電腦機箱溫度控制系統(tǒng)設計

1、 計算機控制技術課程設計計算機控制技術課 程 設 計 課程設計名稱： 電腦機箱溫度控制系統(tǒng)設計 專 業(yè) 班 級 ： 學 生 姓 名 ： 學 號 ： 指 導 教 師 ： 課程設計地點： 課程設計時間： 計算機控制技術 課程設計任務書學生姓名專業(yè)班級學號題 目電腦機箱溫度控制系統(tǒng)設計課題性質工程設計課題來源自擬指導教師王黎主要內容（參數(shù)）利用單片機AT89C52設計電腦機箱溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)以下功能：1顯示當前電腦機箱溫度值以及預設溫度值；2并通過兩個按鍵可以改變預設溫度；3根據(jù)當前機箱溫度以及預設溫度改變機箱內直流風扇電機的轉速；任務要求（進度）第1天：熟悉課程設計任務及要求，查閱技術資料，確定

2、設計方案。第2天：按照確定的方案設計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設計要有詳細論述。第3天：軟件設計，編寫程序。第4-5天：撰寫課程設計報告。要求內容完整、圖表清晰、語言流暢、格式規(guī)范、方案合理、設計正確。主要參考資料1 藍厚榮.單片機的PWM控制技術J.工業(yè)控制計算機.2010,23(3):97982 胡漢才.單片機原理及其接口技術M（第2版）.北京：清華大學出版社.2004.4977.3 胡全. 51單片機的數(shù)碼管動態(tài)顯示技術J .信息技術，2009,13:25264 馬云峰.單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口設計J.計算機測量與控制,200

3、7,10(4)：278280.審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 目 錄1 引言42 總體方案設計42.1硬件組成42.2 方案論證52.3 總體方案63 硬件電路設計73.1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器73.2 達林頓反向驅動器ULN280383.3 AT89C52單片機83.4 LED數(shù)碼管103.5各部分電路設計114 系統(tǒng)軟件設計164.1 主程序設計174.2 中斷服務程序設計174.3 部分主要子程序的設計185總結18參考文獻19附錄1 電路總圖201 引言在現(xiàn)代社會中，工業(yè)生產中大型機械中的散熱風扇以及現(xiàn)在筆記本電腦上廣泛使用的智能CPU風扇等被廣泛的應用。而隨著溫度

4、控制技術的發(fā)展，為了降低風扇運轉時的噪音以及節(jié)省能源等，溫控風扇越來越受到重視并被廣泛的應用。在現(xiàn)階段，溫控風扇的設計已經有了一定的成效，可以使風扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化進行自動無級調速，當溫度升高到一定時能自動啟動風扇，當溫度降到一定時能自動停止風扇的轉動，實現(xiàn)智能控制。隨著單片機在各個領域的廣泛應用，許多用單片機作控制的溫度控制系統(tǒng)也應運而生，如基于單片機的溫控風扇系統(tǒng)。它使風扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化實現(xiàn)自動啟停，使風扇轉速隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實現(xiàn)了風扇的智能控制。本文設計了由ATMEL公司的8052系列單片機AT89C52作為控制器，采用DALLAS公司的溫度傳感器DS18B20作為溫度采

5、集元件，并通過一個達林頓反向驅動器ULN2803驅動風扇電機的轉動。同時使系統(tǒng)檢測到得電腦機箱溫度以及系統(tǒng)預設的溫度動態(tài)的顯示在LED數(shù)碼管上。根據(jù)系統(tǒng)檢測到得機箱溫度與系統(tǒng)預設溫度的比較，實現(xiàn)機箱內風扇電機的自動啟停以及轉速的自動調節(jié)。2 總體方案設計2.1硬件組成本設計要實現(xiàn)風扇直流電機的溫度控制，使風扇電機能根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動啟停及改變轉速，需要比較高的溫度變化分辨率以及穩(wěn)定可靠的換擋停機控制部件，控制系統(tǒng)的硬件應包括以下幾部分： （1）溫度傳感器。利用溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機處理。（2） 控制器。進行溫度檢測和判斷，并在其I/O口輸出控制信號。（3）溫

