智能风扇调速系统的设计(3)

第二章 方案设计论证

本系统实现风扇的温度控制，需要有较高的温度变化分辨率和稳定可靠的换档停机控制部件。

2.1 系统总体设计

2.1.1 系统框图

本系统由集成温度传感器、单片机、LED数码管、三极管驱动电路及一些其他外围器件组成。系统结构框图如图2.1所示。

温度传感

图2.1 系统结构框图

震荡复位电路 AT89C51 数码管显示电路 风扇驱动电路 风扇 按键输入电路 本系统通过温度传感器DS18B20采集，然后通过单片机处理并在数码管上显示，用于对温度进行实时控制操作。当温度低于温度的下限值时，电机不转，当温度介于上限和下限之间时，电机转速缓慢，当温度大于上限值时，电机转速最快。可以实现根据环境温度的变化来实现对电机转速调控。

有四个独立按键。第一个是复位键。第二个是功能键，按一次，可以进行上限温度设置，按两次，可以进行下限温度设置，按第三次恢复温度显示。第三个按键是增加键，可以对上限温度或下限温度进行增大调整。第四个按键是减小键，可以对下限温度或上限温度进行减小调整。

2.2 温度传感器的选择

温度传感器可由以下几种方案可供选择：

方案一：选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大由于温度变化

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引起热敏电阻电阻的变化，进而导至的输出电压变化的微弱电压变化信号，再用AD转换芯片ADC0809将模拟信号转化为数字信号输入单片机处理。

方案二：采用热电偶作为感测温度的核心元件，配合桥式电路，运算放大电路和AD转换电路，将温度变化信号送入单片机处理。

方案三：采用数字式集成温度传感器DS18B20作为感测温度的核心元件，直接输出数字温度信号供单片机处理。

对于方案一，采用热敏电阻有价格便宜、元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其本身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路予以纠正，但不仅将使电路复杂稳定性降低，而且在人体所处温度环境温度变化中难以检测到小的温度变化。故该方案不适合本系统。

对于方案二，采用热电偶和桥式测量电路相对于热敏电阻其对温度的敏感性和器件的非线性误差都有较大提高，其测温范围也非常宽，从-50摄氏度到1600摄氏度均可测量。但是依然存在电路复杂，对温度敏感性达不到本系统要求的标准，故不采用该方案。

对于方案三，由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，温度误差很小，并且由于其感测温度的原理与上述两种方案的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该传感器采用先进的单总线技术（1-WRIE），与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。故采用该方案。

2.3 控制核心的选择

方案一：采用电压比较电路作为控制部件。温度传感器采用热敏电阻或热电偶等，温度信号转为电信号并放大，由集成运放组成的比较电路判决控制风扇转速，当高于或低于某值时将风扇切换到相应档位。

方案二：采用单片机作为控制核心。以软件编程的方法进行温度判断，并在端口输出控制信号。

对于方案一，采用电压比较电路具有电路简单、易于实现，以及无需编写软件程序的特点，但控制方式过于单一，不能自由设置上下限动作温度，无法满足不同用户以及不同环境下的多种动作温度要求，故不在本系统中采用。

对于方案二，以单片机作为控制器，通过编写程序不但能将传感器感测到的温度通过显示电路显示出来，而且用户能通过键盘接口，自由设置上下限动作温度值，满足全方位

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的需求。并且通过程序判断温度具有极高的精准度，能精确把握环境温度的微小变化。故本系统采用方案二。

2.4 显示电路

方案一：采用数码管显示温度，动态扫描显示方式。 方案二：采用液晶显示屏LCD显示温度。

对于方案一，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。不足的地方是扫描显示方式是使数码管逐个点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为20MS，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼将感觉不到闪烁，因此可以通过增大扫描频率来消除闪烁感。

对于方案二，液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，这是LED数码管无法比拟的。但是液晶显示模块价格昂贵，驱动程序复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一。

2.5 调速方式

方案一：采用变压器调节方式，运用电磁感应原理将220V电压通过线圈降压到不同的电压，控制风扇电机接到不同电压值的线圈上可控制电机的转速，从而控制风扇风力大小。

方案二：采用三极管驱动PWM进行控制。

对于方案一，由于采用变压器改变电压调节，有风速级别限制，不能适应人性化要求。且在变压过程中会有损耗发热，效率不高，发热有不安全因素。

对于方案二，PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。故本系统采用方案二。

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第三章 硬件设计

系统主要器件包括DS18B20温度传感器、AT89C51单片机、四位LED共阴数码管、风扇直流电机。辅助元件包括电阻、电容、电源、按键开关等。

3.1 主要元器件介绍

3.1.1 AT89S51单片机简介

单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）简称单片机，是指集成在一块芯片上的计算机，它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等优点。

以下是对各个主要部分的具体介绍： 内部介绍：

（1）中央处理器又称CPU，是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

（2）定时/计数器，C51有两个16位的可编程定时/计数器，称为定时器0（T0）和定时器1（T1）。T0有专用寄存器TH0和TL0组成，T10有专用寄存器TH1和TL1组成。并且可编程定时/计数器的工作方式、定时时间、计数值、启动、中断请求等都可以由程序设定。

（3）时钟电路，C51内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。用于产生整个单片机运行的脉冲时序，系统允许的晶振频率一般位6MHz和12MHz，在应用精度要求较高的场合一般选用11.0592MHz，可以使定时器/计数器更精确。

以上是从C51单片机的内部介绍，下面再从外部看其结构。 外部介绍：

从外部结构图中我们可以看到，C51单片机有40个管脚。正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，一个复位端RESET,/EA,ALE,/PSEN三根线，P0-P3共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在对主要引脚的功能加以说明：

(1)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：接外部晶体振荡器的引线端。当使用芯片内部时钟时，两引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。这两个引脚连接的电路成为时钟电路，用来产生单片机正常工作时所需要的时钟脉冲信号。

(2)控制信号RST/Vpd、ALE/(/PROG) 、/PSEN和 (/EA)/Vpp

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RST/Vpd（9脚）：复位端。高电平有效，保持在2个机器周期宽度以上，使单片机复位，用于完成单片机的复位初始化操作。在进行单片机应用系统设计时，这个引脚一定要连接相应的电路，即复位电路。该引脚有复用功能，Vpd为备用电源输入端，防止主电源掉电。

(3)输入/输出引脚P0、P1、P2和P3口

P0.0～P0.7（39～32脚）：访问片外存贮器时作为低八位地址线和八位数据线（复用）。负载能力为8个LSTTL门。

P1.0～P1.7（1～8脚）：8位准双向I/O口。负载能力为3个LSTTL门。 P2.0～P2.7（21～28脚）：访问片外存贮器时作为高八位地址线。

P3.0～P3.7（10～17脚）：8位准双向I/O口。负载能力为3个LSTTL门。 89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51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、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。

89C51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,斯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。

最简单的上电自动复位电路中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10KΩ。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。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。时钟频率选用12时，C取10uF。单片机工作的最小模块，如图3.1所示。

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