无刷电机散热风扇控制器设计

1、中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文）中国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文）无刷电机散热风扇控制器设计Controller design of brushless motor cooling fan学生姓名 章昀璐 学号 1030114238 学生专业 电气工程及其自动化 班级 电气102班 系 机电工程系 指导教师 孙冠群 中国计量学院现代科技学院2014年5月郑 重 声 明 本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作

2、做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号：TP368 密 级： 公开 UDC： 621 学校代码： 13292 中国计量学院现代科技学院 本科毕业设计（论文） 无刷电机散热风扇控制器设计Controller design of brushless motor cooling fan作 者 章昀璐 学 号 1030114238 申请学位 工学学士 指导教师 孙冠群 学科专业电气工程及其自动化 培养单位中国计量学院现代科技学院答辩委员会主席 谢岳 评 阅 人 蔡慧 2014 年 5月致 谢经过了3个多月的辛苦努力，本次毕业

3、设计终于进入了尾声，从一开始的毕业设计到目前基本差不多完成论文，我感悟颇多。由于经验的匮乏，在电路的设计和制作过程中都遇到了许多难题。但这次设计应该是第一次自己真正意义上完成的作品，收获的经验是任何知识都代替不了的。在这里我首先要感谢我的导师孙冠群老师，孙老师平常自己要上课，而且工作也比较忙，但在我做毕业设计中，从开始的开题报告到方案确定修改以及电路设计，还有实物的调试等过程中都给了我很大帮助。由于一开始开题报告就偏题，老师给了一些中肯的意见，才有了后面方案的确认，并且有了大致的方向。其次我要感谢一些同学对我无私的帮助，由于自己不经常在学校，所以学校的文库资料不能及时查找，都是同学帮忙下载给我

4、。而且在毕业设计的过程中遇到一些弄不明白的地方，有些同学也能一下点醒我，真的很感谢。最后，要感谢我的母校中国计量学院现代科技学院，是母校提供给我们如此好的的学习环境，也还要感谢中国计量学院的图书馆提供了免费阅读查找资料的机会，为自己的毕业论文提供很很大的帮助。另外，还要谢谢所有给我们上过课的老师，是你们让我们学会了很多专业知识，并且这四年受益良多。 无刷电机散热风扇控制器设计摘要： 在早期，电机都是以有刷直流电机为主，如今伴随着时代的发展，无刷直流电机正在迅速取代有刷直流电机，在各个领域中，无刷电机已成为主流，而且目前散热风扇中几乎全部使用无刷电机。有刷电机采用机械换向，寿命短，噪声大，产生电

5、火花，效率低，长期使用碳刷，磨损严重，较易损坏。无刷电机以电子换向取代机械换向，无机械摩擦，无磨损，无电火花，免维护且能做到更加密封等特点要更加优于有刷电机。在本次设计中，为了方便，电机的选取采用了霍尔无刷直流电机，霍尔式无刷电机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相位值，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电流电枢的换向，维持电动机的正常运转。单片机采用8051系列的STC12C5A60S2为主控芯片，由热敏电阻的电阻变化转换为电压信号，把电压信号传给具有A/D转换的单片机STC12C5A60S2里面，再由单片机发出一个信号给MOSFET驱动两台风扇运转起来。如

6、果其中一台风扇发生故障停转，同时在温度升高的情况下，另一台风扇将加倍运转。经过反复测试，系统具有相对较强的稳定性，基本能够满足本次设计的所有的要求。关键词：STC12C5A60S2；MOSFET；无刷直流电机；散热风扇；控制器中图分类号：TP368Controller design of brushless motor cooling fanAbstract: In the early days, motors were mainly brush motors. With the development of the times, brushless DC motors are rapidly

7、 replacing the brush DC motors. In various fields, brushless motors have become the mainstream, and almost all current cooling fans use brushless motors. Brush motors adopt mechanical commutation, which has short life span, makes noises, generates sparks, has low efficiency, and long-term used carbo