6、度顯示器件。顯示當前環(huán)境溫度值以及預設溫度值。硬件方框圖如圖2.1所示。溫度傳感器溫度顯示器件件控制器直流風扇電機圖2.1 硬件方框圖2.2 方案論證（1）溫度傳感器在本設計中，溫度傳感器的選擇有以下兩種方案：方案一：采用熱敏電阻作為檢測溫度的核心元件，并通過運算放大器放大，由于熱敏電阻會隨溫度變化而變化，進而產生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再經模數(shù)轉換芯片ADC0809將微弱電壓變化信號轉化為數(shù)字信號輸入單片機處理。方案二：采用數(shù)字式的集成溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測的核心元件，由其檢測并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機進行處理。對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價格便宜，

7、元件易購的優(yōu)點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉換的過程中還會產生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的R-T關系的非線性，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。對于方案二，由于數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變得很小，并且由于其檢測溫度的原理與熱敏電阻檢測的原理有著本質的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內部轉化成數(shù)字量直接輸出，簡化了系統(tǒng)程序設計，又由于該溫度傳感器采用先

8、進的單總線技術，與單片機的接口變得非常簡潔，抗干擾能力強，因此該方案適用于本系統(tǒng)。（2）控制器在本設計中采用AT89C52單片機作為控制核心，通過軟件編程的方法進行溫度檢測和判斷，并在其I/O口輸出控制信號。AT89C52單片機工作電壓低，性能高，片內含8k字節(jié)的只讀程序存儲器ROM和256字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器RAM，它兼容標準的MCS-51指令系統(tǒng)，單片價格也不貴，適合本設計系統(tǒng)。（3） 溫度顯示器件方案一：應用動態(tài)掃描的方式，采用LED共陰極數(shù)碼管顯示溫度。方案二：采用LCD液晶顯示屏顯示溫度。對于方案一，該方案成本很低，顯示溫度明確醒目，即使在黑暗空間也能清楚看見，功耗極低，同時溫度顯示

9、程序的編寫也相對簡單，因而這種顯示方式得到了廣泛應用。但不足的地方是它采用動態(tài)掃描的顯示方式，各個LED數(shù)碼管是逐個點亮的，因此會產生閃爍，但由于人眼的視覺暫留時間為20MS，故當數(shù)碼管掃描周期小于這個時間時人眼不會感覺到閃爍，因此只要描頻率設置得當即可采用該方案。對于方案二，液晶顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，其不僅能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形，這是LED數(shù)碼管無法比擬的。但是液晶顯示模塊的元件價格昂貴，顯示驅動程序的編寫也較復雜，從簡單實用的原則考慮，本系統(tǒng)采用方案一。2.3 總體方案本設計的整體思路是：利用溫度傳感器DS18B20檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給單片機AT89C52進行處理

10、，在LED數(shù)碼管上顯示當前環(huán)境溫度值以及預設溫度值。其中預設溫度值只能為整數(shù)形式，檢測到的當前環(huán)境溫度可精確到小數(shù)點后一位。同時采用PWM脈寬調制方式來改變直流風扇電機的轉速。并通過兩個按鍵改變預設溫度值，一個提高預設溫度，另一個降低預設溫度值。系統(tǒng)結構框圖如下：DS18B20溫度顯示獨立鍵盤AT89C52直流電機PWM驅動電路晶振復位圖2.2 總體方案框圖3 硬件電路設計系統(tǒng)主要器件包括DS18B20溫度傳感器、AT89C52單片機、五位LED共陰數(shù)碼管、風扇直流電機、達林頓反向驅動器ULN2803。輔助元件包括電阻電容、晶振、電源、按鍵、撥碼開關等。3.1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器DS

