智能风机控制器

第一章绪论

1.1课题背景

目前对于电器产品中冷却风扇的要求越来越高，电机作为冷却风扇的驱动源既要高效节能，又要静音。传统上广泛使用的是交流电机（如：罩极式电机、电容式启动电机等），虽然其结构简单，成本低。但其所固有的体积大，效率低等缺点，已越来越不适应家电产品小型化和高效化的要求。因此，效率高、体积小的直流无刷电机在冷却风扇系统中得到了应用。但是，目前在使用无刷风扇电机作为冷却风扇驱动源的系统中，电动机的转速是恒定的，而不是根据热负荷的大小相应的调整电机转速，因而造成了电能的无用消耗[1]。投影仪、大功率电源、数据通讯交换机和路由器等设备的散热是一个值得考虑的问题。这些应用功耗极大，使设计人员在设计时要用风扇来冷却电子元件。如果吹向元器件的气流等于或小于每分钟六到七立方英尺即可满足冷却要求。那么直流无刷风扇是一个不错的选择目前已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小，像模拟/数字转换器（ADC）、脉冲宽度调制（PWM）等。单片机在检测和控制系统中得到了广泛的应用。温度检测、电机转速控制等方面，都有单片机的应用。温度控制集成电路的迅速发展，也使温度检测技术越来越智能化了，这促使了冷却散热电子产品技术有了长足的发展。

1.2 研究的目的和意义

随着电子技术的飞速发展，当今的电子设备如不考虑热设计，通常会产生过热现象。强迫空气冷却作为比较经济方便的冷却手段在电子设备热设计中得到了普遍应用。而运用强迫空气冷却电子设备的首要任务是选择合适的风扇来提供足够的冷却空气。大多数风扇的使用寿命都在几千小时左右，多数功率设备都存在负荷变化的特点，在停止工作或负荷较轻时可能并不需要风扇，而仅靠散热片的被动散热就能满足散热需求；是否满足散热需求的标准就是温度，在工作温度高于一定程度时，风机开始工作，提供主动散

热效果；而工作温度低于一定程度时，风扇停止工作或减速进行，仅靠被动散热。这样可以有效的延长风机的使用寿命。

1.3 国内外现状

近年来，国际上的新型电风扇层出不穷，在向节能型、多功能、多品种发展的过程中，又采用了电子定时、遥控、微机控制和传感技术等新技术。我国的电风扇制造厂也在向前发展。

节能技术在电风扇制造和使用中的应用，包括优化风叶设计。合理匹配高效的扇头电动机及优化调速方案等。如日本三洋公司生产的EF-F31MZ型电风扇，采用外转子式无刷直流电动机，节电30％，体积减少1/3。日本土屋制造所的无刷直流电机风扇，采用集成电路控制，节电50％，噪声可降低20％至30％左右[2]。

目前，温度传感器正向着单片集成化，智能化，网络化和单片系统化的方向发展。值得重视的是目前配置有温度传感器的新型专用集成电路也已问世了。例如美国MAXIM 公司最新研制的MAX1299型5通道12位ADC芯片，片内集成了精密温度传感器，在-40~+85度范围内的温度精度可达正负一度[3]。集风扇控制，温度检测于一体的传感器集成电路MAX6650。能够自动检测大功率芯片温度，自动控制风扇转速，以降低冷却风扇的噪声污染[4]。集成电路有很多种类，广泛应用于无刷直流电机控制电路中。TC651是带有温度传感器，用于无刷直流风扇速度控制的集成电路[5]。主要应用于个人计算机过热保护机顶盒，笔记本电脑中电源系统的散热风扇控制系统特点是根据检测的温度来控制风扇转速，达到合理的散热功能即减小风扇噪音，延长风扇寿命，又节约电能，具有非常重要的意义。

