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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流冷却水温度智能控制系统.精品文档.摘 要内燃机的发展日益受到节能、环保、安全等方面的高要求。而且内燃机在工作时的动力性、燃油经济性、环保性能直接与内燃机水温是否符合要求有重要的关系。本设计基于以上原因，设计了冷却水温度智能控制系统。智能控制系统将根据冷却水当前水温、工作要求等参数，以单片机为控制核心元件，实现冷却风扇风扇转速，电控导风板和节温器的开闭随发动机工况变化自动调节的目的。冷却风扇采用直流电机作为驱动。控制器还可将冷却水温及风扇转速等数据通过串口发送出去。关键词：冷却风扇 驱动系统 单片机 智能控制Abstract The devel
2、opment of the combustion engine is being energy-saving, environmental protection, safety, as well as high demand. And the performance of combustion engine, fuel economy, and environmental protection performance directly with whether the temperature of cooling water accord with the requirement when w
3、orking. This project designed the intelligent cooling water temperature control system basing on the above reasons. The intelligent control system according to the current water temperature, and cooling water will work requirements, using MCU as core control components, realize the cooling fan speed
4、, electricity wind plate and the thermostat opening and closing automatically adjust the engine when condition changes. By dc motor cooling fan as a driver. Controller can send out the date of temperature of cooling water and the speed of fan through serial port.Key Words：cooling fan driver system M
5、CU intelligent control system目录摘 要1Abstract2第一章 绪言11.1研究的目的和意义11.2内燃机冷却系统简介11.2.1水冷系统 11.2.2 风冷系统21.2.3节温器简介3第二章 方案论证与选择42.1 水冷系统风扇驱动方式简介42.1.1 直接风扇传动42.1.2 直流电机传动42.1.3 液压驱动或粘性驱动42.1.4 离合器传动52.2 冷却风扇驱动方式的选择52.3 控制系统结构及控制策略6第三章 硬件电路的设计93.1 单片机芯片的选择设计方案93.1.2单片机选择103.1.2 AT89S52单片机特点与性能10图3.2 AT89S52
6、引脚图113.1.3 单片机最小系统的构成133.2 测温电路设计143.2.1 DS-18B20数字温度传感器简介153.2.2 DS18B20供电方式183.3测速电路193.4显示电路203.5 报警器电路223.6 电磁继电器的选择223.7 冷却电机驱动电路设计233.8 串口通信电路253.8.1 RS-485通信介绍253.8.2 光耦电路263.8.3 接口电路的设计27第四章 软件设计284.1 主程序设计2842 键盘扫描子程序设计294.4 PWM信号产生子程序314.5 测温子程序334.6 PID控制器数字化364.6.1 模拟PID控制器364.6.2 PID控制算
7、法的数字实现374.7 通信子程序38第五章 设计总结39第六章 参考文献40第七章 科技论文翻译41第八章 致谢71第九章 附录72程序清单72第一章 绪言1.1研究的目的和意义高温还会破坏气缸壁上的润滑油膜,使润滑油氧化变质,以致活塞、活塞环和气缸套严重磨损、咬伤或粘着。此外，过高的温度还会使进入气缸的空气密度降低，引起爆震、早燃等不正常燃烧现象。内燃机在工作时的动力性、燃油经济性、环保性能直接与内燃机水温是否符合要求有重要的关系。内燃机各工况下，水套散热量呈非线性关系变化，冷却系统应能根据内燃机水温， 自动调节冷却强度，以使内燃机获得可靠和有效的热状态，从而达到节能、减排的效果。为了保证
