想顯示數(shù)字“ 7”須 a、 b、 c 這 3 個顯示段發(fā)光 （即這 3 個字段為高電平）只要在 P0 口輸入 00000111（ 07H）即可。這里 07H即為數(shù)字 7 的段選碼。字形與段選碼的 關系見表 所示。 各部分電路設計 [5] 胡全 .51 單片機的數(shù)碼管動態(tài)顯示技術(shù) [J] .信息技術(shù)， 2021,13:25— 26 g f bae d c dpgndgnd數(shù)碼管引腳分配圖 第 9 頁 9 開關復位與晶振