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 。
+
AD590
_
图 2-1 AD590
表2-1 AD590系列产品的主要技术指标
（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
K I =I 0=3k qR ⨯ln8 (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T 9与T 11的发射结等效面积之比r =S 9/S 11=8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 I =I 0=1. 000μA K （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。
/清除
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：
R 0
=e β(1/T 0-1/T n ) （2-1）
R n
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 OH 。2-8b 为其传输特性。
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）*UCC 。
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
2.2.5风扇选择
直流无刷风扇是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机，采用无
位置传感器直流无刷电动机控制技术后，可充分利用直流无刷电动机的调速范围宽且无位置传感器和不易损坏的优点，实现电动机的无级变速、低噪声，提高了运行效率、控制精度和可靠性[12]。
随着现代控制理论和电子技术的发展。各种控制方法和器件不断出现。与直流电机相比，交流电动机是多变量、强耦和非线性系统，实现良好的转矩控制非常困难。20世纪70年代德国工程师F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制技术方法。近年来矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域[13]。
表2-10风扇特性
A44E 集成霍耳开关由稳压器A 、霍耳电势发生器(即硅霍耳片)B 、差分放大器C 、施密特触发器D 和OC 门输出E 五个基本部分组成，如图2-11(a)所示。
图2-11 霍尔传感器原理图
(1)、(2)、(3)代表集成霍耳开关的三个引出端点。在输入端输入电压VCC ，经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍耳电势差VH 输出，该VH 信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC 门输出。当施加的磁场达到工作点(即Bop) 时，触发器输出高电压(相对于地电位) ，使三极管导通，此时OC 门输出端输出低电压，通常称这种状态为开[11]。当施加的磁场达到释放点(即Brp) 时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC 门输出高电压，这种状态为关。这样两次电压变换，使霍耳开关完成了一次开关动作。
Bop 与Brp 的差值一定，此差值BH = Bop-Brp 称为磁滞，在此差值内，V o 保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍耳开关传感器优良特性之一。集成霍耳开关传感器输出特性如图2-11(b)。
2.5.7 MAX7219LED显示驱动芯片的选择
MAX7219 是一个高集成化的串行输入输出的共阴极LED 驱动显示器。MAX7219 芯片是美国MAX IM 公司出品的新型紧凑型、可编程共阴极显示驱动器, 可以用来把微处理机接口连接到多达八位数字的七段数字LED 显示器, 与传统的驱动L ED相比, 节省了很多芯片资源。片内包含有一个BCD 码到B 码译码器, 多路复用扫描电路, 段和数字驱动器及存储每个数字的8X8 固态RAM; 而且只需一个外部电阻来设置所有LED 的段电流, 从而降低了系统成本并减少了电路板空间的要求。
MAX7219 芯片上包括BCD 译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8×8静态RAM 以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存器, 可以使MAX7219 进入不同的工作状态。
第三章 系统调速原理
3.1 系统控制的原理图
图3-1为系统控制原理图。通过人为方式输入几个温度值，这些温度值为这
个系统工作状态的设定值，NTC 热敏电阻检测到的实际温度与设定值作比较，将比较的结果输入到单片机中，单片机以查询方式，输出与温度对应的PWM 的输出信号，通过改变风扇的转速来调整机箱的温度，让电子产品正常工作。单片机不断查询比较器的结果，保证风扇高效率的工作，并使风扇的使用寿命得到改善。
图3-1 系统控制原理图
3.2直流电机的调速方法
拖动机械负载运行的电动机，其稳态转速取决于电动机和负载特性的交点。负载特性的机械特性通常是一定的，不能改变，但可以人为改变电动机的机械特性，使电动机和负载的机械特性的交点发生变化，从而改变电动机和机械负载的转速。
从直流电机的转速公式即（3-1）可知，调速的方法有三种：改变电枢回路电阻（即电枢回路串接电阻）、改变端电压和改变磁通。
n =
U -I a R a
（3-1） C e φ
3.2.1 电枢串接电阻调速
由他励直流电动机的机械特性表达式即式（3-2）可知，在端电压U 和主磁通Φ不变的条件下，在电枢回路串入附加电阻后，机械特性的斜率α增大，而理
'
想空载转速n 0不变。据此可得串入不同附加电阻R s 1、R s 2、R s 3（R s 1
时的人为机械特性，分别如图3-2中曲线2、3、4所示，图中曲线1为固有机械特性。当电动机拖动恒转矩负载时，如图中AB 线所示，若认为空载转矩To 不
变, 则电动机稳态运行时的电磁转矩T 不变。串入附加电阻R s 3, 就可使转速由高降低，即如图3-2所示由a 点降到b 点。
n
R a U '
-T =n -αT （3-2） 02
C e φC e C T φ
这种调速方法只能将转度从基速（运行于固有机械特性上的转速）调低。如果串联电阻的阻值能连续调节，转度就能平滑调节。该方法的主要缺点是：①效率低。若负载转矩不变，则调速后电磁转矩T =C T ΦI a 不变，即电枢电流I a 不变，因此输入功率P 2=T 2Ω随转速的降低成正比地减小，1=UI a 不变，而输出功率P 因此转速越低，效率也越低，能量大部分消耗在串入的附加电阻上。②调速范围随负载转矩而变化。从图3-2可以看出，当负载转矩减小时，调速范围变小，如图中CD 线所示。③串入电阻后机械特性变软，负载波动时转速的变化较大。
n
n0
图3-2 电枢串接电阻调速
T
3.2.2改变端电压调速
当励磁电流If 和电枢回路总电阻Ra 不变，仅调节端电压U 时，人为机械特性是与固有机械特性相平行的直线，如图3-3所示。图中，曲线1、2、3、4分别是U =U 1(=U N ) 、U 2、U 3、U 4（U 1> U 2> U 3>U 4）时的机械特性。当电动机拖动恒转矩负载时，将端电压由U 1=U N 降低到U 4，就可使转速由高（a 点）降低（b 点）。改变端电压调速只能将转速从基速调低。若负载转矩不变（设T 0不变），则调速后电枢电流I a 不变，输入功率P 1=UI a ∝U 。由于U ≈
E a ∝n ，因
此P 1近似与n 成正比；而输出功率P 2与n 成正比，所以调速时功率基本不变。
图3-3 改变端电压调速
n 0
改变端电压调速需要电压连续可调的专用直流电源。它可以是一台发电机，但现在通常采用晶闸管可控整流电源货直流斩波器。
3.2.3改变磁通调速
该方法通过调节励磁电流I f 来实现。电动机在额定励磁电流下，磁路通常已经饱和，再增加主磁通Φ比较困难，所以应减少Φ。保持端电压U 和电枢回路总电阻R a 不变，减少Φ时的人为机械特性如图3-4所示。图中，曲线1是固有机械特性，曲线2、3分别是将主磁通减为Φ1、Φ2（Φ2
n
图3-4 改变磁通调速
改变磁通调速通常只能将转速从基速调高。若负载转矩不变（设To 不变），则减少主磁通Φ后，电枢电流I a 增大，输入功率P 1增加，而输出功率P 2也与转速n 成正比增加，因此调速时效率基本不变。
改变励磁电流可以通过在励磁回路串联电阻器来实现，因此该调速方法设备简单，功率消耗少，可以方便地实现转速的平滑调节。但受换向、机械强度和运行稳定性的限制，主磁通不能减少得过多。一般最高转速为（1.2～1.5）n N ；特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速可达到（3～4）n N 。
