完整版基于单片机的智能散热器的设计本科毕业论文设计Word文件下载.docx
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1.1系统研究背景2
1.2散热原理和方式2
2、整体方案设计3
2.1系统整体设计3
2.2方案论证4
2.2.1温度传感器的选择4
2.2.2控制器的选择5
2.2.3温度显示器件的选择5
2.2.4电机及其驱动器的选择5
3、各单元模块的硬件设计6
3.1系统主要器件简介6
3.1.1单线数字温度传感器DS18B20简介6
3.1.2单片机AT89C527
3.1.3风扇直流电机8
3.1.4芯片MAX232介绍9
3.1.5电源芯片7805介绍9
3.1.6LCD显示芯片160210
3.2各部分电路设计10
3.2.1复位与晶振电路10
3.2.2独立键盘连接电路11
3.2.3温度采集电路11
3.2.4LCD显示电路12
3.2.5串口通信12
3.2.6直流电机驱动电路13
3.2.7电源芯片连接电路14
4、软件设计15
4.１单片机程序设计15
4.1.1总程序流程图15
4.1.2温度采集子程序流程图16
5、系统仿真16
5.1用KeilC51编写程序16
5.2系统软件调试17
5.3PROTEUS软件简介17
5.4PROTEUS电路原理图设计18
5.4.1智能散热系统的电路原理图设计：
18
5.4.2智能散热核心的电路原理图设计：
5.5PROTEUS系统仿真与分析19
6、结论20
参考文献21
致谢22
附录23
源程序代码23
1、引言
1.1系统研究背景
随着科技不断进步和发展，单片机的使用已经渗透到我们日常生活的各个领域，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，各种智能IC卡的广泛使用，轿车、地铁和公交车的安全保障系统，智能手机、摄像机等，这些产品都与开单片机息息相关。
那就更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
本文设计的智能散热器，利用单片机进行控制，实时温度传感器对直流电机进行转速控制，外加液晶显示电路，可实现散热器转速随着外界温度变化而变化。
而目前市场上仅仅有的是单开关式的散热器，且操作不方便，经常开关，还没有根据温度变化来进行控制的智能散热底座。
因而，此设计具有相当重要的现实意义和实用价值。
1.2散热原理和方式
散热，其实就是一个热量传递过程通过传导、对流、辐射等几种方式。
通常在台式机中主要是风冷技术，这包括中央处理器、显卡、电源及机箱的散热风扇等，在笔记本电脑中，风冷依旧的主要的散热方式，绝大数的散热方式是：
风扇、热管、散热板的组合。
目前很多笔记本电脑采用铝镁合金的外壳，对散热也起到了一定的作用。
在笔记本电脑底部一般都有散热通风口，或吸入或吹出，对笔记本电脑的散热都非常重要。
笔记本电脑在设计的时候也考虑到散热问题，往往会用垫脚将机身抬高，但是在温度过高的时候，就显得比较勉强。
笔记本的散热底座的散热原理主要有两种：
1.单纯通过物理学上的导热原理实现散热功能。
将塑料或金属制成的散热底座放在笔记本的底部，抬高笔记本以促进空气流通和热量辐射，可以达到散热效果。
2.在散热底座上面再安装若干个散热风扇来提高散热性能。
这种风冷散热方式包括吸风和吹风两种。
两种送风形式的差别在于气流形式的不同，吹风时产生的是紊流，属于主动散热，风压大但容易受到阻力损失，例如我们日常夏天用的电风扇；
吸风时产生的是层流，属于被动散热，风压小但气流稳定，例如机箱风扇。
理论上说，开放环境中，紊流的换热效率比层流大，但是笔记本底部和散热底座实际组成了一个封闭空间，所以一般吸风散热方式更符合风流设计规范。
市场上的散热底座多数是有内置吸风式风扇的。
2、整体方案设计
2.1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AT89C52进行处理，在LCD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系统结构框图
2.2方案论证
为了实现智能温度控制，须要电机根据环境温度的变化自动改变转速，就要选择比较稳定可靠的电机变速控制部件。
2.2.1温度传感器的选择
方案一：
采用热敏电阻作为检测温度的核心元件，经运算放大器放大，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供单片机处理。
但因热敏电阻随温度变化而变化，会产生输出电压的微弱变化。
方案二：
采用模拟式集成温度传感器LM35作为温度检测的核心元件，经ADC0809模数转换芯片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让单片机进行处理。
对于方案一，采用热敏电阻虽有价格便宜、元件易购的优点，但其对温度的细微变化不太敏感，在信号采集、放大以转换过程中会产生失真和误差，并且热敏电阻的R-T关系是非线性的而对温度的变化存在较大误差，虽可通过一定电路来修正，但这不仅会使电路变得更复杂，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。
故不适合选该方案。
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，但其检测温度结果以电压形式输出，需要使用ADC0809将模拟信号转换为数字的，该过程繁琐。
并且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，使外接放大转化等电路的误差因数大大降低，温度误差变得很小，并且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，其温度分辨力会极高。
温度值直接在器件内部转化成数字量输出，简化了系统程序设计，又因其采用先进的单总线技术与单片机的接口简单，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。
2.2.2控制器的选择
在本设计中采用AT89C52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IO口输出控制信号。
