智能温控散热器设计毕业设计.docx
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智能温控散热器设计毕业设计
题目：
智能温控风扇
摘要：
设计这个智能电风扇它的主要功能是：
通过温度传感器对笔记本电脑出风口温度进行采集，用51单片机来作为处理器，并用51单片机来控制散热底座电风扇的转速，把温度在数码管上显示出来。
主要内容：
本设计以STC89C52RC单片机为核心，通过温度传感器（DS18B20）对笔记本电脑出风口温度进行数据采集，从而建立一个控制系统，使散热底座转速随温度的变化而自动变化，实现“温度高，风力大；温度低，风力小”的性能。
关键词：
STC89C52R，DS18B20，直流电机
Abstract:
Thesmartfandesignofitsmainfeaturesare:
temperaturemeasurementbytemperaturesensoronsinglechipastheprocessorwith51,and51single-chiptocontrolthefanwiththespeed,thetemperaturedisplayedontheLEDdisplay.Description:
ThisdesignAT89C51microcontrollerasthecore,throughthetemperaturesensor（DS18B20）datacollectionontheambienttemperatureinordertoestablishacontrolsystemthatallowsfansofthechangeswiththetemperatureautomaticallychangegeartoachieve"hightemperature,largewind;lowtemperature,windsmall"performance.
Keywords：
STC89C52R,DS18B20,DCmotor
目录
第一章整体方案设计1
1.1前言1
1.2系统整体设计1
1.3方案论证2
1.3.1温度传感器的选择2
1.3.2控制核心的选择3
1.3.3温度显示器件的选择3
1.3.4调速方式的选择4
第二章各单元模块的硬件设计5
2.1系统器件简介5
2.1.1DS18B20单线数字温度传感器简介5
2.1.2达林顿反向驱动器ULN2803简介5
2.1.3STC89C52RC单片机简介5
2.1.4LED数码管简介6
2.2各部分电路设计6
2.2.1开关复位与晶振电路6
2.2.2独立键盘连接电路7
2.2.3数码管显示电路7
2.2.4温度采集电路8
2.2.5风扇电机驱动与调速电路8
2.2.6串口通信9
第三章软件设计10
3.1程序设置10
3.2用KeilC51编写程序11
第四章系统调试12
4.1软件调试12
4.2硬件调试12
4.2.1数码管亮度明显偏低12
4.2.2传感器DS18B20温度采集部分调试12
4.2.3电动机调速电路部分调试13
4.3系统功能13
4.3.1系统实现的功能13
4.3.2系统功能分析13
结论14
参考文献15
致谢16
附录1：
电路总图17
附录2：
程序设计18
第一章整体方案设计
1.1前言
在现代社会中，风扇被广泛的应用，发挥着举足轻重的作用，如夏天人们用的散热风扇、工业生产中大型机械中的散热风扇以及现在笔记本电脑上广泛使用的智能CPU风扇等。
而随着温度控制技术的发展，为了降低风扇运转时的噪音以及节省能源等，温控风扇越来越受到重视并被广泛的应用。
在现阶段，温控风扇的设计已经有了一定的成效，可以使风扇根据环境温度的变化进行自动无级调速，当温度升高到一定时能自动启动风扇，当温度降到一定时能自动停止风扇的转动，实现智能控制。
随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制的温度控制系统也应运而生，如基于单片机的温控风扇系统。
它使风扇根据环境温度的变化实现自动启停，使风扇转速随着环境温度的变化而变化，实现了风扇的智能控制。
它的设计为现代社会人们的生活以及生产带来了诸多便利，在提高人们的生活质量、生产效率的同时还能节省风扇运转所需的能量。
本文设计了由STC公司的STC89C52RC单片机作为控制器，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及系统预设的温度动态的显示在两位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及转速的自动调节。
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STC89C52RC进行处理，在LED数码管上显示当前环境温度值（检测到的当前环境温度为整数）。
同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速。
并通过一个按键实现智能控制和固定转速切换。
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改变转速，需要比较稳定可靠的电机变速控制部件。
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：
采用模拟式的集成温度传感器LM35作为温度检测的核心元件，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。
方案三：
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、放大以及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，虽然模拟式集成温度传感器LM35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，但由于其检测温度结果以电压形式输出，需要使用数模转换芯片ADC0809转换为数字信号，此过程较为繁琐。
并且由于LM35对温度变化产生的电压变化较小，系统易受干扰。
故该方案不适合本系统。
对于方案三，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。
温度值在器件内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STC89C52RC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。