他励直流电动机用于调速电气传动系统中时，广泛采用降低端电压与减少磁通相结合的双向调速方法，能在宽广的转速范围里平滑、经济、高效率地调速。因此说，他励直流电动机具有优良的调速性能[14]。
3.3 PWM调压调速原理
在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制（PWM ）直流调速技术，它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。
通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，直流电动机转速的表达式为：
U -IR
n = （3-3）
K Φ
U ：电枢端电压；I ：电枢电流；R ：电枢电路总电阻
Φ：每极磁通量；K ：电动机结构参数
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。
U
图3-5 (a) PWM 调速控制原理
Ui 0 Us 0
t
图3-5 （b ）PWM 调速控制输入输出电压波形图
图3-5中，电动机的电枢绕组两端的电压平均值： U 0=
t 1U s +0t 1
=U s =αU s （3-4）
t 1+t 2T
t 1
T
其中，α为占空比，α=
占空比α表示在一个周期T 里，开关管导通的时间与周期的比值。α的变化范围为0
在PWM 调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可改变占空比的值。
1）定宽调频法
这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T （或频率）也随之改变。 2）调宽调频法
这种方法是保持t2不变，而改变t1，这样使周期T （或频率）也随之改变。 3）定频调宽法
这种方法是使周期T （或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这2种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法[12]。
AT89S51单片机利用定时器定时，发出PWM
脉冲，根据检测温度状态，改
变占空比。
3.4单片机的脉宽调制原理
3.4.1概述
晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM 技术得到了高速发展，各种各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也有了PWM 输出功能。而AT89S51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM 输出功能，本设计采用定时器配合软件的方法实现了AT89S51单片机的PWM 输出调速功能，这对精度要求不高的场合是非常实用的[15]。
AT89S51单片机内部有两个16位定时/计数器T0、T1，本设计采用定时器T0进行编程，改变PWM 信号的周期和占空比，由P0.0口输出PWM 控制信号。
3.4.2 PWM周期与占空比
电机由P0口的一位来控制。驱动电路的输入由P0口的这个位线的输出方波控制。定时计数器每中断一次，就使P0口控制位线产生一个高电平或低电平。这里把直流小电机的速度级设为4个等级，由等级数来决定一个周期的高电平的总个数。定时器设置为为25ms ，一个方波周期由4个定时周期组成（图3-6），即周期为100ms 。占空比为高电平维持时间比上一个周期总的时间。当高电平为1个定时周期时，占空比为1/4，速度最低；当高电平为4个定时周期时，一直为高电平，相当于电机全速运行，速度最高。
图3-6 点击调速方波
3.4.3 定时/计数器工作方式及控制寄存器的设置
16位定时/计数器T0、T1，T0由TH0、TL0构成，字节地址为8CH 、8AH ；T1由TH1、TL1构成，字节地址为8DH 、8BH ；
与定时/计数器有关的控制寄存器有3个： 1）定时器控制寄存器TCON （88H ）
SFR 寄存器TCON 既参与定时控制又参与中断控制，有关定时控制的有4位，表示如下：
表3-1定时器控制寄存器TCON
TF1/TF0：当T1/T0的计数器计数溢出时，该位置“1”。TR1/TR0：T1/T0运行控制位。软件将其置“1”时，启动T1/T0工作。
2）设定定时器工作方式寄存器TMOD （89H ）
SFR 寄存器TMOD 用于2个定时器/计数器T1/T0的工作方式设定，各位的含义表示如下：
定时/计数器1 定时/计数器0
GATE ：门控位，定义T1/T0的启动方式，逻辑如图：
图3-7逻辑图
C/T：定时
/
计数功能选择位。为“0”，作定时器用；为“1”，作计数器用。 M1M0：工作方式选择位。 00 方式0 01 方式1
13位计数器 16位计数器
10 方式2 初值自动重装8位计数器 11 方式3 2个8位计数器，仅适用于T0 3）中断允许控制寄存器IE （A8H ）
IE 在特殊功能寄存器中，字节地址A8H ，位地址分别是A8H ～AFH [16]。 在本设计中选用定时计数器T0作为产生脉冲用的定时器并且使它工作在模式1下。在模式1下，寄存器TH0和TL0以全8位参与操作，构成一个16位定时/计数器，当TH0溢出时向中断标志位TF0进位，表示定时已到，转而执行其它程序。在这种模式下T0定时时间最长，有利于在更大的范围内对电机进行调速。
因在程序中T0是作为定时器，T0的C/T控制位就应设置为0；T0工作在模式1，TMOD 中控制T0的M1M0应设置为01，其它位全部设置为0，即应给工作模式寄存器TMOD 赋值01H 。
工作模式1时的电路逻辑结构如图3-8所示。
Fosc/12
fosc T0(P3.4)TR0GATE
图3-8工作模式1时的电路逻辑结构图
作定时器 △T=（M — 计数初值）× 机器周期（12/fosc）, 计数初值=M —欲计数脉冲数=M—△T/ 机器周期。
式中M 为计数器模值，该值和计数器工作模式有关。在模式1时M 为216。在程序设计中工作模式为模式1，则计数器模值M=216=65536；单片机的晶振频率为12MHz ，定时时间长度为25ms ，机器周期为12/12×106=1×10-6, 则计数初值=65536-25×10-3/10-6=40536=9E58H
则：给定时器赋值时 MOV TH0,#9EH MOV TL0,#058H
不同占空比的四种方波都是多次调用定时器定时25ms 的程序来完成的。例如：在定时器程序中，先查询单片机的P1口的输入状态，若是F0H ，则调用占空比为0的程序，即是P0.0口输出低电平，不调用定时程序；若是F1H ，则调用占空比为1/4的程序，即先设置P0.0为高电平，定时25ms ，再使P0.0输出低电平，用软件计数，执行3个定时周期；若是F3H ，则调用占空比为1/2的程序，即先设置P0.0为高电平，用软件计数，执行2个定时周期，再使P0.0输出低电平，用软件计数，执行2个定时周期；若是F7H ，则是调用占空比3/4的程序，即先设置P0.0高电平，用软件计数，执行3个定时周期，再使P0.0输出低电平，定时25ms ；若是FFH ，则是调用占空比为1的程序，即设置P0.0高电平，用软件计数，执行4个25ms 定时周期 [17]。
这样，完成了利用单片机脉宽调制过程。
第四章 智能风机控制系统的硬件设计
4.1 智能风机控制系统的原理框图
系统硬件电路主要包括：温度采集电路、温度比较电路、单片机、风扇驱动电路、风扇测速电路、LED 速度显示电路和电源电路，现将各部分电路分解。
图4-1系统的原理框图
图4-1表明了本系统的整体结构、主要模块之间的逻辑关系和大致功能。其中，输入模块有温度采集电路、温度设定电路、温度比较电路，输出模块有风扇驱动电路，测速模块，LED 显示模块。温度采集电路的核心部件是负温度系数温度传感器（NTC ）, 可将温度信号转化成电压信号，实现从非电量到电量的转换。温度比较即是通过电压比较器把温度信号转换的电压信号，同设定的某设定温度时的固定电压进行比较，改变比较器的输出电平，经过单片机的处理后以PWM 方式输出驱动电机工作。电源电路提供整个系统工作必须的直流电源。
4.2 智能风机控制系统硬件实现
4.2.1温度采集电路
本设计中，本设计中采用的是MF52D103F3950。要求风扇在温度大于37℃时开始启动，以低速第一档速度运行，大于45℃时以第二档速度运行，大于57℃时，以第三档速度运行，大于65℃时全速运行，降低机箱温度。
测温电阻实际上是分压电路的一部分，电路供以5V 电压。在测温电阻上测得的电压随温度而变化。对于本设计采用电压比较器对温度分段控制，与其他设计比较是一种简便易行的方案。它将模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号。
4.2.2温度比较电路
本设计中，比较器单电源+5V供电，目的是比较器的输出端能够直接与单片机的I/O口连接。比较器中同相端接一电阻，这个电阻是用来提供固定参考电压的。LM339中的反相端连接在一起，并接一个热敏电阻，采集温度，随着温度