8、n brushes are badly worn and easily damaged. Brushless motors replace the mechanical commutation by electronic commutation, which has no mechanical friction, no wear, no sparks, free maintenance and better seal etc. These characteristics make brushless motors more superior than brush motors.In this

9、design, for convenience, Hall brushless DC motor is selected to use. Hall brushless motor removed commutator and brushes, instead, it used Hall elements to detect the phase values between the rotor and the stator. Its output signal will be used to trigger the electronic circuit after amplifying and

10、shaping, which controls the commutation of armature current and maintains the normal operation of the motor. MCU uses 8051 series STC12C5A60S2 as the main control chip, the changes of thermistor resistance are converted to voltage signals, then voltage signals are transmitted to MCU STC12C5A60S2 whi

11、ch has inside A / D conversion , and then MCU sends a signal to the MOSFET which drives two fans. If one fan fails and stops while the temperature is going up, the other fan will double running. After multiple tests, the system shows a relatively strong stability and basically meets all the requirem

12、ents of this design .Keywords: STC12C5A60S2； MOSFET；BLDCM；Cooling Fan；ControllerClassification: TP368目 次摘要I目 次III1 绪论11.1 研究的背景与意义11.2 无刷电机国内外的发展状况11.3 论文的主要内容22 散热风扇控制器总设计方案32.1 设计要求32.2 设计思路32.3 设计方案43 散热风扇控制器元器件的选用及介绍63.1 霍尔无刷电机的介绍63.2 STC12C5A60S2 单片机介绍73.3 7085稳压芯片的介绍93.4 热敏电阻的介绍93.5 MOS管的介绍104

13、 散热风扇控制器的硬件设计114.1 散热风扇控制器的电路原理图114.2 电源部分的设计114.3 温度检测电路设计124.4 电机驱动电路设计135 散热风扇控制器的软件系统145.1 软件主流程图145.2 子程序流程图156 系统的调试效果166.1 电路板的制作与实物展示166.2 PWM测试效果177 总结19主要参考文献20附录 单片机程序清单21作者简介26学位论文数据集27IV 1 绪论1.1 研究的背景与意义 在现代生活中，风扇系统等的散热问题也越来越重要，我们常使用风扇来降温的情况已经是常见了，但风扇会出现各种机械故障，而且还增加功耗与噪音污染。而且在重要设备的内部都会布

14、置散热风扇多台，用以给设备降温或者保持设备内部的空气流通，这种方法在发热设备内部的散热解决方案已经沿用多年。以前传统的直流风扇使用机械电刷，会产生较高的电磁干扰，并且容易损坏。如今，市场上大部分产品都使用无刷电机。无刷直流电机本质上是多相交流电动机，但经控制获得类似直流电动机的特性，需要多相逆变器驱动，由于没有电刷和换向器，即使在很高的转速下，也可以得到较高的可靠性，有较高的效率，总系统成本比直流电动机高5。近年来无刷直流电机已经成为主导力量，早期是以有刷直流电机为主，但随着无刷直流电机制造工艺和控制技术的飞速发展，有刷电机逐渐被无刷电机淘汰，无刷电机也变成迅速发展起来的一种新型直流电机。本设

15、计中采用三相无刷直流电机。没有换向器和电刷组成的机械机构是无刷直流电机最大的特点，再加上它一般都没有激磁损耗，没有换向火花，没有无线电干扰，采用永磁体为转子，无刷电机不仅延长了电机的使用寿命，而且运行可靠，维护起来也比较方便，同时它的转速也不会受机械换向的限制1-4。BLDCM的控制使用纯硬件专用芯片的很多，而我最后还是选择用51系列的单片机写软件。51系列的单片机可靠性高，而且它是一款通用的单片机，相对于专用的电机芯片和电机控制的电路板来说，相对容易而且花的时间要少点，对整个系统提供很大的方便7。此外，在设计中控制器需同时供电并控制两台无刷直流电机风扇，而且速度随着温度的升高而升高，随着温度