8、内燃机正常、可靠的运转，必须通过冷却系统对这些高温机件冷却。随着燃油价格的上涨和环境保护的压力，冷却技术已成为优化内燃机温度控制，提高燃油效率及改进环境特性的重要环节。1.2内燃机冷却系统简介冷却系统即用吸热介质冷却高温零件，以保持内燃机在最佳温度状况下工作的装置。采用水作为冷却介质的称为水冷式冷却系统，采用空气作为冷却介质的称为风冷式冷却系统。1.2.1水冷系统水冷系统使高温机件的热量先传给水，然后再将热量散掉。水冷系统由节温器、散热器、风扇、水泵和水套等组成(图1)。在气缸盖和机件中铸有存水的水套，以便使水接近受热机件。一般采用结构紧凑、输水量大的离心水泵(见离心泵)，由曲轴通过皮带驱动水
9、泵。冷却水经水泵供入水套并从气缸壁和气缸盖吸收热量后流入散热器的上水箱内。在散热器的上下水箱间排列有许多用金属材料制成的扁平直管，管的周围装有许多薄的散热片。风扇安装在水泵皮带轮上，风扇带动空气高速从散热片间流过散热器。散热器上水箱内的热水在流过散热器的扁平管内流往下水箱时，将热量传给空气而得到冷却。这种用泵强迫冷却水循环的系统称为强制冷却系统。还有一种不用泵的自然对流冷却系统。图1.1 内燃机水冷系统1.2.2 风冷系统风冷系统使高温机件的热量直接散入空气中的冷却系统。风冷系统由风扇、导风罩、挡风板和散热片组成（图1.2）。气缸盖和气缸外表面都设有散热片，以增加散热面积。风扇将空气经导风罩、
10、挡风板吹过气缸盖和气缸。空气流经散热片时将气缸盖和气缸的热量带走。导风罩和挡风板的作用是更有效地利用空气流，并使各缸冷却均匀。风冷系统直接用空气冷却，因此比水冷系统结构简单。它不用水作冷却介质，所以不会发生漏水、冻结和沸腾等故障。因此，在严寒或酷热天气、缸水或沙漠地带使用风冷系统非常方便，但它不如水冷系统冷却均匀、可靠，且噪声较大，因此风冷系统在内燃机中的应用不如水冷系统普遍。图1.2：内燃机风冷系统1.2.3节温器简介节温器是控制冷却液流动路径的阀门。是一种自动调温装置，通常含有感温组件，借着膨胀或冷缩来开启、关掉空气、气体或液体的流动。内燃机节温器可以根据冷却水温度的高低自动调节进入散热器
11、的水量，改变水的循环范围，以调节冷却系的散热能力，保证内燃机在合适的温度范围内工作。常用节温器为蜡式节温器，当冷却温度低于规定值时，节温器感温体内的精致石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭发动机与散热器之间的通道，冷却液经水泵返回发动机，进行发动机内小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始融化逐渐变为液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力，推杆对阀门有向下的反推力使阀门开启。这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水泵流回发动机，进行大循环。图1.3：蜡式节温器第二章 方案论证与选择2.1 水冷系统风扇驱动方式简介目前冷却风扇调速技术有直接传动、电机驱
12、动、离合器传动、液粘传动、液压传动，以及正在孕育中的电磁流变传动等多种技术方案。2.1.1 直接风扇传动早期冷却系的风扇驱动大多数均采用直接驱动，由发动机曲轴通过V形带带动冷却风扇旋转，发动机转速越快，风扇转动越快，只要发动机启动，它就要运转。显然，这种方式不能有效地协调散热需求与散热能力之间的关系，如车辆在高温、低速、大负荷行驶时，散热需求大，但由于发动机转速低，水泵的泵水量和风扇的扇风量均很小，冷却系的散热能力小，发动机易过热；而车辆在小负荷、低温条件，以经济时速行驶时，冷却系统的冷却能力又显得过剩。2.1.2 直流电机传动传统直流电机驱动风扇控制系统由电机、风扇、继电器和温控开关组成。风
13、扇由电机单独驱动，设置在冷却液内的温控开关和继电器组成控制回路，当冷却液温度低时，温控开关、继电器激磁线圈没有电流通过，与电机串联的继电器触点开关处于断开状态，风扇不转动。当冷却液温度高时，温控开关接合，继电器接通电机主回路，带动风扇旋转。电动风扇采用蓄电池提供电源，风扇、散热器位置安装灵活，增加了风扇容积效率，提高了冷却效果，且由于采用电信号，容易实现自动控制。2.1.3 液压驱动或粘性驱动采用液压驱动和粘性驱动可以实现冷却风扇的无级调速，液压驱动的转速控制精度最高，但成本也高，只在豪华轿车和一些大功率工程机械上有应用；粘性驱动成本低，但转速控制滞后较大，控温效果一般。图2.1内燃机冷却风扇
14、驱动示意图1：传动轴。2：V形带。3：主动轮。4：散热片。5：冷却风扇。6：被动轮2.1.4 离合器传动电磁风扇离合器的结构如图2.2所示，利用冷却液温度传感器产生输入信号，温度升高到设定值时，离合器线圈励磁回路自动接通，使衔铁与胶带轮在磁力作用下接合，风扇工作；当冷却液温度降低后，传感器开关断开，衔铁在膜片弹簧的作用下迅速复位，离合器脱离，风扇停止工作。一般，电磁离合器对于转速仅有开关控制。根据供电是否采用电刷，电磁风扇离合器分为无刷式和有刷式两大类，相对无刷式电磁风扇离合器来说，有刷式电磁风扇离合器结构复杂、可靠性差。图2.2 电磁离合器原理图2.2 冷却风扇驱动方式的选择从目前的实际应用