的改变，热敏电阻值也随之发生变化，温度越高，电阻值越低。反相端的电压就等于热敏电阻Rt 的电压降。同相端分别接一个电位器，调节电位器的电阻值，使之分别为5.9 KΩ、4.339 KΩ、2.748 KΩ、2.06 KΩ，这样的电阻所提供的固定参考电压，与热敏电阻的电压进行比较，改变比较器的输出电平，电路如图4-2所示。
当机内温度为设定值37℃以下时，芯片中四个比较器的“+”端电压分别都小于“-”端电压，此时，四个比较器的输出端的电平均为低电平，记为0000；当机内温度为37℃以上，45℃以下时比较器1的“+”端电压大于“-”端电压，比较器1的输出端为高电平，其他三个比较器的输出端都为低电平，记为0001；当机内温度为45℃以上，57℃以下时比较器1和比较器2的“+”端电压大于“-”端电压，这两个比较器的输出端为高电平，其他两个比较器的输出端为低电平，记为0011；当机内温度大于57℃，65℃以下时，比较器1、比较器2和比较器3的“+”端电压都大于“-”端电压，输出端都为高电平，比较器4的“+”端电压小于“-”端电压，输出端为低电平，记为0111；当机内温度达到65℃以上时，四个比较器的“+”端电压都大于“-”端电压，因此四个比较器的输出端都为高电平，记为1111。
图4-2比较器部分电路图
4.2.3 单片机
单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用，本设计以AT89S51单片机为核心，以比较器的输出电平作为输入达到控制直流风扇的启停、速度调整。在设计中，采用了PWM 技术对风扇转速进行控制，通过对输出占空比的控制达到精确调速的目的。
P1口作为比较器输出信号的接收端，信号输入到单片机，经过处理后，再由P0.0口输出PWM 控制信号，风扇驱动电路工作。P3.5口接霍尔传感器的输
出端，单片机的P2.7口接一LED 显示驱动电路。当测速电路中的计数结束后，会产生一个标志信号，驱动LED 显示转速。
4.2.4 风扇驱动电路
本设计采用三极管8050驱动风扇。P0.0口输出低电平时，晶体管置于关断状态。当P0.0输出高电平时，使晶体管导通，反向连接的二极管为续流二极管，起保护作用。如图4-3所示。
图4-3驱动电路图
4.2.5风扇
本设计中风扇的选择空间很大，+5V、12V 供电电源都可以，只要改变驱动电路的功率管就可以。例如，若采用大功率的风扇，可相应选用大功率的功率管驱动即可。本设计在实验中采用的是5V 供电电源的直流风扇。风扇的正端接5V 电源，负端接驱动三极管的集电极，由PWM 信号控制三极管的导通和关断，来控制风扇的转速。
4.2.6 测转速电路
本文采用A44E 集成开关型霍尔传感器，实现风扇转速的测量。风扇电机上的磁钢转动时，当霍尔传感器靠近磁钢时，就会产生一个脉冲，在一分钟内记下，产生的脉冲个数，就能得到风扇的转速。霍尔传感器的脉冲输出端接在单片机的P3.5口，其电路如图4-4所示。
图4-4 霍尔传感器
4.2.7 LED显示电路
本设计采用MAX7219串行输入输出的共阴极LED 显示驱动器。
风扇的转速最大可达上万转，因此选用五个LED 管共阴数码管，作为显示。MAX7219 内部设有扫描电路, 除了更新显示数据时从单片机接收数据外, 平时独立工作, 极大地节省了MCU 有限的运行时间和程序资源。由图4-5可以看出此芯片无需片选信号, 它具有一个3 线串行接口, 可以方便地直接与单片机的串行接口相接, 单片机的数据端RXD 直接连接于MAX7219的串行数据输入端DIN ；单片机的同步移位脉冲端TXD 与串行时钟端CLK 直接相连,CLK 的最高频率为10MHz. 由寄存器地址和操作命令组成的十六位数据包发送到DIN 端, 在每一个CLK 的上升沿锁存到芯片内部的移位寄存器中, 在LOAD 的上升沿数据的最后十六位被锁存到数据或控制寄存器中。MAX7219 无需其它芯片资源即可以驱动八位共阴极 LED 显示器。MAX7219与单片机硬件接口如4-5所示。
图4-5 MAX7219与单片机硬件接口
4.3 智能风机控制系统电路原理图
电路原理图如图4-6所示
图4-6 系统电路原理图
第五章 智能风机控制系统的软件设计
本系统的控制软件采用模块化结构设计，各个功能块相互独立，并容易根据
需要扩展。在结构上由一个主程序、和定时中断服务程序组成。
5.1 主程序
主程序主要完成单片机初始化及定时器计数器T1、T0的初始化功能，并查询P1口状态。
首先查询P1口的状态，根据不同状态，完成不同速度的控制程序。定时器T0用作定时25ms ，定时器T1用作计数。当P1口为0F0H 时，完成零速度档控制；当P1口为0F1H 时，完成第一档速度控制；当P1口为0F3H 时，完成第二档速度控制；当P1口为0F7H 时，完成第三档速度控制；当P1口为0FFH 时，完成第四档速度控制。定时器T0中断服务程序开始时完成转速测量。主程序流程图如图5-1所示。
图5-1 主程序流程图
5.2定时器定时子程序
图5-2定时器定时子程序流程图
5.3 定时器T0中断服务程序
定时器T0定时一分钟后，执行中断服务程序。
图5-3 定时中断服务程序
第六章 智能风机控制系统的调试
在对控制器进行性能检验实验前要对各子程序分别进行初级调试，确保各个子程序运行正确，程序的执行流程正确，才能保证系统的各组成模块正常工作，实现预定的功能。主要分为以下几个部分进行。
6.1 软件编译及仿真
使用伟福S51仿真器进行硬件和软件调试，主要调试内容有：检验单片机
系统是否烧好程序；编程各速度档位程序，检验单片机是否正常输出，驱动电路是否正常工作，达到预定的效果。
6.2温度检测电路的调试
MF52D103F3950热敏电阻接到比较器的反相端，比较器的同相端接电位器，调整四个10K 的可调电阻，使它们的阻值分别为5.9 KΩ、4.339 KΩ、2.748 KΩ、2.06 KΩ，这样，就组成了四个速度的档位。改变热敏电阻感测的温度，观察比较器的输出是否发生变化。
6.3运算子程序调试
运算子程序有定时子程序，PWM 不同波形子程序等。调试时对于许多未知的参数，根据所需的条件，给出假定的数据，使程序逐个执行，如能完成预定的处理功能或与手工计算的结果相符，就说明该程序已通过调试。由于一些程序中又包括下一级的子程序，例如，速度档位程序中包含定时子程序，调试顺序为下到上。
6.4 整个程序的联调
对整个软件程序进行连续调试，看各子程序间有没有冲突；程序运行步骤
是否正确，在某时刻程序运行所处的位置是否正确。多次运行调试，若每次结果都正确，则说明各子程序间没有矛盾，反之，要对子程序做相应的改动，然后重新调试。反复调试，直至整个程序能连续正确地运行，整个软件调试才结束。
把程序写入伟福编译器里，进行编译无错误后，并经调试后，程序能够正确运行，把程序烧到单片机里，硬件部分焊接好，单片机的PWM 信号输出端接一个示波器，烘烤温度传感器，即改变热敏电阻的测得的温度，观察示波器显示的波形，则实验成功完成。如图6-1所示
V
（a ）
V 5
t
V
5 0 V 5 0
t
t
t
(d)
V 5 0
(e)
t
图6-1 不同速度时PWM 波形
第七章 总结
本控制器是以单片机为控制主板，对风机降低机箱温度进行智能控制。系统开发的流程为单片机原理学习、熟悉电子元器件性能和使用方法、进行总体结构设计、绘制系统原理图、焊接电子器件、组装成控制器、控制对象的建模、编写程序、各子程序调试、模拟实验、检测控制效果。由于时间有限，再加上本人对控制器的主要器件单片机、传感器、电机、以及其他电子元器件的功能和特性都比较陌生，所以本控制器的设计采用一边学习，一边实践的方法，在实践中摸索前进，不断调整，逐步完善。本控制器的不足之处还有待进一步完善，使其更好的服务与控制应用中。 本控制器的主要特点有：
（1）模块化设计，扩展性强。模块化设计，使控制器具有一定的通用性，而 且运行安全可靠。只要对控制器稍加改变就可以实现别的控制功能。 （2）成本低，整个控制器中的电子元器件都是实验室常备和常用器件。 （3）操作简单，打开电源开关，系统自动工作。 （4）体积小，反应灵敏，控制度高。
本控制器还不够完善，有许多值得改进的地方，以下几个方面有待进一步提高：
（1）进一步提高测量精度，提高系统集成度和可靠度。 （2）多加风扇的速度等级，使控制系统工作更加完善。
（3）对于担心噪声影响的场合，采用光电耦合器隔离电路是有效的。
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致谢
本论文的研究工作是在张秋鄂教授的悉心指导下完成的，首先我要向张老师表示诚挚的谢意。在论文研究过程中，老师高屋建领的指导了我课题研究的总体思路，设计方案，详细分析了我在研究工作中出现的错误，耐心解答我提出的问题。在论文撰写期间，导师不厌其烦的指导我论文的写作，几易其稿，每次导师都认真审阅，提出宝贵的修改意见，使我茅塞顿开。
四年来我不仅从老师那里学到了专业知识，更主要的是学到了从事研究工作的方法和严谨的科学态度，我将终身受益。我在学习期间得到了长春理工大学各位老师及同学的关心和帮助，特此感谢。
最后，向几年来朝夕相处，真挚善良的同学们表示深深的谢意。
附录 热敏电阻数据