1.4 本课题的主要工作

基于单片机的智能风机控制系统，机箱温度为测量对象，利用风扇对其进行降温，而风扇转速为控制对象。课题目标是设计出具有温度传感的智能风机控制。

控制原理：NTC热敏电阻和LM339比较器组成的温度测量电路，把测得的温度信号转变成电压信号，经过单片机的处理，输出一个控制信号，通过驱动电路，驱动风扇转动。

本课题的主要工作：

1）系统硬件设计

本系统包括温度采集和温度比较电路，驱动风扇电路，测速电路，LED显示电路。

2）系统软件设计

编写温度采集、PWM输出、定时等子程序、测速子程序。

3）风机控制系统仿真

进行控制系统的仿真试验，可对软件的可行性进行检验，加快了实际系统设计和调试的过程。

4）风机控制系统硬件的调试

经过调试，使风机控制系统正常工作，能够达到课题要求。

第二章智能风机控制系统的组成及器件选择

2.1智能风机控制系统的组成

智能风机控制系统包括温度传感器、电压比较器、单片机、风扇、霍尔传感器及

LED显示驱动芯片。

2.2 器件选择

2.2.1温度传感器的选型

一个风机的设计，要达到智能控制，即风机转速由环境温度因素控制，这时温度传感器的选取也十分关键。在众多风机设计中，温度传感器的选择可以有很多种。大致分为模拟传感器和数字传感器两大类。这里介绍几种广泛应用的温度传感器。

2.2.1.1 AD590的性能特点与工作原理

AD590是由美国哈里斯（Harris）公司、模拟器件公司（ADI）等生产的恒流源式模拟集成温度传感器。它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小、动态阻抗高、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。

（1）性能特点

AD590属于采用激光修正的精密集成温度传感器。该产品有三种封装形式：TO-52封装、陶瓷封装（测温范围是-55~+150℃）、TO-92封装（测温范围是0~70℃）。AD590系列产品的外形及符号如图2-1所示，由Harris公司生产的AD590产品，其主要技术指标见表2-1。需要指出，不同公司的产品的分档情及技术指标可能会有差异。例如，由ADI公司生产的AD590，就有AD590J/K/L/M四档。这类器件的外形与小功率晶体管相仿，共有3个管脚：1脚为正极，2脚是负极，3脚接管壳。使用时将3脚接地，可起到屏蔽作用。该系列产品以AD590M的性能最佳，其测温范围是-55~+150℃,最大非线性误差为±0.3℃，响应时间仅20微妙，重复性误差为±0.05℃，功耗约2mW。

图 2-1 AD590 表2-1 AD590系列产品的主要技术指标 型号 单位 AD590I AD590J AD590K AD590L AD590M

最大非线性误

差 ℃ ±3.0 ±1.5 ±0.8 ±0.4 ±0.3

最大标定温度

误差（+25℃） ℃ ±10.0 ±5.0 ±2.5 ±1.0 ±0.5

额定电流温度

系数 μA/K 1.0

额定输出电流

（+25℃） ℃ 298.15

长期温度漂移 ℃/月 ±0.1

响应时间 μs 20

+

_

AD590

（2）工作原理

AD590的内部电路如图2-2所示。芯片中的R1和R2是采用激光修正的校准电阻，它能使298.2K（+25℃）下的输出电流恰好为298.2μA。首先由晶体管T8和T11产生与热力学温度（即绝对温度）成正比的电压信号，再通过R5、R6把电压信号转换成电流信号。为保证良好的温度特性，R5、R6的电阻温度系数应非常小，这里采用激光修正的SiCr 薄膜电阻，其电阻温度系数低至（-30~-50）×10-6/℃。T10的集电极电流能够跟随T9和T11的集电极电流的变化，使总电流达到额定值。R5和R6也需要在+25℃的标准温度下校准。

图2-2 AD590内部电路图

AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗﹥10MΩ，能大大减小因电源电压波动而产生的测温误差。例如，当电源电压从5V变化到10V时，所引起的电流最大变化量仅为1μA，等价于1℃的测温误差。

AD590的工作电压为+4~+30V、测温范围是-55~150℃，对应于热力学温度T每变化1K，输出电流就变化1μA。在298.15K（对应于25.15℃）时输出电流恰好等于298.15μA。这表明，其输出电流Io（μA）与热力学温度T（K）严格成正比。电流温度系数Ki表达式为

