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1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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 智能风机控制系统的组成 智能风机控
7、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 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。.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
8、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 070）。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
9、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 2-1AD590 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 最大标定温度误差（+25）额定电流温度系数 A/K 额 定 输 出 电 流（+25）长期温度漂移/月 响应时间 s 20 壳与管脚的绝缘电阻 1010 等效并联电容 pF 100 工作电压范围 V+4+30（2）工作原理 AD590 的内部电路如图 2-2 所示。芯片中的 R1 和 R
10、2 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 298.2A。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 2-2AD590 内部电路图 AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗10M，能大大减小因电源电压波动而
11、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1A，等价于 1的测温误差。AD590的工作电压为+4+30V、测温范围是-55150，对应于热力学温度 T每变化 1K，输出电流就变化 1A。在 298.15K（对应于 25.15）时输出电流恰好等于 298.15A。这表明，其输出电流 Io（A）与热力学温度T（K）严格成正比。电流温度系数Ki 表达式为 qRkTIKI30ln8 (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 表示内部晶体管与的发射结等效面积之比8/119SSr倍，然后再取自然对数值。将k/q=0.0
12、862mV/K，R=538代入式(2-1)中得到 KATIKI000.10（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 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
13、公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感+_ AD590 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
14、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：3.05.5V，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55125，在-10+85时精度为0.5；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和 0
15、.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
16、 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
17、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
18、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/LSB形式表达，其中 S 为符号位。表 2-2 DS18B20温度值格式表 bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit3 bit 2 bit 1 bit 0 LS Byte 23 22 21 20 2-1 2-2 2-
19、3 2-4 bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8 MS Byte S S S S S 26 25 24 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即可斜率累加器 预 置低温度系数晶振 计数器 1 比较 预置=0 高温度系数晶振 计 数 器=0 温度寄存器 停止 LSB 置位/清除 加 1 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 0.06
20、25即可得到实际温度。表 2-3DS18B20温度数据表 TEMPERATURE DIGITALOUTPUT（Binary）DIGITAL OUTPUT(Hex)+125 0000 0111 1101 0000 07D0h+85 0000 0101 0101 0000 0550h+25.0625 0000 0001 1001 0001 0191h+10.125 0000 0000 1010 0010 00A2h+0.5 0000 0000 0000 0010 0008h 0 0000 0000 0000 0000 0000h-0.5 1111 1111 1111 1000 FFF8h-10.1
21、25 1111 1111 0101 1110 FF5Eh-25.0625 1111 1110 0110 1111 FE6Fh-55 1111 1100 1001 0000 FC90h 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 TM R1 R0 1 1 1 1 1 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
22、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 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 位 0 1 10 位 1 1 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 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
23、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 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 7 CRC校验值 8 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
24、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。表 2-7 ROM指令表 指 令 约定代码 功 能 读 ROM 33H 读 DS1820温度传感器 ROM 中的编码（即 64 位地址）符合 ROM 55H 发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS1820 使之做出响应，为下一步对该 DS1820 的读写做准备。搜索 ROM 0FOH 用于确定挂接在同一总线上 DS1820 的个数和识别 64 位 ROM 地址。为操作各器件做好
25、准备。跳过 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。告警搜索命令 0ECH 执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。表 2-8 RAM指令表 指 令 约定代码 功 能 温度变换 44H 启动 DS1820 进行温度转换，12 位转换时最长为 750ms（9位为 93.75ms）。结果存入内部 9 字节 RAM 中。读暂存器 0BEH 读内部 RAM 中 9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部 RAM 的 3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器 48H 将 RAM 中第 3、4