MF52型常用规格电阻值--温度对照表(单位：KΩ)
阻值 [***********]50（50 399（100 KΩ）
KΩ）
（5KΩ） （10KΩ） （10KΩ） （15KΩ）
温度
(℃)
-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
36.95 35.12 33.39 31.75 30.21 28.75 27.37 26.06 24.83 23.65 22.55 21.5 20.5 19.56 18.66 17.82 17.01 16.25 15.52 14.8314.18 13.56 12.97 12.41
70.78 67.32 64.05 60.97 58.05 55.29 52.68 50.2 47.86 45.65 43.55 41.56 39.67 37.88 36.18 34.57 33.04 31.59 30.21 28.927.65 26.47 25.34 24.27
98.26 92.74 87.55 82.69 78.12 73.83 69.8 66.01 62.45 59.1 55.95 52.98 50.19 47.57 45.09 42.76 40.56 38.49 36.53 34.6832.94 31.3 29.74 28.28
159.75 150.45 141.74 133.59 125.95 118.79 112.08 105.79 99.88 94.34 89.14 84.25 79.66 75.34 71.29 67.47 63.88 60.5 57.32 54.3351.51 48.85 46.34 43.97
486.08 458.63 432.91 408.79 386.17 364.94 345.02 326.3 308.71 292.18 276.64 262.02 248.26 235.31 223.11 211.61 200.78 190.57 180.93 171.84163.26 155.16 147.51 140.28
995.64 938.84 885.63 835.78 789.05 745.23 704.11 665.52 629.28 595.24 563.25 533.18 504.89 478.27 453.22 429.63 407.41 386.48 366.74 348.13330.57 314 298.35 283.58
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
11.37 10.88 10.42 9.98 9.567 9.17 8.792 8.431 8.087 7.759 7.446 7.148 6.863 6.332 6.084 5.847 5.621 5.405 5.198 5 4.811 4.63 4.457 4.291 4.133 3.981 3.835 3.696 3.562 3.434 3.312 3.194 3.081
22.27 21.35 20.47 19.63 18.83 18.06 17.34 16.64 15.98 15.35 14.74 14.17 13.62 13.09 12.59 12.11 11.65 11.21 10.79 10.39 10 9.632 9.279 8.94 8.616 8.306 8.008 7.723 7.449 7.187 6.935 6.694 6.462 6.239
25.58 24.34 23.17 22.06 21.01 20.01 19.07 18.18 17.33 16.53 15.77 15.05 14.37 13.72 13.1 12.52 11.96 11.43 10.93 10.45 10 9.569 9.158 8.768 8.396 8.042 7.705 7.384 7.078 6.786 6.508 6.243 5.99 5.749
39.64 37.65 35.78 34 32.33 30.75 29.25 27.84 26.5 25.23 24.03 22.9 21.82 20.8 19.84 18.92 18.05 17.23 16.45 15.7 15 14.33 13.7 13.09 12.52 11.97 11.46 10.96 10.49 10.05 9.62 9.215 8.83 8.462
126.99 120.88 115.09 109.62 104.44 99.53 94.88 90.48 86.3 82.34 78.58 75.02 71.64 68.42 65.37 62.48 59.72 57.11 54.62 52.25 50 47.86 45.82 43.88 42.03 40.27 38.59 36.99 35.47 34.01 32.62 31.3 30.04 28.83
256.44 243.97 232.18 221.03 210.48 200.49 191.03 182.07 173.58 165.53 157.9 150.67 143.81 137.29 131.11 125.24 119.67 114.37 109.34 104.55 100 95.67 91.56 87.64 83.91 80.36 76.98 73.75 70.68 67.76 64.97 62.31 59.77 57.35
18 6.591
41 42 43 44 45 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 73
2.769 2.674 2.582 2.494 2.409 2.249 2.174 2.102 2.032 1.965 1.901 1.839 1.78 1.722 1.667 1.614 1.563 1.514 1.466 1.421 1.377 1.334 1.293 1.254 1.216 1.179 1.143 1.109 1.076 1.044
5.82 5.623 5.433 5.251 5.076 4.908 4.746 4.59 4.441 4.297 4.158 4.024 3.896 3.772 3.653 3.538 3.428 3.321 3.218 3.119 3.024 2.932 2.843 2.757 2.674 2.595 2.518 2.443 2.372 2.302 2.235 2.171 2.108
5.299 5.089 4.889 4.697 4.514 4.339 4.172 4.012 3.86 3.713 3.574 3.44 3.312 3.189 3.071 2.959 2.851 2.748 2.649 2.554 2.463 2.375 2.292 2.211 2.134 2.06 1.989 1.921 1.855 1.792 1.731 1.673 1.617 1.563
7.778 7.46 7.156 6.867 6.59 6.327 6.075 5.834 5.605 5.386 5.176 4.976 4.784 4.601 4.426 4.258 4.098 3.945 3.798 3.657 3.522 3.393 3.27 3.151 3.038 2.929 2.824 2.724 2.628 2.536 2.447 2.362 2.281 2.203
26.58 25.53 24.53 23.57 22.66 21.78 20.94 20.14 19.38 18.64 17.94 17.27 16.62 16.01 15.42 14.85 14.31 13.79 13.29 12.81 12.35 11.91 11.49 11.09 10.7 10.32 9.964 9.619 9.288 8.97 8.66 8.37 8.09 7.82
52.83 50.72 48.71 46.79 44.95 43.2 41.52 39.92 38.38 36.91 35.51 34.17 32.88 31.65 30.47 29.34 28.26 27.22 26.23 25.27 24.36 23.48 22.64 21.84 21.06 20.32 19.61 18.92 18.27 17.63 17.03 16.44 15.88 15.34
40 2.869
46 2.327
72 1.014
0.9841 2.048
74 0.9554 1.989 75 77 78 80 81 82 83 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108
1.512 1.462 1.414 1.368 1.324 1.281 1.24 1.201 1.163 1.126 1.091 1.056 1.024 0.992 0.9615 0.9321 0.9038 0.8764 0.85 0.8245 0.8 0.7762 0.7533 0.7312 0.7099 0.6892 0.6693 0.65 0.6314 0.6135 0.5961 0.5793 0.563 0.5473 0.5321