11、18B20數(shù)字溫度傳感器，是采用美國DALLAS半導體公司生產的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號供處理器處理。適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。DS18B20的主要特征：測量的結果直接以數(shù)字信號的形式輸出，以“一線總線”方式串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；溫度測量范圍在-55+125之間，在-10+85時精度為0.5；可檢測溫度分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5，0.25，0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫；它單線接口的獨

12、特性，使它與微處理器連接時僅需一條端口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通信；支持多點組網(wǎng)功能，即多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫的功能；工作電壓范圍寬，其范圍在3.05.5V。DS18B20內部結構主要有四部分：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。其管腳有三個，其中DQ為數(shù)字信號端，GND為電源地，VDD為電源輸入端。3.2 達林頓反向驅動器ULN2803本系統(tǒng)要用單片機控制風扇直流電機，需要加驅動電路，為直流電機提供足夠大的驅動電流。在本系統(tǒng)驅動電路中，選用達林頓反向驅動器ULN2803來驅動風扇直流電機。ULN2803在使用時接口簡單

13、，操作方便，可為電機提供較大的驅動電流，它實際上是一個集成芯片，單塊芯片可同時驅動8個電機。每個電機由單片機的一個I/O口控制，單片機I/O口輸出的為5V的TTL信號。ULN2803由8個NPN達林頓晶體管組裝而成，共18個引腳，引腳18分別是8路驅動器的輸入端，輸入信號可直接是TTL或CMOS信號；引腳1118分別是8路驅動器的輸出端；引腳9為接地線，引腳10為電源輸入。當輸入TTL信號為5V或CMOS信號為615V時，輸出的最大電壓為50V，最大電流為500mA，工作溫度范圍為070。本系統(tǒng)選用的電機為12V直流無刷電機，可用ULN2803來驅動。3.3 AT89C52單片機AT89C52

14、是51系列單片機的一個型號，它是由ATMEL公司生產的一個低電壓、高性能的8位單片機，片內器件采用ATMEL公司的非易失性、高密度存儲技術生產，與標準的MCS-51指令系統(tǒng)兼容，同時片內置有通用8位中央處理器和8k 字節(jié)的可反復擦寫的只讀程序存儲器ROM以及256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM，在許多許多較復雜的控制系統(tǒng)中AT89C52單片機得到了廣泛的應用。AT89C52有40個引腳，各引腳介紹如下：VCC：+5V電源線；GND：接地線。P0口：P0.7P0.0，這組引腳共8條，其中P0.7為最高位，P0.0為最低位。這8條引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是單片機不帶片

15、外存儲器，P0口可以作為通用I/O口使用，P0.7P0.0用于傳送CPU的輸入/輸出數(shù)據(jù)，此時它需外接一上拉電阻才能正常工作。第二種情況是單片機帶片外存儲器，其各引腳在CPU訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。P1口：P1口是一個內部含上拉電阻的8位雙向I/O口。它也可作為通用的I/O口使用，與P0口一樣用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)，所不同的是它片內含上拉電阻而P0口沒有，故P0口在做該用途時需外接上拉電阻而P1口則無需。在FLASH編程和校驗時，P1口用于輸入片內EPROM的低8位地址。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，

16、它可以作為通用I/O口使用，傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)，同時可與P0口的第二功能配合，用于輸出片外存儲器的高8位地址，共同選中片外存儲單元，但此時不能傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。在一些型號的單片機中，P2口還可以配合P1口傳送片內EPROM的12位地址中的高4位地址。P3口：P3口引腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，當P3口寫入1后，它們被內部上拉為高電平。它也可作為通用的I/O口使用，傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)，P3口也作為一些特殊功能端口使用，如下所示：P3.0：RXD（串行數(shù)據(jù)接收口）P3.1：TXD（串行數(shù)據(jù)發(fā)送口）P3.2：（外部中斷0輸入）P3.3：（外部中斷1輸入）P3.4：T0（記數(shù)器

