-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 ⑴。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-2 -

集成电路控制，节电 50%，噪声可降低20%至30%左右 ［2］

O

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。

22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~+150C）、TO-92封装（测温范围是 0~70C）。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~+150C,最大非线性误差为±）3C，响应时间仅 20微妙，重复性误差为±0.05C，功耗约2mW。 -4 -

图 2-1 AD590 表2-1 AD590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 C ±3.0 ±1.5 ±).8 ±0.4 ±0.3

取大标疋温度误 差（+25 C） C ±0.0 ±5.0 ±2.5

±1.0 ±0.5

额定电流温度系 数 卩A/K 1.0

额定输出电流 （+25 C）

C 298.15

长期温度漂移 C / 月 ±).1

响应时间 (1S 20

壳与管脚的绝缘 电阻 Q

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R2是采用激光修正的校 准电

阻，它能使298.2K（ +25C）下的输出电流恰好为298.2讥 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） Xl0-6/C。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+25C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〉10MQ，能大大减小因电 源电压-5 -

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1yA,等价于「C的测温误差。 AD590的工作电压为+4~+30V、测温范围是-55~150C，对应于热力学温度T 每变

化1K，输出电流就变化1讥。在298.15K (对应于25.15C)时输出电流恰 好等于298.15讣这表明，其输出电流Io (讥)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^I0 汀二 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h 8表示内部晶体管T9与Tn的发射结等效面积之比 —Sg/SuM倍，然后 再取自然对数值。将 k/q=0.0862mV/K，R=538Q代入式(2-1)中得到

K| =I°.T -1.00^A 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] O 221.2 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—55C〜+ 125C,在-10〜+85C时精度为±)5C；可编程的分辨率为