2.127 2.055 1.986 1.919 1.855 1.793 1.734 1.677 1.622 1.569 1.518 1.469 1.422 1.376 1.333 1.291 1.25 1.211 1.173 1.137 1.102 1.068 1.036 1.004 0.9741 0.9449 0.9166 0.8894 0.8631 0.8377 0.8132 0.7895 0.7667 0.7446 0.7232
7.55 7.3 7.06 6.83 6.61 6.39 6.18 5.98 5.79 5.6 5.43 5.25 5.09 4.93 4.77 4.62 4.48 4.34 4.21 4.08 3.96 3.84 3.72 3.61 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.01 2.93 2.84 2.76 2.68 2.6
14.83 14.33 13.85 13.39 12.95 12.52 12.11 11.71 11.33 10.97 10.61 10.27 9.945 9.629 9.325 9.032 8.749 8.476 8.213 7.96 7.715 7.479 7.251 7.031 6.819 6.614 6.416 6.225 6.041 5.862 5.69 5.524 5.363 5.207 5.057
0.9277 1.933
1.878
0.8751 1.826 0.8502 1.775
1.725
0.8027 1.677 0.7802 1.631 0.7584 1.587 0.7373 1.543 0.6971 1.461 0.678
1.422
0.6596 1.384 0.6417 1.347 0.6243 1.311 0.6076 1.277 0.5914 1.243 0.5756 1.211 0.5604 1.179 0.5457 1.149 0.5314 1.119 0.5175 1.09 0.5041 1.063 0.4911 1.036 0.4785 1.009 0.4662 0.9841 0.4544 0.9595 0.4429 0.9356 0.4317 0.9124 0.4209 0.8898 0.4104 0.868 0.4002 0.8467 0.3903 0.8261 0.3807 0.8061
76 0.901
79 0.826
84 0.7169 1.501
109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120
0.3714 0.7867 0.3624 0.7678 0.3536 0.7494 0.3451 0.7316 0.3368 0.7143 0.3287 0.6974 0.3209 0.6811 0.3133 0.6651 0.3059 0.6497 0.2988 0.6346 0.2918 0.62 0.285
0.6058
0.5174 0.5031 0.4894 0.476 0.4631 0.4506 0.4386 0.4268 0.4155 0.4045 0.3939 0.3835
0.7026 0.6826 0.6633 0.6447 0.6266 0.6092 0.5923 0.576 0.5601 0.5448 0.53 0.5157
2.53 2.46 2.388 2.321 2.256 2.193 2.132 2.073 2.016 1.961 1.908 1.856
4.911 4.771 4.635 4.503 4.376 4.253 4.134 4.019 3.907 3.799 3.694 3.593
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 。
+
AD590
_
图 2-1 AD590
表2-1 AD590系列产品的主要技术指标
（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
K I =I 0=3k qR ⨯ln8 (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T 9与T 11的发射结等效面积之比r =S 9/S 11=8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 I =I 0=1. 000μA K （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。
/清除
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：
R 0
=e β(1/T 0-1/T n ) （2-1）
R n
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 OH 。2-8b 为其传输特性。
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）*UCC 。
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
2.2.5风扇选择
直流无刷风扇是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机，采用无
位置传感器直流无刷电动机控制技术后，可充分利用直流无刷电动机的调速范围宽且无位置传感器和不易损坏的优点，实现电动机的无级变速、低噪声，提高了运行效率、控制精度和可靠性[12]。
随着现代控制理论和电子技术的发展。各种控制方法和器件不断出现。与直流电机相比，交流电动机是多变量、强耦和非线性系统，实现良好的转矩控制非常困难。20世纪70年代德国工程师F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制技术方法。近年来矢量控制和直接转矩控制技术不断发展，且有各自不同的应用领域[13]。
表2-10风扇特性
A44E 集成霍耳开关由稳压器A 、霍耳电势发生器(即硅霍耳片)B 、差分放大器C 、施密特触发器D 和OC 门输出E 五个基本部分组成，如图2-11(a)所示。
图2-11 霍尔传感器原理图
(1)、(2)、(3)代表集成霍耳开关的三个引出端点。在输入端输入电压VCC ，经稳压器稳压后加在霍耳电势发生器的两端，根据霍耳效应原理，当霍耳片处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍耳电势差VH 输出，该VH 信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输送到OC 门输出。当施加的磁场达到工作点(即Bop) 时，触发器输出高电压(相对于地电位) ，使三极管导通，此时OC 门输出端输出低电压，通常称这种状态为开[11]。当施加的磁场达到释放点(即Brp) 时，触发器输出低电压，三极管截止，使OC 门输出高电压，这种状态为关。这样两次电压变换，使霍耳开关完成了一次开关动作。
Bop 与Brp 的差值一定，此差值BH = Bop-Brp 称为磁滞，在此差值内，V o 保持不变，因而使开关输出稳定可靠，这也就是集电成霍耳开关传感器优良特性之一。集成霍耳开关传感器输出特性如图2-11(b)。
2.5.7 MAX7219LED显示驱动芯片的选择
MAX7219 是一个高集成化的串行输入输出的共阴极LED 驱动显示器。MAX7219 芯片是美国MAX IM 公司出品的新型紧凑型、可编程共阴极显示驱动器, 可以用来把微处理机接口连接到多达八位数字的七段数字LED 显示器, 与传统的驱动L ED相比, 节省了很多芯片资源。片内包含有一个BCD 码到B 码译码器, 多路复用扫描电路, 段和数字驱动器及存储每个数字的8X8 固态RAM; 而且只需一个外部电阻来设置所有LED 的段电流, 从而降低了系统成本并减少了电路板空间的要求。
MAX7219 芯片上包括BCD 译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的8×8静态RAM 以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存器, 可以使MAX7219 进入不同的工作状态。
第三章 系统调速原理
3.1 系统控制的原理图
图3-1为系统控制原理图。通过人为方式输入几个温度值，这些温度值为这
个系统工作状态的设定值，NTC 热敏电阻检测到的实际温度与设定值作比较，将比较的结果输入到单片机中，单片机以查询方式，输出与温度对应的PWM 的输出信号，通过改变风扇的转速来调整机箱的温度，让电子产品正常工作。单片机不断查询比较器的结果，保证风扇高效率的工作，并使风扇的使用寿命得到改善。
图3-1 系统控制原理图
3.2直流电机的调速方法