?==qR k T I K I 30ln8 (2-1)

式中的k 、q 分别为波尔兹曼常数和电子电量，R 是内部集成化电阻。式中的㏑8 表示内部晶体管9T 与11T 的发射结等效面积之比8/119==S S r 倍，然后再取自然对数值。将k/q=0.0862mV/K ，R=538Ω代入式(2-1)中得到

K A T I K I μ000.10== （2-2）

因此，输出电流的微安数就代表着被测温度的热力学温度值[3]。

2.2.1.2 DS18B20的主要特性、外部结构和工作原理

随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D 转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。

DS18B20是美国DALLAS 半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms 和750 ms 内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

（1） DS18B20的主要特性

适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线

供电；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可编程的分辨率为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；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"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；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（2）DS18B20的外形和内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥

发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图2-3所示：

图2-3 DS18B20外形及引脚排列图

DS18B20引脚定义: DQ为数字信号输入/输出端； GND为电源地； VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

（3）DS18B20的工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图2-4

所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2-4中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图2-4 DS18B20测温原理框图

DS18B20有4个主要的数据部件：

1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

表2-2 DS18B20温度值格式表

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

表2-3 DS18B20温度数据表

3）DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。

4）配置寄存器

该字节各位的意义如下：

表2-4 配置寄存器结构

低五位一直都是"1"，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）

表2-5 温度分辨率设置表

5）高速暂存存储器

高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表2-6所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表?2是对应的一部分温度值。第九个字节是冗余检验字节。

表2-6 DS18B20暂存寄存器分布

根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。

表2-7 ROM指令表

表2-8 RAM指令表

2.2.1.3 热敏电阻

热敏电阻的基本电气特性是它们随温度变化而改变电阻。用于温度传感的热敏电阻由结合的金属氧化物组成，这些金属氧化物既不是十分优良的绝缘体又不是十分优良的导体。实际上热敏电阻的电阻范围由于易受到多种温度的影响可从数欧直至兆欧，当温度升高时电阻则减小。这种电阻性能被认为具有负斜率或负温度系数，热敏电阻常被成为“NTC”（负温度系数）热敏电阻。

它们通常由2或3种金属氧化物组成，混合在粘土中，并在高温炉内锻烧成致密的烧结陶瓷，陶瓷通常是极好的绝缘体。但只有理论上，当温度接近绝对零度时，热敏电阻型陶瓷才是这种情况。但是，当温度增加至较常见的范围时，热会激发出越来越多的自由电子。随着许多电子载流通过陶瓷，有效的阻值则会降低[6]。

热敏电阻随温度的变化极为灵敏。典型变化为每摄氏度减少7％至3％。这时适合宽温度范围内使用的任何传感器来说是最灵敏的。当电阻随温度增加而下降时，它远离线性。从25℃室温开始，冷却至15℃乃至10℃时电阻约加倍。但15℃上升至40℃时电阻减小略超过一半。从-50℃至+150℃量程范围内，电阻产生的变化是10000至1.将电阻值作为温度的函数作图则得出下列曲线（图2-5a）：注意曲线在冷端太陡、在热端太平坦，使研究它很难。将同样数据（只是指电阻）换算成对数作图会产生较有用的曲线（图2-5b）：

图2-5电阻随温度的变化曲线

则公式会很简化：

)/1/1(00n T T n

e R R -=β （2-1） 式中： Ro 指原始温度时的电阻。

Rn 指新温度时的未知电阻。

To 指原始温度，以开氏温度计（在摄氏温度上加273）

Tn 指温度，e=2.718

是根据2点的电阻温度数据用公式求得的常数[7]。

经以上温度传感器的比较，本设计所采用的是比较廉价、使用方便、电路易实现的热敏电阻MF52D103F3950来作为温度检测器件。

本设计中采用的是MF52D103F3950本系列适用于空调设备、暖气设备、电子体温计、液位传感器、汽车电子、电子台历。测试精度高、体积小、反应速度快、能长时间稳定工作、互换性、一致性好[8]。