15、情况来看，绝大多数客车企业仍然在使用传统的V型皮带传动，但正在逐步减少；而采用皮带传动+角传动器、硅油风扇离合器和电磁风扇离合器的比例正在逐年提高；部分高档客车已经采用液压风扇驱动技术；电动风扇技术在客车上的应用处于探索试验阶段，现有一些混合动力车上装有电动风扇。电动风扇技术发展前景广阔，相信在不久的将来能够在客车行业得以推广应用。汽车工业的发展日益受到节能、环保、安全等方面的高要求。各种严格的法规迫使设计者开发新一代的汽车时，要使作为汽车“心脏”的内燃机尽可能在最佳工况范围内工作，但是单纯在机械上的改进与完善效果不是很好，这些改进使机构变得更复杂，而且收效甚微。电子控制元件具有结构紧凑、可靠
16、性高、耗电量少、适应性好、成本较低等优点用智能电控代替机械在控制上的改进效果显著。采用电动冷却风扇，可以根据水温和进气温度通过ECU (电子控制单元)控制散热器风扇转速，来改变散热器的进风风量，克服传统冷却风扇的缺陷，满足内燃机各种工况的散热要求。采用电动风扇的冷却系统方案有：多装风扇；散热器和中冷器可并联或独立布置，也可横置或侧置，从而电动风扇的优势在于：根据内燃机不同工况自动调节转速，使发动机处于最佳散热状态；可以实现实时控制；节能效果突出；电动风扇噪声小；布置位置不受发动机限制，布置方便。装用电动风扇的费用与传统机械传动风扇成本相当，但电动风扇的技术显然先进于机械传动风扇，能更精确地调节
17、风速，省油节能的成本就很明显了。综合电动风扇的技术优势和成本优势，本设计采用电动冷却风扇。并本文提出了一种基于AT89C51 的电气控制系统设计方案。2.3 控制系统结构及控制策略整个系统的控制器核心为单片机，辅以按键、温度检测、速度测量部分，最终实现对内燃机各个工况下的控制，系统结构图如下图2.3 控制系统结构图本设计主要研究了冷却系统节温器、风扇、导风板的电子智能驱动，设计了以位单片机为控制核心的微控制系统，实现了电动风扇和电控节温器协调下的对冷却系统水温的精确调节，从而保证了汽车在预热、过热及正常运转等各种工况下的可靠。节温器由传统的蜡式节温器改为由电磁继电器控制的电磁阀来替代。单片机根
18、据检测来的温度数据处理分析向执行元件发出控制信号，使其完成如下操作：电控冷却风扇不工作，控导风板关闭状态。电控节温器处于小循环状态(由于导风板关闭，冷却风扇不工作，以至冷却空气不能进入散热器，同时节温器处于小循环，发动机水温上升很快)；当水温升至80 ，单片机根据检测来的温度数据及温度变化数据处理分析向执行元件发出控制信号，使电控节温器的加热电阻丝断电，进人大循环控制状态；当水温达到80 。温度变化较快时，单片机又发出指令，使电控导风板处于敞开状态，此时可充分利用汽车行驶迎面风对散热器的冷却作用，尽量减少冷却风扇的工作时间；当水温高于90时，单片机经数据分析发出控制指令使电控冷却风扇工作，而此
19、时节温器仍处于大循环状态，导风板仍处于敞开状态，这时冷却系统的冷却能力最大，实现快速降温；当发动机水温降至9O，温度变化较慢时，单片机根据采样数据分析处理发出控制指令，使电控冷却风扇不工作，电控导风板处于敞开状态，电控节温器处于大循环状态。这样，直到发动机水温返升高90 。电控冷却风扇又重新工作。 图2.4 控制系统工作流程由于温度系统往往有较大的惯量，而且温度系统与外界环境之间存在着热交换，会造成系统的时变性和非线性。对于具有非线性特性的对象，若采用单回路控制，在负荷变化时，系统的性能很难满足要求。若采用串级PID 控制，主控回路是定值控制系统，副控制回路是随动控制系统，主控调节器可以按照操
20、作条件和负荷变化相应地调节副控制回路的给定值，因而可以保证在负荷和操作条件变化的情况下，调节系统仍然具有较好的品质。同时，若采用转速负反馈组成闭环控制的控制器后，可以得到理想的特性较硬的人工机械特性。因此，采用串级PID算法时，控制系统框图如图2.5 。 图2.5 控制系统框图以冷却风扇的转速作为副控制对象的被控量，由转速调节器、冷却风扇以及转速测量环节组成副控制回路。该回路实际上构成了一个随动控制系统，即转速给定值是事先不知道的，而由温度调节器的输出给定，转速随着给定的变化而变化。而以冷却对象（冷却水）温度为主控制对象的被控量，由温度调节器、副控制回路、冷却对象以及温度测量环节组成主控回路。
21、该回路是一个定值控制系统，即通过温度调节器和转速调节器的调节作用灵活地控制冷却风扇的转速，使得冷却水的温度稳定在一个恒定范围上，从而使内燃机工作在最佳的温度。单片机每隔适当的时间(即采样时间t，可根据不同的实际应用场合而定)从DS18B20读取实时温度。单片机读取到温度值后，同设定值比较，若大于设定温度，就控制启动电机，并根据温度值所处在的具体范围调制适当的PWM控制信号，实现不同的温度下电机有不同的转速，达到节能等目的。第三章 硬件电路的设计整个系统的控制器核心为单片机，辅以按键、温度检测、速度测量、电机驱动等部分，最终实现对内燃机各个工况下的控制。3.1 单片机芯片的选择设计方案3.1.1