拖动机械负载运行的电动机，其稳态转速取决于电动机和负载特性的交点。负载特性的机械特性通常是一定的，不能改变，但可以人为改变电动机的机械特性，使电动机和负载的机械特性的交点发生变化，从而改变电动机和机械负载的转速。
从直流电机的转速公式即（3-1）可知，调速的方法有三种：改变电枢回路电阻（即电枢回路串接电阻）、改变端电压和改变磁通。
n =
U -I a R a
（3-1） C e φ
3.2.1 电枢串接电阻调速
由他励直流电动机的机械特性表达式即式（3-2）可知，在端电压U 和主磁通Φ不变的条件下，在电枢回路串入附加电阻后，机械特性的斜率α增大，而理
'
想空载转速n 0不变。据此可得串入不同附加电阻R s 1、R s 2、R s 3（R s 1
时的人为机械特性，分别如图3-2中曲线2、3、4所示，图中曲线1为固有机械特性。当电动机拖动恒转矩负载时，如图中AB 线所示，若认为空载转矩To 不
变, 则电动机稳态运行时的电磁转矩T 不变。串入附加电阻R s 3, 就可使转速由高降低，即如图3-2所示由a 点降到b 点。
n
R a U '
-T =n -αT （3-2） 02
C e φC e C T φ
这种调速方法只能将转度从基速（运行于固有机械特性上的转速）调低。如果串联电阻的阻值能连续调节，转度就能平滑调节。该方法的主要缺点是：①效率低。若负载转矩不变，则调速后电磁转矩T =C T ΦI a 不变，即电枢电流I a 不变，因此输入功率P 2=T 2Ω随转速的降低成正比地减小，1=UI a 不变，而输出功率P 因此转速越低，效率也越低，能量大部分消耗在串入的附加电阻上。②调速范围随负载转矩而变化。从图3-2可以看出，当负载转矩减小时，调速范围变小，如图中CD 线所示。③串入电阻后机械特性变软，负载波动时转速的变化较大。
n
n0
图3-2 电枢串接电阻调速
T
3.2.2改变端电压调速
当励磁电流If 和电枢回路总电阻Ra 不变，仅调节端电压U 时，人为机械特性是与固有机械特性相平行的直线，如图3-3所示。图中，曲线1、2、3、4分别是U =U 1(=U N ) 、U 2、U 3、U 4（U 1> U 2> U 3>U 4）时的机械特性。当电动机拖动恒转矩负载时，将端电压由U 1=U N 降低到U 4，就可使转速由高（a 点）降低（b 点）。改变端电压调速只能将转速从基速调低。若负载转矩不变（设T 0不变），则调速后电枢电流I a 不变，输入功率P 1=UI a ∝U 。由于U ≈
E a ∝n ，因
此P 1近似与n 成正比；而输出功率P 2与n 成正比，所以调速时功率基本不变。
图3-3 改变端电压调速
n 0
改变端电压调速需要电压连续可调的专用直流电源。它可以是一台发电机，但现在通常采用晶闸管可控整流电源货直流斩波器。
3.2.3改变磁通调速
该方法通过调节励磁电流I f 来实现。电动机在额定励磁电流下，磁路通常已经饱和，再增加主磁通Φ比较困难，所以应减少Φ。保持端电压U 和电枢回路总电阻R a 不变，减少Φ时的人为机械特性如图3-4所示。图中，曲线1是固有机械特性，曲线2、3分别是将主磁通减为Φ1、Φ2（Φ2
n
图3-4 改变磁通调速
改变磁通调速通常只能将转速从基速调高。若负载转矩不变（设To 不变），则减少主磁通Φ后，电枢电流I a 增大，输入功率P 1增加，而输出功率P 2也与转速n 成正比增加，因此调速时效率基本不变。
改变励磁电流可以通过在励磁回路串联电阻器来实现，因此该调速方法设备简单，功率消耗少，可以方便地实现转速的平滑调节。但受换向、机械强度和运行稳定性的限制，主磁通不能减少得过多。一般最高转速为（1.2～1.5）n N ；特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速可达到（3～4）n N 。
他励直流电动机用于调速电气传动系统中时，广泛采用降低端电压与减少磁通相结合的双向调速方法，能在宽广的转速范围里平滑、经济、高效率地调速。因此说，他励直流电动机具有优良的调速性能[14]。
3.3 PWM调压调速原理
在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，直流调速技术已广泛运用于工业、航天领域的各个方面。最常用的直流调速技术是脉宽调制（PWM ）直流调速技术，它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。
通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，直流电动机转速的表达式为：
U -IR
n = （3-3）
K Φ
U ：电枢端电压；I ：电枢电流；R ：电枢电路总电阻
Φ：每极磁通量；K ：电动机结构参数
绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。
U
图3-5 (a) PWM 调速控制原理
Ui 0 Us 0
t
图3-5 （b ）PWM 调速控制输入输出电压波形图
图3-5中，电动机的电枢绕组两端的电压平均值： U 0=
t 1U s +0t 1
=U s =αU s （3-4）
t 1+t 2T
t 1
T
其中，α为占空比，α=
占空比α表示在一个周期T 里，开关管导通的时间与周期的比值。α的变化范围为0
在PWM 调速时，占空比α是一个重要参数。以下3种方法都可改变占空比的值。
1）定宽调频法
这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T （或频率）也随之改变。 2）调宽调频法
这种方法是保持t2不变，而改变t1，这样使周期T （或频率）也随之改变。 3）定频调宽法
这种方法是使周期T （或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这2种方法用得很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法[12]。
AT89S51单片机利用定时器定时，发出PWM
脉冲，根据检测温度状态，改
变占空比。
3.4单片机的脉宽调制原理
3.4.1概述
晶体管器件水平的提高及电路技术的发展，PWM 技术得到了高速发展，各种各样的脉宽调速控制器，脉宽调速模块也应运而生，许多单片机也有了PWM 输出功能。而AT89S51系列单片机作为应用最广泛的单片机之一，却没有PWM 输出功能，本设计采用定时器配合软件的方法实现了AT89S51单片机的PWM 输出调速功能，这对精度要求不高的场合是非常实用的[15]。
AT89S51单片机内部有两个16位定时/计数器T0、T1，本设计采用定时器T0进行编程，改变PWM 信号的周期和占空比，由P0.0口输出PWM 控制信号。
3.4.2 PWM周期与占空比
电机由P0口的一位来控制。驱动电路的输入由P0口的这个位线的输出方波控制。定时计数器每中断一次，就使P0口控制位线产生一个高电平或低电平。这里把直流小电机的速度级设为4个等级，由等级数来决定一个周期的高电平的总个数。定时器设置为为25ms ，一个方波周期由4个定时周期组成（图3-6），即周期为100ms 。占空比为高电平维持时间比上一个周期总的时间。当高电平为1个定时周期时，占空比为1/4，速度最低；当高电平为4个定时周期时，一直为高电平，相当于电机全速运行，速度最高。
图3-6 点击调速方波
3.4.3 定时/计数器工作方式及控制寄存器的设置
16位定时/计数器T0、T1，T0由TH0、TL0构成，字节地址为8CH 、8AH ；T1由TH1、TL1构成，字节地址为8DH 、8BH ；
与定时/计数器有关的控制寄存器有3个： 1）定时器控制寄存器TCON （88H ）
SFR 寄存器TCON 既参与定时控制又参与中断控制，有关定时控制的有4位，表示如下：
表3-1定时器控制寄存器TCON
TF1/TF0：当T1/T0的计数器计数溢出时，该位置“1”。TR1/TR0：T1/T0运行控制位。软件将其置“1”时，启动T1/T0工作。
2）设定定时器工作方式寄存器TMOD （89H ）
SFR 寄存器TMOD 用于2个定时器/计数器T1/T0的工作方式设定，各位的含义表示如下：
定时/计数器1 定时/计数器0
GATE ：门控位，定义T1/T0的启动方式，逻辑如图：
图3-7逻辑图
C/T：定时
/
计数功能选择位。为“0”，作定时器用；为“1”，作计数器用。 M1M0：工作方式选择位。 00 方式0 01 方式1
13位计数器 16位计数器
10 方式2 初值自动重装8位计数器 11 方式3 2个8位计数器，仅适用于T0 3）中断允许控制寄存器IE （A8H ）
IE 在特殊功能寄存器中，字节地址A8H ，位地址分别是A8H ～AFH [16]。 在本设计中选用定时计数器T0作为产生脉冲用的定时器并且使它工作在模式1下。在模式1下，寄存器TH0和TL0以全8位参与操作，构成一个16位定时/计数器，当TH0溢出时向中断标志位TF0进位，表示定时已到，转而执行其它程序。在这种模式下T0定时时间最长，有利于在更大的范围内对电机进行调速。
因在程序中T0是作为定时器，T0的C/T控制位就应设置为0；T0工作在模式1，TMOD 中控制T0的M1M0应设置为01，其它位全部设置为0，即应给工作模式寄存器TMOD 赋值01H 。