17、0計數(shù)輸入）P3.5：T1（記時器1外部輸入）P3.6：（外部RAM寫選通信號）P3.7：（外部RAM讀選通信號） 圖3.1 AT89C52單片機 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平狀態(tài)。ALE/：地址鎖存允許/編程線，當訪問片外存儲器時，在P0.7P0.0引腳線上輸出片外存儲器低8位地址的同時還在ALE/線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿用于把這個片外存儲器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出P0.7P0.0引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，單片機自動在ALE/線上輸出頻率為1/6晶振頻率的脈沖序列。：外部程序存儲器R

18、OM的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。/VPP：允許訪問片外存儲器/編程電源線，當保持低電平時，則在此期間允許使用片外程序存儲器，不管是否有內部程序存儲器。當端保持高電平時，則允許使用片內程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1和XTAL2：片內振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接單片機片內OSC的定時反饋回路。3.4 LED數(shù)碼管本系統(tǒng)選用五個LED數(shù)碼管來進行溫度顯示。LED又稱為數(shù)碼管，它主要是由8段發(fā)光二極管組成的不同組合，其中 ag

19、為數(shù)字和字符顯示段，dp為小數(shù)點的顯示，通過ag這7個發(fā)光二極管點亮的不同組合，可以顯示09和AF共16個數(shù)字和字母。LED數(shù)碼管可以分為共陰極和共陽極兩種結構，如下圖2.1.2(a)和圖2.1.2(b) 所示。共陰極結構把8個發(fā)光二極管陰極連在一起，共陽極結構把8個發(fā)光二極管陽極連在一起。通過單片機引腳輸出高低電平，可使數(shù)碼管顯示相應的數(shù)字或字母，這種使數(shù)碼管顯示字形的數(shù)據(jù)稱字形碼，又稱段選碼。b.共陽極a.共陰極數(shù)碼管引腳分配圖 圖3.2 七段LED數(shù)碼管表3.1 7段LED的段選碼表顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03fHC0H87fH80H106HF9H96fH

20、90H25bHA4HA77H88H34fHB0HB7fH83H466H99HC39HC6H56dH92HD3fHA1H67dH82HE79H86H707HF8HF71H8EH一個共陰極數(shù)碼管接至單片機的電路，要想顯示數(shù)字“7”須a、b、c這3個顯示段發(fā)光 （即這3個字段為高電平）只要在P0口輸入00000111（07H）即可。這里07H即為數(shù)字7的段選碼。字形與段選碼的關系見表3.1所示。3.5 各部分電路設計3.5.1 開關復位與晶振電路在單片機應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位以外，外部擴展I/O接口電路也需要復位，因此需要一個包括上電和按鈕復位在內的系統(tǒng)同步復位電路。單片機上的XTAL1和

21、XTAL2用來外接石英晶體和微調電容，即用來連接單片機片內OSC的定時反饋回路。本設計中開關復位與晶振電路如下圖所示，當按下按鍵開關S1時，系統(tǒng)復位一次。其中電容C1、C2為20pF，C3為10uF，電阻R2、R3為10k，晶振為11.0592MHz。圖3.3 系統(tǒng)復位與晶振電路3.5.2 獨立鍵盤連接電路鍵盤包括2個獨立按鍵S2和S3，一端與單片機的P1.3和P1.4口相連，另一端接地，當按下任一鍵時，P1口讀取低電平有效。系統(tǒng)上電后，進入鍵盤掃描子程序，以查詢的方式確定各按鍵，完成溫度初值的設定。其中按鍵S1為加按鍵，每按下一次，系統(tǒng)對最初設定值加一，按鍵S2為減按鍵，每按下一次，系統(tǒng)對初

22、設定值進行減一計算。其接線圖如下：圖3.4 獨立鍵盤連接電路3.5.3 數(shù)碼管顯示電路本設計制作中選用5位共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊，它和單片機硬件的接口如圖2.2.3所示。其中前3位數(shù)碼管DS1、DS2、DS3用于顯示溫度傳感器實時檢測采集到的溫度，可精確到0.1攝氏度，顯示范圍為099.9攝氏度；后2位數(shù)碼管DS4、DS5用于顯示系統(tǒng)設置的初值溫度，只能顯示整數(shù)的溫度值，顯示范圍為099攝氏度。5位數(shù)碼管的段選a、b、c、d、e、f、g、dp線分別與單片機的P0.0P0.7口連接，其中P0口需接一10K的上拉電阻，以使單片機的P0口能夠輸出高低電平。5位數(shù)碼管的位選W1W5分別與單片機的P2