22、 单片机技术现状及将来发展趋势对于器件方面来讲，单片机具有如下的特点：体积小：基本功能部件满足要求 可靠性高：BUS 大多在内部； 电磁屏蔽功能强：实时响应速度；I/O 直接操作使用方便：硬件设计简单；提供开发工具资料 性能价格比高：电路板小；接插件少 易产品化：研制周期短图3.1单片机结构示意图目前，单片机正朝着高性能和多品种方面发展，尤其是8 位单片机，以其价格低廉、应用软件齐全、开发应用方便等特点成为当前单片机中的主流，16 位单片机和专用单片机也已进入普及应用阶段。单片机的发展具体体现在如下几个方面：（1） CPU 的发展：速度、精度功能增强，性能不断提高（2） 存储器的发展（3） 内
23、部资源增多：A/D、D/A、EEPROM（4） 加强片内输入、输出接口功能 （5） 外围电路内装化 （6） 多功能引脚 （7） 制造工艺上的提高 （8） 片内ROM 中固化应用软件和系统软件（9） 寻址范围大 单片机的技术还在不断发展，新型单片机还将不断涌现。当前单片机的产量占整个微机（包括一般的微处理器）产量的80% 以上，在我国，低档8 位单片机于20 世纪80 年代就开始应用，目前已转向高档的8 位和16 位单片机的开发和应用。当前嵌入式系统的出现给高端单片机的应用又增添了新的活力。3.1.2单片机选择目前世界上有很多单片机制造公司，如美国的Intel、ATMEL、ZILOG、荷兰的PH
24、ILIP公司等。他们相继推出了各种类型的单片机，其中Intel公司推出的一种高性能8位单片机MCS-5l系列单片机以其优越的性能，成熟的技术和高性价比，迅速占了工业测控和自动化工程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。MCS-51系列单片机，是Intel公司继MCS-48系列单片机之后，在1980年推出的高档8位单片机。当时MCS-51系列产品有8051、8031、8751、80C51、80C31等型号。它们的结构基本相同，其主要差别反映在寄存器的配置上有所不同。8051内部没有4K字节的掩膜ROM程序存储器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。
25、除了INTEL公司外，PHILIP，ADM等公司纷纷推出了与MCS-51系列兼容的单片机，其中ATMEL公司的89系列单片机也称Flash单片机，在内部功能的引脚上与MCS-51单片机是兼容的，它不仅继承了MCS-5l原有的功能，而且又扩展了它的功能。ATMEL89系列单片机是ATMEL公司的以8031核构成的8位Flash单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有Flash存储器经过比较分析，根据本课题的特点，我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89S52。3.1.2 AT89S52单片机特点与性能AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可
26、在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，二个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52
27、可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止图3.2 AT89S52引脚图按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。AT89S52共有四个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。P0端口，该口是一个8位漏极开路
28、的双向I/O口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电
29、流。在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表3.1所示。 P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器（如执行MOVX DPTR指令）时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的
30、外部数据存储器（如执行MOVX RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。 P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。表3.1 P1口管脚复用功能端口引脚复用功能P1.0T2（定时器/计算器2的外部输入端）P1.1T2EX（定时器/计算
31、器2的外部触发端和双向控制）P1.5MOSI（用于在线编程）P1.6MISO（用于在线编程）P1.7SCK（用于在线编程）在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表1-2所列。在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。表3.2 P3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）3.1.3 单片机最小系统的构成89S52是片