STC89C52RC单片机工作电压低，性能高，片内含8k字节的只读程序存储器ROM和512字节的随机数据存储器RAM，它兼容标准的MCS-51指令系统，性价比高，适合本设计系统。
1.3.3温度显示器件的选择
方案一：
应用动态扫描的方式，采用LED共阴极数码管显示温度。
方案二：
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
方案一：
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。
方案二：
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内的百分比。
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。
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。
（2）利用定时器。
控制方法与
（1）相同，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。
在本设计中应用了此方法。
（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STC89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、STC89C52RC单片机、二位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；温度测量范围在-55℃~+125℃之间；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。
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。
本系统选用的电机为5V笔记本电脑散热底座电机，可用ULN2803来驱动。
2.1.3STC89C52RC单片机简介
STC89C52RC是51系列单片机的一个型号，它是由STC公司生产的一个低电压、高性能的8位单片机，片内器件采用STC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，同时片内置有通用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以及512字节的数据存储器RAM，在许多许多较复杂的控制系统中STC89C52RC单片机得到了广泛的应用。
2.1.4LED数码管简介
本系统选用一个两位LED数码管来进行温度显示。
LED又称为数码管，它主要是由8段发光二极管组成的不同组合，其中a~g为数字和字符显示段，dp为小数点的显示，通过a~g这7个发光二极管点亮的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个数字和字母。
共阴极结构把8个发光二极管阴极连在一起，共阳极结构把8个发光二极管阳极连在一起。
通过单片机引脚输出高低电平，可使数码管显示相应的数字或字母，这种使数码管显示字形的数据称字形码，又称段选码。
2.2各部分电路设计
2.2.1开关复位与晶振电路
在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。
单片机上的XTAL1和XTAL2用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路。
本设计中开关复位与晶振电路如下图所示，当按下按键开关S1时，系统复位一次。
晶振为11.0592MHz。
2.2.2独立键盘连接电路
键盘包括1个独立按键S1，一端与单片机的P3.2口相连，另一端接地，当按下任一键时，P3.2口读取低电平有效并产生中断。
其接线图如下：
图2.2.2独立键盘连接电路
2.2.3数码管显示电路
本设计制作中选用2位共阴极数码管作为显示模块，它和单片机硬件的接口如图2.2.3所示。
用于显示温度传感器实时检测采集到的温度，可精确到1摄氏度，显示范围为0~99摄氏度。
2位数码管的段选a、b、c、d、e、f、g、dp线分别与单片机的P0.0~P0.7口连接，其中P0口需接一1K的上拉电阻，并串联74HC573作为驱动电路，以使LED能够获得较大电流。
2位数码管的位选分别与单片机的P2.0~P2.1口相连接，只要P2.0~P2.1中任一位中输出低电平，则选中与该位相连的数码管。
图2.2.3数码管显示电路
2.2.4温度采集电路
DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。
只须将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。
在本设计中将DS18B20接在P1.6口实现温度的采集。
其与单片机的连接如图2.2.4。
图2.2.4温度采集电路
2.2.5风扇电机驱动与调速电路
本设计中由单片机的I/O口输出PWM脉冲，通过一个达林顿反向驱动器ULN2803驱动5V直流无刷风扇电机以及实现风扇电机速度的调节。
由单片机通过P2.2口输出与转速相应的PWM脉冲，经过ULN2803驱动风扇直流电机控制电路，实现电机转速控制。
当环境温度升高时，直流电机的转速会相应按照设定提高，反之亦然；当环境温度低于设置温度时或高于预设温度时，电机保持恒定转速。
电路如图2.2.5所示，风扇电机的一端接5V电源，另一端接ULN2803的OUT3引脚，ULN2803的IN3引脚与单片机的P2.2引脚相连，通过控制单片机的P2.2引脚输出PWM信号，由此控制风扇直流电机的速度与启停。
图2.2.5风扇电机驱动与调速电
2.2.6串口通信
单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时要满足一定的条件，计算机的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，采用专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。
采用三线制连接串口，也就是说和计算机的9针串口只连接其中的3根线：
第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。