16、的降低而降低。从而控制两台风扇的的优点在于：如果一台风扇发生故障从而风扇停转，不能正常散热，安全系数降低，同时环境温度升高，那么另一台加大工作量，确保维持一定时间设备持续运行后，方便时再检修另一台故障风扇。1.2 无刷电机国内外的发展状况国外对无刷直流电机研究较早，在80年代出就已经投入生产和应用了。20多年来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术的进步，无刷直流电机得到了很大的发展。国内无刷直流电机技术起步稍晚，20世纪八十年代，我国开始进入方波无刷直流电机与永磁同步电机(即正弦波无刷直流电机)等研究领域，掀起了无刷直流电机的研制与技术引进的热潮，近20年逐步缩小了与国际

17、水平的技术差距。近年来，我国的中小型电机以及微特电机行业发展迅速，无刷直流电机广泛应用于汽车、家电等行业。总产量高达全球的70%，并以每年15%的速度增长6。在小功率范围内，已有成熟军用、民用系列产品，但是大功率低转速的电机发展不快，引进国外成熟产品居多。综合而言，尽管近年来我国的无刷直流电机研究研发发展迅速，特别在制造工艺与设备上尚有差距，离国际先进技术水平还有很长的路要走。作为新型机电一体化的产品，无刷直流电动机鲜明的技术特征得到国内外各个行业的广泛认同，无刷直流电动机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电的需要，因此无刷电机的应用面不断的扩大，用量也幅度上升，设置以数亿台记。1

18、.3 论文的主要内容 本设计的内容主要是通过STC12C5A60S2单片机作为整个系统的控制单元，热敏电阻的电阻转换成电压，把电压输入具有A/D转换的单片机，无刷电机内的霍尔元件将信号传给单片机处理，再通过软件处理产生控制信号，通过MOSFET驱动电路使风扇运转。主要内容如下：第一章：绪论。介绍了无刷电机的研究背景与意义和国内外发展状况。第二章：介绍的是设计方案、思路和原理。第三章：器件的选用和介绍。第四章：介绍硬件的设计。第五章：介绍软件设计。第六章：系统的调试结果。第七章：总结。2 散热风扇控制器总设计方案2.1 设计要求 对于本次设计，总要任务是在重要设备内部散热风扇多台，有无刷直流电机

19、驱动，该控制器需要同时供电并且控制两台无刷直流电动机风扇，根据设备内部的环境温度将自动调节散热风扇的速度，温度越高风扇转速就会越快，温度越低风扇的转速就越慢，并且在低温时，这样做的优点是节电。2.2 设计思路本设计的具体思路是：检测环境温度，通过环境温度的反馈值来调节电机的转速。查阅相关文献后提出一种实现方案，对于实现方案的核心内容是：1）通过热敏电阻测量环境温度；2）可以由霍尔元件测量电机转速和转子的位置；3）通过PWM开关信号控制变频器达到调节同步电机风扇的目的。热敏电阻本身就是一个温度传感器，可以实时传输当前的环境温度，热敏电阻感受到温度变化后，是自身的电阻值发生变化，通过一个桥式电路或

20、者更简单的分压电路，把电阻的变化转换为电压信号，把这个电压信号输入到具有A/D转换器的单片机里面，就可以测量温度并且温度控制。由于现阶段市面上量产的热敏电阻很多，且性能稳定、过载能力强，因此本设计选用热敏电阻。同时热敏电阻可以很好的实现温度控制，稳定性和灵敏度都很好。此风扇控制器设计系统的控制中心是以STC12C5A60S2单片机，单片机在数字化芯片的使用中具有一定的可靠性、稳定性。单片机内部通过程序设定，可以设定线性或非线性的比较单元，实现电机的无级或有级调速。其中线性比较单元可以直接通过单片机自带的数学运算来实现；非线性比较可以通过分段函数或者自定义查表来实现。单纯从节能角度考虑，使用线性