32、内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用89S52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图89S52单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。1、时钟电路89S52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。89S52单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便
33、产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振的速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值。所以本设计中，振荡晶体选择12MHZ,电容选择30pF。图3.3单片机时钟电路2、复位电路89S52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式
34、。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用12MHZ时C取10uF,R取10K。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。按键手动复位电路见图。时钟频率选用12MHZ时，C取10uF,R1取10K。图3.3 89S52复位电路图3.4 89S52单片机最小系统3.2 测温电路设计本设计中，需要采集内燃机冷却水的温度，用以实时监测冷却水温和控制冷却风扇的转速，为此，可由以下几种方案可供参考：方案一：采用电阻分压，电容隔离干扰的，阻容温度采
35、集电路，在这种电路中我们采用热敏电阻作为温度传感器，接+5V电压，当温度传感器即热敏电阻受到温度的变化而阻值发生变化的时候，在分压电阻上的电压值就发生了变化，这样一来，不同的电压值，进行AD转换后送到控制器中进行相应处理。就可读出测取温度。方案二：采用智能温度传感器DS18B20来进行温度的测量：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912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
36、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。综上所述，考虑到传统的热敏电阻的可靠性差、测量温度准确率低等特点，故而放弃方案一；另外采用DS18B20芯片，因为它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化为串行的数字信号进行处理，而且每一片DS18B20都有惟一的产品号并可存入其ROM中，以便构成在大型温度测控系统时在单线上挂接任意多个DS18B20芯片，另外由该芯片构成的温
37、度采集电路简单方便。因此，我们最终确定使用DS18B20来实现温度的采集工作。3.2.1 DS-18B20数字温度传感器简介1 DS18B20的主要特性1.1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电1.2、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1.3、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1.4、温范围55+125，在-10+85时精度为0.51.5、可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125
38、和0.0625，可实现高精度测温1.6、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1.7、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。图3.5 PR-35封装引脚图(1) DQ为数字信号输入/输出端； (2) GND为电源地；(3) VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。2 DS18B20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，温度报警触发器TH和TL,配置寄存器。DS18B20内部结构图如图4.5所示。图3.6 DS18B20内部结构图64
39、b闪速ROM如下： 开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。3 DS18B20测温原理DS18B20测温原理如图3.7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
