智能风机控制器

-1-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-2-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。-3-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。2.2.1.1AD590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。+_AD590-4-图2-1AD590表2-1AD590系列产品的主要技术指标型号单位AD590IAD590JAD590KAD590LAD590M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/K1.0额定输出电流（+25℃）℃298.15长期温度漂移℃/月±0.1响应时间μs20壳与管脚的绝缘电阻Ω1010等效并联电容pF100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2-2AD590内部电路图-5-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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9T与11T的发射结等效面积之比8/119SSr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KATIKI000.10（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]。2.2.1.2DS18B20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93.75ms和750ms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-6-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2-3DS18B20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。-7-图2-4DS18B20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