21、的无级调节效果很好，但是线性无级调节对于变频器造成的损耗很大，因此对于特定场合可以考虑非线性方式。调节风扇的通风排量的实质就是调节通风机的转速，查阅资料发现对于同步机的转速调节最常用的方法是调节旋转磁场的旋转速度，也就是调节电压频率。而单片机属于低电压的数字芯片，无法直接控制电机的运行，因此在通风机的控制端选择的是“单片机逆变器电机”这样的控制方式。逆变器的开关频率通过单片机控制，具体的开关频率值由单片机的温度输入端决定，以达到通风机转速受控于环境温度的目的。单片机系统同时控制两台电机，其对信号的处理需要比较高的要求。尤其是当电机使用双闭环控制时，电机控制结构为单闭环控制结构，检测转子速度作为

22、速度反馈信号。设计的难点在于，如果使用一片单片机同时控制两台电机的运转，单片机需要处理两台电机的六路霍尔信号，同时要输出电机控制信号，内部软件的协调统一是难点内容。此外，但一台电机停转时，另一台电机需要能够继续运转，也需要从单片机的内部进行软件的协调。设计中，当一台风扇停转时，需要提高另外一台风扇的转速，以实现排风量的增大保持内部温度恒定，当然，前提是在温度升高的情况下，如果环境温度不变，期中一台风扇发生故障也不会使另一台风扇加倍运转。2.3 设计方案 一个完整的无刷直流电机控制系统由电机本体、控制核心模块、驱动逆变功率桥电路、位置检测模块、转速/电流/电压等状态量采集模块以及上位机指令控制与

23、数据反馈显示模块等子系统组合而成。其结构框架如图2.1所示。无刷直流电机工作时需要一个三相的直流斩波电路、转子位置检测电路、以及控制电路，具体电路结构如图2.2所示。图2.1 无刷直流电机结构原理图图2.2 三相无刷直流电机系统示意图本设计将使用单片机作为控制器的核心，同时控制两台无刷电机的运转。根据以上电机系统的示意图，设计如下图2.3所示。图2.3 方案结构图 通上电源，霍尔无刷直流电机中的霍尔元件通过磁钢的磁力线时会产生相应的信号，传给控制器，再产生相应的PWM信号通过逆变器控制电机转动。热敏电阻是感受到外界的温度变化后，才自身的电阻值发生了变化，把电阻的变化转换成电压信号，把这个电压信

24、号输入到具有A/D转换的STC12C5A60S2单片机里，就可以对风扇的转速进行控制，风扇是随着温度的改变从而改变转速。3 散热风扇控制器元器件的选用及介绍3.1 霍尔无刷电机的介绍本设计采用的是以霍尔传感器的无刷直流电机为控制对象，这种形式的电机被称为霍尔无刷直流电机。其工作原理如下：在主定子绕组U和V的轴线上，放置了H1和H2这两个霍尔元件，且相差90度电角度。四个相互间隔90度电角度的集中线圈组成了电动机本体的主定子绕组，因为其为位置传感器定子。霍尔元件的输出部分是和功率开关晶体管的基极上相连，晶体管且与主定子绕组连接。主转子磁钢的作用不仅是电动机本体的主转子，而且可以起到霍尔元件的激磁

25、磁场的作用。激磁磁场又可以表示为位置传感器转子。如3.1图所示，当转子处在这个位置时，在事先控制住电流，当转子磁场通过霍尔元件H1时，霍尔元件H1就会产生霍尔电势。功率放大管BG2放大输出X1并且给定子绕组V馈电。当转子以顺时针转到90度是经过转子磁场与电流的互相作用。霍尔元件H2可以产生霍尔电势，当转子磁场经过霍尔元件H2时。功率放大管BG3放大它的输出Y1并且给定绕组W馈电。转子这时顺着顺时针旋转90度，这时的转子磁场仍然会通过霍尔元件H1，但是极性已经相反，磁场的方向发生变化，霍尔电势的方向也发生变化，功率放大管BG2放大输出X2并且给定子绕组X馈电，又使转子绕顺时针旋转90度电角度；同