23、.0P2.4口相連接，只要P2.0P2.4中任一位中輸出低電平，則選中與該位相連的數(shù)碼管。圖3.5 數(shù)碼管顯示電路3.5.4 溫度采集電路DS18B20數(shù)字溫度傳感器通過其內部計數(shù)時鐘周期來的作用，實現(xiàn)了特有的溫度測量功能。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘信號通過由高溫度系數(shù)振蕩器產生的門周期而被計數(shù)，計數(shù)器預先置有與-55相對應的一個基權值。如果計數(shù)器計數(shù)到0時，高溫度系數(shù)振蕩周期還未結束，則表示測量的溫度值高于-55，被預置在-55的溫度寄存器中的值就增加1，然后這個過程不斷重復，直到高溫度系數(shù)振蕩周期結束為止。此時溫度寄存器中的值即為被測溫度值，這個值以16位二進制形式存放在存儲器中，通過主機發(fā)

24、送存儲器讀命令可讀出此溫度值，讀取時低位在前，高位在后，依次進行。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內用斜率累加器進行補償 。DS18B20在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只須將DS18B20信號線與單片機1位I/O線相連，且單片機的1位I/O線可掛接多個DS18B20，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測。在本設計中將DS18B20接在P1.7口實現(xiàn)溫度的采集。其與單片機的連接如圖3.5.4。圖3.6 溫度采集電路3.5.5 風扇電機調速與驅動電路本設計中由單片機的I/O口輸出PWM脈沖，通過一個達林頓反向驅動器ULN2803驅動12V直流無刷風扇電機以及實現(xiàn)風扇電機速度的調節(jié)。鍵盤控制設

25、置溫度，通過軟件向單片機輸入相應控制指令，由單片機通過P1.7口輸出與轉速相應的PWM脈沖，經過ULN2803驅動風扇直流電機控制電路，實現(xiàn)電機轉速與啟停的自動控制。當環(huán)境溫度升高時，直流電機的轉速會相應按照設定的等級有所提高；當環(huán)境溫度下降時，電機的轉速會相應的下降；當環(huán)境溫度低于設置溫度時，電機停止轉動，而環(huán)境溫度又高于預設溫度時，電機重新啟動。電路如圖2.2.5所示，風扇電機的一端接12V電源，另一端接ULN2803的OUT7引腳，ULN2803的IN7引腳與單片機的P3.1引腳相連，通過控制單片機的P3.1引腳輸出PWM信號，由此控制風扇直流電機的速度與啟停。圖3.7 風扇電機驅動與調

26、速電 系統(tǒng)選用的風扇電機為12V直流無刷電機，單達林頓反向驅動器ULN2803輸入TTL信號為5V或CMOS信號為615V時，輸出的最大電壓為50V，最大電流為500mA，工作溫度范圍為070。本系統(tǒng)中單片機I/O口輸出的TTL信號為5V，因此此風扇電機可以用ULN2803來驅動。4 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件分為主程序、中斷服務程序和子程序三部分。4.1 主程序設計主程序流程圖如圖4.1：圖4.1 主程序流程圖4.2 中斷服務程序設計中斷服務程序流程圖如圖4.2： 圖4.2 中斷服務程序流程圖4.3 部分主要子程序的設計系統(tǒng)主要子程序包括DS18B20初始化函數(shù)、DS18B20溫度轉換函數(shù)、溫度讀取函數(shù)、鍵盤掃描函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)、溫度處理函數(shù)以及風扇電機控制函數(shù)。DS18B20初始化函數(shù)完成對DS18B20的初始化；DS18B20溫度轉換函數(shù)完成對環(huán)境溫度的實時采集；溫度讀取函數(shù)完成主機對溫