AT89C52单片机工作性能高、电压低，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，适合本设计的仿真。
2.2.3温度显示器件的选择
应用动态扫描的方式，采用LED共阴极数码管显示温度。
采用LCD液晶显示屏显示温度。
对于方案一，该方案成本、功耗低，温度显示程序的编写也相对简单，因而得到广泛应用。
但不足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会产生闪烁，但由于人眼的视觉暂留时间为20MS容易感觉到闪烁，造成误差，因此对于温度的精确显示不宜采用该方案。
对于方案二，液晶显示具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。
从仿真精确简洁的角度，本系统采用方案二。
2.2.4电机及其驱动器的选择
方案一：
采用直流电机加模拟电路，通过电位器调节电机两端电压进行控制。
达林顿管串联在直流电机回路上，调节电位器改变电机回路中电流的大小，从而控制电机的。
此方案的优点：
电路简单，通过一个电位器实现调节电机速度，但三极管工作在放大区时电机回路上会产生一个压降和很多热量，效率很低。
方案二：
采用PWM控制步进电机。
PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。
PWM对半导体器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲，正弦波或其他所需要的波形被这种脉冲来代替，按一定的规则对各脉冲的宽度进行调节，逆变电路输出电压的大小和输出频率都可以被它所改变。
但步进电机适用于精确控制，本电路不需要非常精确。
而且电路过于复杂，成本过高。
方案三：
采用三级管直接驱动直流电机，电路使三级管工作在饱和或截止区处于很低的功耗状态，发挥简单的开关作用来控制电机两端电流的通断，从而达到控制电机的目的。
此设计简单，成本低，易于实现。
因此，本设计采用方案三。
3、各单元模块的硬件设计
系统主要器件包括DS18B20温度传感器、AT89C52单片机、风扇直流电机、串口通信的电平转换芯片MAX232、电源芯片7805、LCD显示芯片1602、。
辅助元件包括电阻、电容、晶振、电源、按键等。
3.1系统主要器件简介
3.1.1单线数字温度传感器DS18B20简介
数字温度传感器DS18B20，是美国DALLAS公司生产的一种单线数字温度传感器，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理，并能按具体要求通过简单编程实现９位温度读数。
它具有低功耗、高性能、抗干扰能力强、微型化、易配微处理器等优点，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
图218B20管脚图
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。
3.1.2单片机AT89C52
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入输出（IO）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFPTQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要功能特性：
·
兼容MCS51指令系统·
8k可反复擦写（>
1000次）FlashROM
32个双向IO口·
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时计数器中断·
时钟频率0-24MHz
2个串行中断·
可编程UART串行通道
2个外部中断源·
共6个中断源
2个读写中断口线·
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式·
软件设置睡眠和唤醒功能
图3AT89C52芯片引脚图
3.1.3风扇直流电机
（1）三极管简介
三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管，晶体三极管，是一种电流控制的半导体器件。
其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号，也用作无触点开关。
三极管分类：
按材质分：
硅管、锗管。
按结构分：
NPN、PNP。
按功能分：
开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。
按功率分：
小功率管、中功率管、大功率管。
按工作频率分：
低频管、高频管、超频管。
按结构工艺分：
合金管、平面管。
在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。
中间的N区（或P区）为基区，两边的区域分别为发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别为基极B、发射极E和集电极C，还能够起到饱和和截止等作用的半导体电子器件。
（2）直流电机简介
输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它能够实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；
作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
定子和转子两大部分构成了直流电机。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。
永磁直流电机既具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备良好的调速特性，现已广泛应用于各种场合。
3.1.4芯片MAX232介绍
MAX232产品是由美国Maxim公司推出的一款兼容RS-232标准的芯片，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIAEIA-232-F电平，该器件符合TIAEIA-232-F标准，每一个接收器将TIAEIA-232-F电平转换成5TTLCMOS电平，每一个发送器将TTLCMOS电平转换成TIAEIA-232-F电平，有从贴片到直插等不同的封装类。