26、样的，转子磁场又一次通过霍尔元件H2，功率放大管BG1放大输出的霍尔电势并且给定子绕组U馈电，转子回到了初始的状态。接着，定子绕组按照顺序馈电，由它产生超前转子的跳跃式磁场，使电动机运转起来。图3.1霍尔无刷直流电机原理图霍尔传感器可以为逻辑开关电路提供可靠准确的换相信息，因为霍尔传感器可以测定转子磁极位置在无刷直流电机中。可以使转子磁钢磁极的位置信号转化为电信号，之后再去控制定子绕组换相。位置传感器通常可以有两种方式由霍尔开关组成。在电机顶盖的内表面仿真霍尔开关，将和电机同轴的永磁体安置于与霍尔开关有一定间隙的附近处为其中一种方法。传感器的永磁体可以利用电机转子上的永磁主磁体的主磁极，判断转

27、子的位置可以利用霍尔开关的输出信号，在绕组顶部紧挨铁芯的位置或者在定子电枢铁芯的表面处安置霍尔开关为另一种方式。两相导通的星形三相六状态的无刷直流电动机的互相相差120电角度的三相绕组的中心线上各有一个霍尔开关、。传感器磁体的极性都为S极或N极，可以根据霍尔开关的需求而定，在空间中与相同极性的主磁体相互处于对等的位置，数量可以为主磁极磁体数的一半。图3.2 位置信号与功率开关管通断关系无刷直流电机转子能在不同位置由永磁转子和定子的电枢反应生成的合成磁场所感应出不同磁感应强度，通过霍尔元件将信号传递给单片机处理。3.2 STC12C5A60S2 单片机介绍本设计核心控制模块是有单片机实现的，其主

28、要表现与各个模块信息交互和定时的功能。单片机STC12C5A60S2是8051系列单片机，本身就有很好的特性，因此满足了此设计的要求。STC12C5A60S2的管脚图如图3.3所示图3.3 STC12C5A60S2管脚图单片机STC12C5A60S2的主要特性：为8051系列，但是8051的增强版，甚至比8051更具有兼容性;STC12C系列的单片机的工作的电压大致都为5V左右;STC12C系列的单片机的工作频率范围为0 - 35MHz，与普通51单片机的 0420MHz差不多;ISP/IAP，不需要专门的编程器，不需要专用仿真器，且可以通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，几秒就可

29、以迅速完成一片;具有EEPROM的功能，STC12C5A62S2/AD/PWM是没有内部EEPROM;具有看门狗功能;内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地);外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%;含有时钟源和复位的功能，时钟：控制单片机内部运作的时间，复位：将电路回复到初试状态，就好比计数器清零的功能是一样的;STC12C系列共4个16位定时器，两个定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器

30、再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;2个时钟输出口，由T0的传入在P3.4/T0输出时钟，可由T1的传入在P3.5/T1输出时钟;都具有PWM输出功能;具有A/D转换功能;3.3 7085稳压芯片的介绍7805是我们最常用到的稳压芯片，它使用起来很方便，用很简单的电路就可以输入一个直流稳压电源，它的输出电压恰好就是5V，刚好是51系列单片机运行所需要的电压，它有很多的系列，如：KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差别，用的最多的还是L7805CV，下面就来介绍下它的3个引脚，如图3.4所示图3.4 L7805CV 引脚图 L7805CV的主要特征如下所示：输出电

31、流可达1.5A不需外接补偿元件内含限流保护电流，防止负载短路烧毁元件内含高温过热保护电路，防止结温过热烧毁器件内含功耗限制电路，防止烧毁输出驱动器晶体管3.4 热敏电阻的介绍在市面上有很多类型的温度传感器，例如DS18B20，LM35等多种选择。本设计基于整体设计的需要，最后还是选择用热敏电阻来控制环境的温度。热敏电阻是热电阻的一种，所以说，原理都是温度引起电阻变化。再本身加上热敏电阻本身就是一种温度传感器，是温度越高时电阻就越低，温度越低时电阻就越大。同样热敏电阻也可以用在制冷方面。当温度低时，通过高电阻切断电流（这个时候电流是很小的,几乎是没有的），当温度高时，电阻就几乎相当于一根导线，通