图2-6 MF52D103F3950实物图

电阻值误差: F ：±1% G：±2% H：±3% J：±5% K：±10% ； B 值（25/50℃）误差： 对于标称电阻值精度为±1%的， B 值对应误差为±1%，其余B 值误差均为±2%。其温度-电阻数据对照表见附录。

2.2.2 电压比较器的选型

LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV ；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V ，双电源电压为±1V -±18V；

3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。

?LM339集成块采用DIP-14型封装，图2-7为外型及管脚排列图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。如图2-8所示：

图 2-7 LM339外型及管脚排列图

???? LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

图2-8a给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平U

。2-8b为其传输特性。

OH

图 2-8（a）单限比较器及（b）比较器的传输特性

图2-9为某仪器中过热检测保护电路。它用单电源供电，1/4LM339的反相输入端加

一个固定的参考电压，它的值取决于R1于R2。U

R =R2/（R1+R2）*U

CC

。同相端的电压就等

于热敏元件Rt的电压降。当机内温度为设定值以下时，“+”端电压大于“-”端电压，Uo为高电位。当温度上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器反转，Uo 输出为零电位，使保护电路动作，调节R1的值可以改变门限电压，既设定温度值的大小[9]。

图 2-9某仪器中过热检测保护电路

2.2.3主控计算机的选择

利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。AT89S51拥有与INTEL公司的8051相同的内核和引脚排列。AT89S51除了具有8051的全部功能外，还内置了一些比较实用的功能部件。如AT89S51内部的程序存储器是4KB可擦写的flash ROM，不需要外扩展存储器，下载程序代码整个过程仅用几秒钟，使用起来非常方便。而8051内部的程序存储器是4KB的PROM，只能一次性写入程序代码，以后就无法修改。另外AT89S51提供了一个ISP下载接口。很适合用于单片机应用系统的设计或开发。

??AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 B的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时

该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

经比较，主机选用ATMEL公司的51系列单片机AT89S51来实现。本系统选用AT89S51芯片时钟可达12MHz,运算速度快，控制功能完善。AT89S51单片机引脚图如图2-10所示。

主要功能特性：

1）兼容MCS-51指令系统

2）4K可反复擦写(>1000次）ISP flash ROM

3）32个双向I/O口

4）4.5-5.5V工作电压

5）2个16位可编程定时/计数器

6）时钟频率0-33MHz

7）全双工UART串行中断口线

8）128x8BIT内部RAM

9）2个外部中断源

10）低功耗空闲和省电模式

11）中断唤醒省电模式

12）3级加密位

13）看门狗（WDT）电路

14）软件设置空闲和省电功能

15）灵活的ISP字节和分页编程

16）双数据寄存器指针

图2-10 AT89S51单片机引脚图

2.2.4 风扇驱动器件选择

对于标称工作电流不大于200mA的风扇，采用单晶体管驱动即可。高于200mA的风扇，采用达林顿或MOSFET驱动方式。为了使风扇检测功能正常运行，通路晶体管在导通时必须处于完全饱和状态。选用作为驱动晶体管时，关键问题是：（1）器件的击穿电压（V(BR)CEO）必须足够大以承受在风扇施加的最大电压（注：风扇的最大电压出现在风扇的关断时刻。）；（2）在满幅风扇电流条件下，5mA是基极驱动电流必须足以使晶体管进入饱和状态（晶体管应有足够大的增益）；（3）额定风扇电流必须在晶体管的最大电流处理能力之内；（4）功耗应在所选器件的允许范围之内[10]。

本设计若采用小功率的风扇，可采用三极管8050驱动风扇。晶体管类型：开关型；极性：NPN；材料：硅；最大集存器电流（A）：0.5A;直流电增益：10 to 60;功耗：625mW；最大集存器发射电压（VCEO）：25；频率：150KHz[11]。三极管8050的电气特性如表2-9所示。

表2-9为三极管8050电气参数