工作模式1时的电路逻辑结构如图3-8所示。
Fosc/12
fosc T0(P3.4)TR0GATE
图3-8工作模式1时的电路逻辑结构图
作定时器 △T=（M — 计数初值）× 机器周期（12/fosc）, 计数初值=M —欲计数脉冲数=M—△T/ 机器周期。
式中M 为计数器模值，该值和计数器工作模式有关。在模式1时M 为216。在程序设计中工作模式为模式1，则计数器模值M=216=65536；单片机的晶振频率为12MHz ，定时时间长度为25ms ，机器周期为12/12×106=1×10-6, 则计数初值=65536-25×10-3/10-6=40536=9E58H
则：给定时器赋值时 MOV TH0,#9EH MOV TL0,#058H
不同占空比的四种方波都是多次调用定时器定时25ms 的程序来完成的。例如：在定时器程序中，先查询单片机的P1口的输入状态，若是F0H ，则调用占空比为0的程序，即是P0.0口输出低电平，不调用定时程序；若是F1H ，则调用占空比为1/4的程序，即先设置P0.0为高电平，定时25ms ，再使P0.0输出低电平，用软件计数，执行3个定时周期；若是F3H ，则调用占空比为1/2的程序，即先设置P0.0为高电平，用软件计数，执行2个定时周期，再使P0.0输出低电平，用软件计数，执行2个定时周期；若是F7H ，则是调用占空比3/4的程序，即先设置P0.0高电平，用软件计数，执行3个定时周期，再使P0.0输出低电平，定时25ms ；若是FFH ，则是调用占空比为1的程序，即设置P0.0高电平，用软件计数，执行4个25ms 定时周期 [17]。
这样，完成了利用单片机脉宽调制过程。
第四章 智能风机控制系统的硬件设计
4.1 智能风机控制系统的原理框图
系统硬件电路主要包括：温度采集电路、温度比较电路、单片机、风扇驱动电路、风扇测速电路、LED 速度显示电路和电源电路，现将各部分电路分解。
图4-1系统的原理框图
图4-1表明了本系统的整体结构、主要模块之间的逻辑关系和大致功能。其中，输入模块有温度采集电路、温度设定电路、温度比较电路，输出模块有风扇驱动电路，测速模块，LED 显示模块。温度采集电路的核心部件是负温度系数温度传感器（NTC ）, 可将温度信号转化成电压信号，实现从非电量到电量的转换。温度比较即是通过电压比较器把温度信号转换的电压信号，同设定的某设定温度时的固定电压进行比较，改变比较器的输出电平，经过单片机的处理后以PWM 方式输出驱动电机工作。电源电路提供整个系统工作必须的直流电源。
4.2 智能风机控制系统硬件实现
4.2.1温度采集电路
本设计中，本设计中采用的是MF52D103F3950。要求风扇在温度大于37℃时开始启动，以低速第一档速度运行，大于45℃时以第二档速度运行，大于57℃时，以第三档速度运行，大于65℃时全速运行，降低机箱温度。
测温电阻实际上是分压电路的一部分，电路供以5V 电压。在测温电阻上测得的电压随温度而变化。对于本设计采用电压比较器对温度分段控制，与其他设计比较是一种简便易行的方案。它将模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号。
4.2.2温度比较电路
本设计中，比较器单电源+5V供电，目的是比较器的输出端能够直接与单片机的I/O口连接。比较器中同相端接一电阻，这个电阻是用来提供固定参考电压的。LM339中的反相端连接在一起，并接一个热敏电阻，采集温度，随着温度
的改变，热敏电阻值也随之发生变化，温度越高，电阻值越低。反相端的电压就等于热敏电阻Rt 的电压降。同相端分别接一个电位器，调节电位器的电阻值，使之分别为5.9 KΩ、4.339 KΩ、2.748 KΩ、2.06 KΩ，这样的电阻所提供的固定参考电压，与热敏电阻的电压进行比较，改变比较器的输出电平，电路如图4-2所示。
当机内温度为设定值37℃以下时，芯片中四个比较器的“+”端电压分别都小于“-”端电压，此时，四个比较器的输出端的电平均为低电平，记为0000；当机内温度为37℃以上，45℃以下时比较器1的“+”端电压大于“-”端电压，比较器1的输出端为高电平，其他三个比较器的输出端都为低电平，记为0001；当机内温度为45℃以上，57℃以下时比较器1和比较器2的“+”端电压大于“-”端电压，这两个比较器的输出端为高电平，其他两个比较器的输出端为低电平，记为0011；当机内温度大于57℃，65℃以下时，比较器1、比较器2和比较器3的“+”端电压都大于“-”端电压，输出端都为高电平，比较器4的“+”端电压小于“-”端电压，输出端为低电平，记为0111；当机内温度达到65℃以上时，四个比较器的“+”端电压都大于“-”端电压，因此四个比较器的输出端都为高电平，记为1111。
图4-2比较器部分电路图
4.2.3 单片机
单片机在检测和控制系统中得到广泛的应用，本设计以AT89S51单片机为核心，以比较器的输出电平作为输入达到控制直流风扇的启停、速度调整。在设计中，采用了PWM 技术对风扇转速进行控制，通过对输出占空比的控制达到精确调速的目的。
P1口作为比较器输出信号的接收端，信号输入到单片机，经过处理后，再由P0.0口输出PWM 控制信号，风扇驱动电路工作。P3.5口接霍尔传感器的输
出端，单片机的P2.7口接一LED 显示驱动电路。当测速电路中的计数结束后，会产生一个标志信号，驱动LED 显示转速。
4.2.4 风扇驱动电路
本设计采用三极管8050驱动风扇。P0.0口输出低电平时，晶体管置于关断状态。当P0.0输出高电平时，使晶体管导通，反向连接的二极管为续流二极管，起保护作用。如图4-3所示。
图4-3驱动电路图
4.2.5风扇
本设计中风扇的选择空间很大，+5V、12V 供电电源都可以，只要改变驱动电路的功率管就可以。例如，若采用大功率的风扇，可相应选用大功率的功率管驱动即可。本设计在实验中采用的是5V 供电电源的直流风扇。风扇的正端接5V 电源，负端接驱动三极管的集电极，由PWM 信号控制三极管的导通和关断，来控制风扇的转速。
4.2.6 测转速电路
本文采用A44E 集成开关型霍尔传感器，实现风扇转速的测量。风扇电机上的磁钢转动时，当霍尔传感器靠近磁钢时，就会产生一个脉冲，在一分钟内记下，产生的脉冲个数，就能得到风扇的转速。霍尔传感器的脉冲输出端接在单片机的P3.5口，其电路如图4-4所示。
图4-4 霍尔传感器
4.2.7 LED显示电路
本设计采用MAX7219串行输入输出的共阴极LED 显示驱动器。
风扇的转速最大可达上万转，因此选用五个LED 管共阴数码管，作为显示。MAX7219 内部设有扫描电路, 除了更新显示数据时从单片机接收数据外, 平时独立工作, 极大地节省了MCU 有限的运行时间和程序资源。由图4-5可以看出此芯片无需片选信号, 它具有一个3 线串行接口, 可以方便地直接与单片机的串行接口相接, 单片机的数据端RXD 直接连接于MAX7219的串行数据输入端DIN ；单片机的同步移位脉冲端TXD 与串行时钟端CLK 直接相连,CLK 的最高频率为10MHz. 由寄存器地址和操作命令组成的十六位数据包发送到DIN 端, 在每一个CLK 的上升沿锁存到芯片内部的移位寄存器中, 在LOAD 的上升沿数据的最后十六位被锁存到数据或控制寄存器中。MAX7219 无需其它芯片资源即可以驱动八位共阴极 LED 显示器。MAX7219与单片机硬件接口如4-5所示。
图4-5 MAX7219与单片机硬件接口
4.3 智能风机控制系统电路原理图
电路原理图如图4-6所示
图4-6 系统电路原理图
第五章 智能风机控制系统的软件设计
本系统的控制软件采用模块化结构设计，各个功能块相互独立，并容易根据
需要扩展。在结构上由一个主程序、和定时中断服务程序组成。
5.1 主程序
主程序主要完成单片机初始化及定时器计数器T1、T0的初始化功能，并查询P1口状态。
首先查询P1口的状态，根据不同状态，完成不同速度的控制程序。定时器T0用作定时25ms ，定时器T1用作计数。当P1口为0F0H 时，完成零速度档控制；当P1口为0F1H 时，完成第一档速度控制；当P1口为0F3H 时，完成第二档速度控制；当P1口为0F7H 时，完成第三档速度控制；当P1口为0FFH 时，完成第四档速度控制。定时器T0中断服务程序开始时完成转速测量。主程序流程图如图5-1所示。
图5-1 主程序流程图
5.2定时器定时子程序
图5-2定时器定时子程序流程图
5.3 定时器T0中断服务程序
定时器T0定时一分钟后，执行中断服务程序。
图5-3 定时中断服务程序
第六章 智能风机控制系统的调试
在对控制器进行性能检验实验前要对各子程序分别进行初级调试，确保各个子程序运行正确，程序的执行流程正确，才能保证系统的各组成模块正常工作，实现预定的功能。主要分为以下几个部分进行。
6.1 软件编译及仿真
使用伟福S51仿真器进行硬件和软件调试，主要调试内容有：检验单片机
系统是否烧好程序；编程各速度档位程序，检验单片机是否正常输出，驱动电路是否正常工作，达到预定的效果。
6.2温度检测电路的调试