32、过的电流是可以让电机正常运作的电流。 热敏电阻的主要特点如下： 它的灵敏度相当来说比较高，金属要比热敏电阻的温度系数要小很多； 热敏电阻的工作温度范围也比较广，高温的器件适用于高温超过315摄氏度，低温器件适用与低温范围大概是-27355，常温的器件适用的范围是-55315； 热敏电阻的体积不大，较小，所以能够测量的范围较广，甚至是其他温度测量仪都测量不到的空间内部； 它使用起来也很方便，而且在0.1100k之间的电阻值可以随意挑选； 可以适合大量的生产，容易加工成各种复杂的形状供使用； 它的稳定性极好，而且过载能力很强3.5 MOS管的介绍如果单片机想要控制电机，单片机是不能直接连接电机的，

33、中间是需要一个“电机驱动模块”的。本文设计需要的MOSFET为FQD1N60C晶体管。“MOSFET”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的缩写，它翻译成中文的意思是“金属氧化物半导体场效应管”，或者可以更精确的称为MOS管或MOS。 MOS管导通其实就是作为开关的意思，就好比是开关的闭合。NMOS的特性就是在Vgs大于某个特定的值就会导通，在低端电压驱动时，一般栅极电压达到4V或10V就行了。PMOS的特性是在高端驱动的时候，Vgs小于某个特定的值就会导通。尽管PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通的电阻较大，而且价格贵，

34、替换的种类少等原因，在高端驱动中，一般还是使用NMOS的。MOS管与一般双极性的晶体管来说，除了不需要电流之外，虽然只需要GS电压值高于特定的值就可以，可能这个是很容易，但是还是需要速度。其实在MOS管的驱动中，电容在电路的作用就是对电容充放电。从而对电容充电是需要一个电流，在电路中，插上电源，对电容充电的瞬间把电容看成一个短路，电流可能瞬间会增大。第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通的时候，源极的电压要小于栅极的电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，因此，VCC应该要比栅极电压小这4V或10V。如果在一个系统内，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路

35、了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，驱动MOS管都必须要有足够的短路电流。 前面提到，4V或10V是常用的MOS管的导通电压，因此设计的时候肯定是需要有一定余量的。而且电压越高，导通的速度越快，导通电阻也越小。目前，还有更小的MOS管出现在各个领域里面，除了12V汽车电子系统之外，一般用4V导通就够了。4 散热风扇控制器的硬件设计4.1 散热风扇控制器的电路原理图本设计的内容主要是通过STC12C5A60S2单片机作为整个系统的控制单元，热敏电阻的电阻转换成电压，把电压输入具有A/D转换的单片机，无刷电机内的霍尔元件将信号传给单片机处理，再通过软件处理产生控制信

36、号，通过MOSFET驱动电路使风扇运转。图4.1为电路总的原理图。图4.1 电路原理图4.2 电源部分的设计本设计中的电源部分在电路板中的作用就是把一个12V的直流输入电压转化为一个5V的电压输出，最大输出电流1A。电源部分中的7805就是一个稳压芯片，为了设计方便，利用7805芯片设计了一个简单电路，7805就是使电路中的电压保持在5V的。其中1脚接的是整流器输出的电压，2脚接地，3脚就是电路所需要的正5V输出电压。电源电路图如图4.2所示。 图4.2 电源电路设计4.3 温度检测电路设计根据设计要求，温度检测这块的设计是为了检测外界环境的温度，好控制风扇的转速。热敏电阻是感受到外界的温度变