3.1.5电源芯片7805介绍
电源电路主要运用到7805稳压芯片，输出电压为5V，加散热片时驱动电流可达1A，输出电流200～300mA时，7805温度在50度左右，并且有过温切断输出起到保护功能。
该系列芯片技术成熟，所需的外围器件少，性价比高，运用的非常广泛。
图47805稳压芯片
3.1.6LCD显示芯片1602
LCD1602为工业字符型液晶，能够同时显示16X2即32个字符，使用简单方便，具有背光功能，显示字符清晰准确，能同时显示字母与数字，可以区分大小写字母，具有较强的功能并且连线简单，背光亮度可调，并且耗电量小，采用标准的16脚接口，其中包括8根数据线，3根控制线，电源地，电源及液晶驱动电压引脚。
LCD1602主要参数如下：
1驱动芯片KS0066（兼容HD44780）
2背光黄光蓝光
3字色黑色白色
4字库ASCII码字库（英文，数字，基本符号）
5类型STN
6液晶模块尺寸（mm）80*36*13.5
3.2各部分电路设计
3.2.1复位与晶振电路
单片机应用系统中，单片机本身和外部扩展IO接口电路都需要复位，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外接石英晶体和微调电容，用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路，即采用内部时钟电路。
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。
图5开关复位与晶振电路
3.2.2独立键盘连接电路
键盘包含1个独立按键S1，一端接地，另一端与单片机的P3.2口相连，当按下任一键时，P3.2口读取低电平有效并产生中断。
其接线如图：
图6独立键盘连接电路
3.2.3温度采集电路
DS18B20使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。
将1个或多个DS18B20信号线与单片机1位IO线相连，就可实现单点或多点温度检测。
本设计中将DS18B20接在P1.6口实现温度的采集。
图7温度采集电路
3.2.4LCD显示电路
LCD液晶显示模块与单片机的接口有模拟工作时序和总线形式两种。
采用模拟工作时序通过设置相应的工作位来模拟实现显示控制，采用总线形式工作通过MOVX@DPTR，DATA指令才能实现对LCD的控制，此处用其的模拟工作时序。
其基本操作时序：
1读状态：
输入：
RS=L，RW-H，E=H输出：
D0~D7=状态字
2写指令：
RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲输出：
无
3读数据：
RS=H，RW=H,E=H输出：
D0~D7=数据
4写数据：
RS=H,RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲输出：
无
LCD显示电路电路连接如图8：
3.2.5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。
进行串行通讯时是有一定条件的，计算机的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者须有一个电平转换电路，采用专用芯片MAX232进行转换，更简单可靠。
采用三线制连接串口，即和计算机的9针串口中的3根线连接，分别是：
第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。
电路如图9：
图81602接线图 图9MAX232连接电路
3.2.6直流电机驱动电路
采用三级管直接驱动直流电机，电路使三级管工作在饱和或截止区，三极管处于很低的功耗状态，发挥简单的开关作用来控制电机两端电流的通断，从而达到控制电机的目的。
对于电路的保护采用二极管续流方式并联在电机两端。
图10直流电机驱动连接电路图
3.2.7电源芯片连接电路
交流信号经过桥式整流和电容滤波之后送给LM7805，稳压5V输出单独供给单片机。
在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量的滤波电容，使滤掉纹波的效果更好，输出更稳定的直流电压。
输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声，接小容量高频电容以抑制芯片自激，提高系统稳定性。
图11电源芯片连接电路
图12电源电路原理图
4、软件设计
硬件设计好后，加上软件部分整个系统才能得以运行。
本系统的软件部分主要包括主程序和系统初始化子程序、电机控制子程序、温度采集子程序等。
4.１单片机程序设计
4.１.1总程序流程图
图13总程序流程图
4.1.2温度采集子程序流程图
图14温度采集子程序流程图
5、系统仿真
5.1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语言语句简单灵活，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。
5.2系统软件调试
用KEIL编译器编程调试，初步调试的程序一般按照以下方法调试：
1单步：
一次只执行一条指令，在每步执行后，返回监控调试程序。
2行：
可以从程序的任何一条地址处启动，然后全速运行。
3点运行：
可任意设置断点，当程序执行到此时控制返回到监控调试程序。
4查和修改存储器单元的内容。
5查和修改寄存器的内容。
程序调试可以逐个模块进行，一个一个子程序的调试，从而发现程序中的死循环、机器码及转移地址错误，也能发现待测系统中算法和硬件设计错误。
5.3PROTEUS软件简介
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
利用KeilC51软件对源程序进行编译，编译成功后保存编译结果。
然后在PROTEUS中设计出相应的硬件电路，最后将程序装载到单片机中，通过PROTEUS仿真，看程序是否能够实现预想的功能。
5.4PROTEUS电路原理图设计
5.4.1智能散热系统的电路原理图设计：
图15智能散热系统的电路原理图
5.4.2
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