40、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3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3.7 DS18B20测温原理图4 内部存储器 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。对于非易失性温度报警触发器TH、TL，用户可以通过软件写入报警上下限，来设定温度采集时的最高值和最低值。当DS18B20完成温度转换后，温度值与
41、从存储在TH、TL内的报警触发值相比较。由于TH、TL都是8为寄存器，而温度转换数据为9-12位，最高八位为整数值，剩余位为小数位，因此温度转换数据的小数为在比较时可以忽略。TH或TL的最高值对应于16位温度寄存器的符号位。如果温度测量的几个高于，那么器件内报警装置自己将置位，每次温度测量都会更新此标志位。表3.3 DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容字节地址温度值低位 （LS Byte）0温度值高位 （MS Byte）1高温限值（TH）2低温限值（TL）3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校验值8高速暂存存储器由9字节组成，其分配如表3-1所示。其中温度信息存放在第一二字节，TH和TL存
42、储在第三四字节，配置寄存器为第五字节，第六至八字节未用，前五字节在每一次上电复位时都会被刷新；第九字节读出的事前面所有八字节的CRC码，可用来保证通信正确。配置寄存器 该字节各位的意义如下：TMR1R011111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） 3.4 温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms由表可见，设定的分辨率越高，所
43、需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。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1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩张的二进制补码形式存储在高速缓存存储
44、器的第一二个字节。图所示为12位分辨率的情况，低四位为温度小数位，对应温度值分别为0.0625、0.125、0.25、0.5.如果设置为低分辨率，则其中高位的无意义位为0.单片机可通过单线接口读取该数据，读取数据时低位在前，高位在后。3.2.2 DS18B20供电方式要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由 于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的 能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。图10 寄生电源供电方式DS18B20的外部电源供电方式在
45、外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证 转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空 ，否则不能转换温度，读取的温度总是85。图11 外部电源供电方式 本设计采用外部电源供电方式。3.3测速电路光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴
46、，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。一个小型的直流电机，在直流电机的转轴上安置一个小转盘，在转盘的边缘上有4个小孔，在电机的底座上有个槽型光耦传感器，当电机转动时，带动转盘转动，在转盘转动时，槽型光耦就会输出一个脉冲信号，然后用51单片机的计数器去采集传感器输出的信号，先计算电机所转的圈数，最终得出电机的速度，在数码管上显示出来。图12 测速示意图 测速部分框图图13 光电脉冲产生及整形电路3.4显示电路显示电路主要用来显示冷却风扇的转速和冷却水的温度，冷却风扇要4位显示
47、，冷却水温度显示需要4位显示，显示器选用数码管LED显示。在本设计中，我们采用89S52单片机直接驱动LED显示接口的方式。LED（发光二极管显示器）是由发光二极管显示字段的显示器件。，若包含小数点时，则附加一只发光二极管显示小数点。LED数码管的ag七个发光二极管。加正电压的发光，加零电压的不能发光，不同亮暗的组合就能形成不同的字型，这种组合称为字型码。共阳极和共阴极的字型码是不同的，对于共阴极LED，当管脚接高电平，其对应的发光二极管点亮；对于共阳极，刚好相反，当管脚接低电平，其对应的发光二极管点亮。共阳极管脚3、8接电源，共阴极管脚3、8接地。采用适当的编码，可以控制LED显示所希望的符号。通常把控制LED显示的8位控制码称为段选码。