37、化后，才自身的电阻值发生了变化。通过一个桥式电路或者一个更简单的分压电路，可以把电阻的变化转换成电压信号，把这个电压信号输入到具有A/D转换的STC12C5A60S2单片机里，就可以测量环境的温度并且进行对温度的控制。温度检测电路如下图4.3所示。 图4.3 温度检测电路4.4 电机驱动电路设计 单片机不可以直接控制电机的运转，所以中间得加一个电机驱动部分。此驱动电路的作用是接收由霍尔信号传给单片机转换的PWM控制信号，再输出给MOSFET，由MOSFET输出的信号驱动两台风扇运转。因此MOSFET管在电机驱动模块占有重要作用。 图4.4 驱动电路5 散热风扇控制器的软件系统5.1 软件主流程

38、图由于本设计的核心是热敏电阻产生的信号输入到具有A/D转换的单片机里面去，然后读取温度，霍尔无刷电机产生的霍尔信号传给单片机，根据单片机转换的不同值对变频器实现控制，达到调节电机转动的目的，因此程序设计的主要流程图如下图5.1所示：图5.1 主流程图 在主程序中，热敏电阻对温度的测量，自身的电阻值发生变化，由电阻的变化转换成电压信号，把电压信号输入到单片机里面进行A/D转化；霍尔无刷电机本身就带有霍尔元件，霍尔元件将检测的信号传递给单片机，同样进行A/D转换，单片机把信号转换成PWM信号，输入到MOSFET促使电机运转。温度测量的信号其实是控制电机的转速，与电机如果发生故障也有关系。5.2 子

39、程序流程图其中，在风扇调速的子程序中，还需要加入电机状态故障检测，具体流程如下图5.2所示：图5.2 子程序图检测电机的状态，是否发生故障。如果两台都停转，那么停止运行。如果一台发生故障，另一台还是正常运转，那么判断温度是否升高，温度如果升高，那么另一台的转速提高一倍；如果温度不变，那另一台转速也不会变化。6 系统的调试效果 6.1 电路板的制作与实物展示由于已经设计完大概的电路模拟图，因此先根据设计图上面所需要的材料去网上购买。想在电路板上排出最简单的路线和美观电路板，先对电路按各个模块进行仔细的排版，然后再开始下手焊接电路。因为对自己要求比较严格，希望电路板能焊接得比较好，所以对板子的焊接

40、相对来说比较认真，最后再对已经焊接好的电路板尽快进行调试，假如出现虚焊、焊错或者漏焊等问题，也好可以及时纠正弥补，或者利用万用表查找错误并认真修改。实物图如下图6.1与图6.2所示。图6.1 实物图图6.2 实物图6.2 PWM测试效果 实物做完之后，并且能正常运行，测试了两个管脚的输出波形。图6.3是单片机转换出来的PWM控制信号的波形。图6.4则是PWM信号传给MOSFET管，再由MOSFET输出的信号波形。图6.3 如上图6.3所见，霍尔元件发出的霍尔信号传给单片机，再由单片机的第21脚输出的波形为方波。此波形大致达到设计的要求，在风扇运转时波形较为稳定。为了改变此信号的占空比和频率，可

41、以改变电阻值，从而可以控制风扇的转速。图6.4 由上图6.4所见，控制信号传给MOSFET的1脚，由MOSFET的4脚输出的波形为三角波。可能由于在电路接线、焊接或者电容大小选择方面存在一定的误差，波形存在相应的偏差。7 总结此次毕业设计主要功能是实现无刷电机控制风扇散热调节的功能，当在无刷电机同时控制两台风扇的情况下，也可以根据环境温度的改变从而改变风扇的运转的目的，同时如果两台中的其中一台发生故障不能正常运转，再加上环境温度升高，另一台将加大工作量。因此本次设计具有较好的实用性。此设计整体的方案和其他设计的同学比起来相对来说具有比较简洁、节省成本的优点，而且电机采用的是霍尔无刷直流电机，所