MF52D103F3950热敏电阻接到比较器的反相端，比较器的同相端接电位器，调整四个10K 的可调电阻，使它们的阻值分别为5.9 KΩ、4.339 KΩ、2.748 KΩ、2.06 KΩ，这样，就组成了四个速度的档位。改变热敏电阻感测的温度，观察比较器的输出是否发生变化。
6.3运算子程序调试
运算子程序有定时子程序，PWM 不同波形子程序等。调试时对于许多未知的参数，根据所需的条件，给出假定的数据，使程序逐个执行，如能完成预定的处理功能或与手工计算的结果相符，就说明该程序已通过调试。由于一些程序中又包括下一级的子程序，例如，速度档位程序中包含定时子程序，调试顺序为下到上。
6.4 整个程序的联调
对整个软件程序进行连续调试，看各子程序间有没有冲突；程序运行步骤
是否正确，在某时刻程序运行所处的位置是否正确。多次运行调试，若每次结果都正确，则说明各子程序间没有矛盾，反之，要对子程序做相应的改动，然后重新调试。反复调试，直至整个程序能连续正确地运行，整个软件调试才结束。
把程序写入伟福编译器里，进行编译无错误后，并经调试后，程序能够正确运行，把程序烧到单片机里，硬件部分焊接好，单片机的PWM 信号输出端接一个示波器，烘烤温度传感器，即改变热敏电阻的测得的温度，观察示波器显示的波形，则实验成功完成。如图6-1所示
V
（a ）
V 5
t
V
5 0 V 5 0
t
t
t
(d)
V 5 0
(e)
t
图6-1 不同速度时PWM 波形
第七章 总结
本控制器是以单片机为控制主板，对风机降低机箱温度进行智能控制。系统开发的流程为单片机原理学习、熟悉电子元器件性能和使用方法、进行总体结构设计、绘制系统原理图、焊接电子器件、组装成控制器、控制对象的建模、编写程序、各子程序调试、模拟实验、检测控制效果。由于时间有限，再加上本人对控制器的主要器件单片机、传感器、电机、以及其他电子元器件的功能和特性都比较陌生，所以本控制器的设计采用一边学习，一边实践的方法，在实践中摸索前进，不断调整，逐步完善。本控制器的不足之处还有待进一步完善，使其更好的服务与控制应用中。 本控制器的主要特点有：
（1）模块化设计，扩展性强。模块化设计，使控制器具有一定的通用性，而 且运行安全可靠。只要对控制器稍加改变就可以实现别的控制功能。 （2）成本低，整个控制器中的电子元器件都是实验室常备和常用器件。 （3）操作简单，打开电源开关，系统自动工作。 （4）体积小，反应灵敏，控制度高。
本控制器还不够完善，有许多值得改进的地方，以下几个方面有待进一步提高：
（1）进一步提高测量精度，提高系统集成度和可靠度。 （2）多加风扇的速度等级，使控制系统工作更加完善。
（3）对于担心噪声影响的场合，采用光电耦合器隔离电路是有效的。
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致谢
本论文的研究工作是在张秋鄂教授的悉心指导下完成的，首先我要向张老师表示诚挚的谢意。在论文研究过程中，老师高屋建领的指导了我课题研究的总体思路，设计方案，详细分析了我在研究工作中出现的错误，耐心解答我提出的问题。在论文撰写期间，导师不厌其烦的指导我论文的写作，几易其稿，每次导师都认真审阅，提出宝贵的修改意见，使我茅塞顿开。
四年来我不仅从老师那里学到了专业知识，更主要的是学到了从事研究工作的方法和严谨的科学态度，我将终身受益。我在学习期间得到了长春理工大学各位老师及同学的关心和帮助，特此感谢。
最后，向几年来朝夕相处，真挚善良的同学们表示深深的谢意。
附录 热敏电阻数据
MF52型常用规格电阻值--温度对照表(单位：KΩ)
阻值 [***********]50（50 399（100 KΩ）
KΩ）
（5KΩ） （10KΩ） （10KΩ） （15KΩ）
温度
(℃)
-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3
36.95 35.12 33.39 31.75 30.21 28.75 27.37 26.06 24.83 23.65 22.55 21.5 20.5 19.56 18.66 17.82 17.01 16.25 15.52 14.8314.18 13.56 12.97 12.41
70.78 67.32 64.05 60.97 58.05 55.29 52.68 50.2 47.86 45.65 43.55 41.56 39.67 37.88 36.18 34.57 33.04 31.59 30.21 28.927.65 26.47 25.34 24.27
98.26 92.74 87.55 82.69 78.12 73.83 69.8 66.01 62.45 59.1 55.95 52.98 50.19 47.57 45.09 42.76 40.56 38.49 36.53 34.6832.94 31.3 29.74 28.28
159.75 150.45 141.74 133.59 125.95 118.79 112.08 105.79 99.88 94.34 89.14 84.25 79.66 75.34 71.29 67.47 63.88 60.5 57.32 54.3351.51 48.85 46.34 43.97
486.08 458.63 432.91 408.79 386.17 364.94 345.02 326.3 308.71 292.18 276.64 262.02 248.26 235.31 223.11 211.61 200.78 190.57 180.93 171.84163.26 155.16 147.51 140.28
995.64 938.84 885.63 835.78 789.05 745.23 704.11 665.52 629.28 595.24 563.25 533.18 504.89 478.27 453.22 429.63 407.41 386.48 366.74 348.13330.57 314 298.35 283.58
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
11.37 10.88 10.42 9.98 9.567 9.17 8.792 8.431 8.087 7.759 7.446 7.148 6.863 6.332 6.084 5.847 5.621 5.405 5.198 5 4.811 4.63 4.457 4.291 4.133 3.981 3.835 3.696 3.562 3.434 3.312 3.194 3.081
22.27 21.35 20.47 19.63 18.83 18.06 17.34 16.64 15.98 15.35 14.74 14.17 13.62 13.09 12.59 12.11 11.65 11.21 10.79 10.39 10 9.632 9.279 8.94 8.616 8.306 8.008 7.723 7.449 7.187 6.935 6.694 6.462 6.239
25.58 24.34 23.17 22.06 21.01 20.01 19.07 18.18 17.33 16.53 15.77 15.05 14.37 13.72 13.1 12.52 11.96 11.43 10.93 10.45 10 9.569 9.158 8.768 8.396 8.042 7.705 7.384 7.078 6.786 6.508 6.243 5.99 5.749
39.64 37.65 35.78 34 32.33 30.75 29.25 27.84 26.5 25.23 24.03 22.9 21.82 20.8 19.84 18.92 18.05 17.23 16.45 15.7 15 14.33 13.7 13.09 12.52 11.97 11.46 10.96 10.49 10.05 9.62 9.215 8.83 8.462
126.99 120.88 115.09 109.62 104.44 99.53 94.88 90.48 86.3 82.34 78.58 75.02 71.64 68.42 65.37 62.48 59.72 57.11 54.62 52.25 50 47.86 45.82 43.88 42.03 40.27 38.59 36.99 35.47 34.01 32.62 31.3 30.04 28.83
256.44 243.97 232.18 221.03 210.48 200.49 191.03 182.07 173.58 165.53 157.9 150.67 143.81 137.29 131.11 125.24 119.67 114.37 109.34 104.55 100 95.67 91.56 87.64 83.91 80.36 76.98 73.75 70.68 67.76 64.97 62.31 59.77 57.35
18 6.591
41 42 43 44 45 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 73
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