26、字节的内容复制到 EEPROM中。重调 EEPROM 0B8H 将 EEPROM中内容恢复到 RAM 中的第 3、4 字节。读供电方式 0B4H 读 DS1820的供电模式。寄生供电时 DS1820发送“0”，外接电源供电 DS1820 发送“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
27、。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
28、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(00nTTneRR （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）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 MF52D1
29、03F3950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。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
30、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 2-7LM339 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“-
31、”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
32、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 UinUr 时，输出为高电平 UOH。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。UR=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
33、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 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
34、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
35、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
36、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 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
37、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）：;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
38、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 参数名称 符号 测试条件 最小值 最大值 单位 集电极-基极击穿电压 V(BR)CBO IC=100A,IE=0 40 V 集电极-发射极击穿电压 V(BR)CEO IC=0.1mA,IB=0 25 V 发射极-基极击穿电压 V(BR)EBO IE=100A,IC=0 5 V 基极截止电流 ICBO VCB=40V,IE=0 A 集电极截止电流 ICEO VCE=20V,IB=0 A 发射极截止IEBO VEB=-3V,IC=0 A 电流 直流电流增益 hFE(1)VCE=1V,IC=50mA 85
39、300 hFE(2)VCE=1V,IC=500mA 50 集电极-发射极饱和电压 VCEsat IC=500mA,IB=50mA V 基极-发射极饱和电压 VBEsat IC=500mA,IB=50mA V 基极-发射极电压 VBE IE=50mA V 特征频率 fT VCE=6V,IC=20Ma F=30MHz 150 MHz 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
40、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 Model No.Fan Size LxWxT Rate Voltage Startup Voltage Rated Current Speed Air Flow Static Pressure Noise Level Weight Packing mm VDC VD
41、C A RPM CFM mmH2O dBA Gram pcs/ctn HD-3510H05S(B)35x35x10 5 11000 1000 HD-3510M05S(B)35x35x10 5 9000 HD-3510L05S(B)35x35x10 5 6000 HD-3510H12S(B)35x35x10 12 6 11000 HD-3510M05S(B)35x35x10 12 6 9000 HD-3510L05S(B)35x35x10 12 6 6000 HD-3510H24S(B)35x35x10 24 12 11000 HD-3510M05S(B)35x35x10 24 12 9000
42、HD-35x35x10 24 12 6000 3510L05S(B)霍尔传感器 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
43、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，Vo 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)。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
44、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 88 静态 RAM 以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存
45、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
46、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。eaaCRIUn （3-1）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，在端电压和主磁通不变的条件下，在电枢回路串入附加电阻后，机械特性的斜率 增大，而理想空载转速不变。据此可得串入不同附加电阻、（）时的机械特性。当电动机拖动恒转矩负载时，将端电压由NUU 1降低到，就可使转速由高（a点）降低（b 点）。改变端电压调速
47、只能将转速从基速调低。若负载转矩不变（设不变），则调速后电枢电流不变，输入功率UUIPa1。由于nEUa，因此近似与成正比；而输出功率与成正比，所以调速时功率基本不变。图 3-3 改变端电压调速 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，再增加主磁通比较困难，所以应减少。保持端电压U和电枢回路总电阻不变，减少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、（）时的人为机械特性。当
48、电枢回路不串入附加电阻，负载转矩不过分大时，减少主磁通可使转速升高。这种方法常被简称为“弱磁升速”。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），则减少主磁通后，电枢电流增大，输入功率增加，而输出功率也与转速成正比增加，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（1.21.5）；特殊设计的弱磁调速电动机，最高转速可达到（34）。他励直流电动机用于调速电气传动系统中时，广泛采用降
49、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。n 0 A b 3 2 a 1 B T n 0 A a 1 2 3 b 4 B T 0 D B C n n0 a 1 2 3 4 T b 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：KIRU
50、n （3-3）：电枢端电压；：电枢电流；：电枢电路总电阻：每极磁通量；：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。MUsV1UiD2 图 3-5(a)PWM 调速控制原理 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：sssUUTtttUtU121100 （3-4）其中，为占空比，Tt1 占空比表示在一个周期 T里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为 0=1000&000THO8位TLO8位TFO控制 kTR0GATE/IN