电路如图2.5所示，MAX232的第11脚和单片机的11脚连接，第12脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。
图3.5MAX232与RS232电路
第三章软件设计
3.1程序设置
程序设计部分主要包括主程序、DS18B20初始化函数、DS18B20温度转换函数、温度读取函数、键盘中断函数、数码管显示函数、温度处理函数以及风扇电机控制函数。
DS18B20初始化函数完成对DS18B20的初始化；DS18B20温度转换函数完成对环境温度的实时采集；温度读取函数完成主机对温度传感器数据的读取及数据换算，键盘扫描函数则根据需要完成初值的加减设定；温度处理函数对采集到的温度进行分析出理，为电机转速的变化提供条件；风扇电机控制函数则根据温度的数值完成对电机转速及启停的控制。
主程序流程图如图3.1.1：
图3.1.1主程序流程图
3.2用KeilC51编写程序
KeilC51是美国KeilSoftware公司开发的51系列兼容单片机C语言的软件开发系统，与单片机汇编语言相比，C语言在不仅语句简单灵活，而且编写的函数模块可移植性强，因而易学易用，效率高。
随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前使用较多的MCS-51系列单片机开发的软件。
KeilC51软件不仅提供了丰富的库函数，而且它强大的集成开发调试工具为程序编辑调试带来便利，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
在使用时要先建立一个工程，然后添加文件并编写程序，编写好后再编辑调试。
第四章系统调试
4.1软件调试
软件编译工作进展较为顺利，主要难点在如何从DS18B20获得电压测试数据，并通过一定的算法得到实际、直观，并可直接显示在数码管上的温度值。
经过在网上查询DS18B20的相关资料，并向同学请教后，我顺利写出了相关程序。
并编译成功。
4.2硬件调试
印制板制作完成后，焊接上相应的电子元件，并检验无短路虚接后，向系统写入程序，并上电运行。
根据运行的实际情况对电路和程序作出相应的调整和更改。
这是一个非常重要的过程，也是发现问题解决问题的过程。
本设计在进行硬件调试时出现了以下问题：
4.2.1数码管亮度明显偏低
数码管亮度不够，但经测试74HC573硬件正常，但测试P0口电压时发现其值只有1V多点，故74HC573无法获得有效信号。
经分析知，由于P0口无驱动能力，外界驱动电路时需添加上拉电阻。
后加上1K排阻后数码管亮度明显改善。
4.2.2传感器DS18B20温度采集部分调试
程序运行时，数码管示数能够随环境温度升高而增加，但通过校准发现其测量值比实际值总要高5摄氏度。
经过查找分析，发现系统硬件和程序都没有问题，后经网上搜索查询得知，DS18B20测量温度比实际温度高5摄氏度经常发生，只需在程序当中将结果减去5即可。
因此只需对程序作出一些小的改变即可。
4.2.3电动机调速电路部分调试
系统本部分的设计中重在软件设计，因为外围的驱动电路只是将送来的PWM信号放大从而驱动电机转动。
系统软件设置在P2.2口输出使电机转动的PWM占空比，当用高于环境温度的热源靠近测温芯片DS18B20时，发现电机的转速在升高，并越来越快，当达到一定值时，发现电机的转速不再升高；将热源离开测温芯片DS18B20时，发现电机的转速开始下降。
调试得到了可观的控制效果。
4.3系统功能
4.3.1系统实现的功能
本系统能够实现单片机系统检测环境温度的变化，然后根据环境温度变化来控制风扇直流电机输入占空比的变化，从而产生不同的转动速度，亦可根据键盘调节不同的设置温度，再由环境温度与设置温度的差值来控制电机。
当环境温度低于设置温度时，电机停止转动；当环境温度高于设置温度时，单片机对应输出口输出不同占空比的PWM信号，控制电机开始转动，并随着环境温度与设置温度的差值的增加电机的转速逐渐升高。
系统还能动态的显示当前温度和设置温度，并能通过键盘调节当前的设置温度。
4.3.2系统功能分析
系统总体上由五部分来组成，既按键与复位电路、数码管显示电路、温度检测电路、电机驱动电路。
首先考滤的是温度检测电路，该部分是整个系统的首要部分，首先要检测到环境温度，才能用单片机来判断温度的高低，然后通过单片机控制直流风扇电机的转速；其次是电机驱动电路，该部分需要使用外围电路将单片机输出的PWM信号转化为平均电压输出，根据不同的PWM波形得到不同的平均电压，从而控制电机的转速，电路的设计中采用了达林顿反向驱动器ULN2803，实现较好的控制效果；再次是数码管的动态显示电路，该部分的功能实现对环境温度和设置温度的显示，其中DS18B20采集环境温度，按键实现不同设置温度的调整，实现了对环境温度和设置温度的及时连续显示。
结论
本次设计的系统以单片机为控制核心，以温度传感器DS18B20检测环境温度，实现了根据环境温度变化调节风扇电机转速，在一定范围内能实现转速的连续调节，并能通过一个独立按键实现自动调速和恒定转速的切换。
LED数码管能连续稳定的显示环境温度，方便使用者直观了解电脑的发热状况。
实现了基于单片机的温控风扇的设计。
本系统设计可推广到各种电动机的控制系统中，实现电动机的转速调节。
在生产生活中，本系统可用于简单的日常风扇的智能控制，为生活带来便利；在工业生产中，可以改变不同的输入信号，实现对不同信号输入控制电机的转速，进而实现生产自动化，如在电力系统中可以根据不同的负荷达到不同的电压信号，再由电压信号调节不同的发电机转速，进而调节发电量，实现电力系统的自动化调节。
综上所述，该系统的设计和研究在社会生产和生活中具有重要地位。
参考文献
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[8]孙培敬.电子技术[M].1989第2期
致谢
本次课程设计历史3个月，期间我们曾遇到很多的困能，遭遇了一些挫折和打击，深切地认识到了自己在专业知识和实践能力等各方面的不足。
但每当处于这些困惑当中时，总有老师和同学会伸出双手来帮助我们，为我们细致讲解，查漏补缺，直到我们掌握相关知识，获得成功为止！
在此，我们要向我们的指导老师表示由衷的感谢，同时也要感激那些曾经热心帮助我们的老师和同学，以及也向各位默默奉献的老师们表示崇高敬意。
由于个人基础、能力有限，在作品当中有不足之处，也请各位同学和老师批评、指正。
附录1：
电路总图
附录2程序设计
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