42、以实物设计起来比较简单。在硬件各个方面也考虑得比较清楚，使用PCB板的焊接制作相对比较美观，在焊接之前反复检查电路图和板子的排版，因此在板子的焊接问题上出现的错误比较少，同时也避免了很多焊接不当或者导致调试失败等错误。在硬件中采用的各个元器件成本都比较低，而且性价比高，也都是经过反复考虑再决定使用的。在软件的设计方面，程序是采用单片机KEIL软件进行编写和调试的，能基础实现此次设计方案的要求与功能的实现。同样，虽然此次设计相对来说比较成功，但是还是存在一些不足的地方，因为自己本身的水平有限，再加上很多问题自己没有想得太多等不利因素，因此在设计实物的稳定性方面还存在一点问题：对于温度与速度的测量

43、没有想太多，当时只觉得可以实现功能就可以，于是没有对此进行设置与测量。还有在PWM信号调试方面也有点误差，MOSFET输出的信号是三角波，但是我调试出来的波形不是很明显，但还是可以看波形的的。此外，在实物的各个方面还是有很多可以提高的空间，如有足够的时间，应该可以制作得更好。主要参考文献1 胡文静.永磁无刷电动机的发展及展望J.微电机，2003 (4)，37-382 龚春雨.施进浩.无刷直流电动机的发展现状和质量特点J.微特电机，2006 (8)3 袁海林.永磁无刷电机是微特电机发展主流J.世界仪表与自动化，20074 强曼若.无刷直流电动机的发展与应用J.微电机，1995，28(l)，23-

44、295 邵世凡.电机与拖动M.浙江大学出版社,2008.12,220-2286 中国机械工业年鉴编辑委员会.中国电器工业年鉴M.机械工业出版社，2002-20067 万福君.MCS-51单片机原理、系统设计与应用M.清华大学出版社,2008.68 刘国权,韩晓东.Protel DXP电路原理图设计指南M.中国铁道出版社,2004.19 赵丽娟,邵欣.基于单片机的温度监控系统的设计与实现J.机械制造,2006,07:45-4710 金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用J.电子技术应用. 2000,11:89-9111 白玉,于世明. 单片机在温控系统中的应用J.辽宁教育学院学报.2002,08

45、:102-10512 金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用J.仪表技术与传感器.2000,04:76-7713 戴维德.散热风扇控制器集成电路J.电子世界.2002,04:37-3914 Mulkens J, Flagello D, Streefkerk B, et al. Benefits and limitations of immersion lithography. Journal of MicrolithographyJ. Micro fabrication and Micro systems, 2004, 3(1):104-11415 Lin B J. The ending of

46、 optical lithography and the prospects of its successorsJ. Microelectronic Engineering, 2006, 83: 604-613 附录 单片机程序清单AD转换及风扇控制#include12c5a_AD.h#include12864_ser.huchar ADC_digit10=0123456789; unsigned char ad_result_data10; /AD转换高八位 unsigned char ad_result_low210; /AD转换低八位 unsigned char ad_result_to

47、tal10; /AD转换总十位 unsigned char ad_average_result; /AD转换十次的平均值 unsigned char Ain,Vin0,Vin1; unsigned char b,t,R0,R1; char tp=0; /* AD转换程序 */ void AD_initiate() /初始化函数 ES=0; TMOD=0x21; /定时计数器方式控制寄存器,自动重装,16位计数器. TH1=0xfa; TL1=0xfa; TR1=1; void ADC_Power_On() /AD转换电 ADC_CONTR|=0x80; delay170us(5); /必要的延时 void get_ad_result() /取AD结果函数,它是十位AD转换，每十次平均，最后取低八位作为AD采样数据 uint i,q=0; for(i=0;i10;i+) tp=0; ADC_RES=0; /高八位数据清零,STC12C5A60S2 AD数据寄存名与STC12C54系列不同 ADC_RESL=0; /低两位清零 ADC_CONTR|=0x08; /启动AD转换 while(!tp) /判断AD转换是否完成 tp=0x10; tp&=ADC_CONTR;