摘要：机床在高速加工过程中会产生大量热量，若不能及时有效地散发，将导致机床热变形，严重影响加工精度和刀具寿命。传统冷却风扇常采用持 续运行或简单手动控制，能耗高、噪音大且冷却效果不佳。为解决此问题，本文开发了一套以单片机为核心的机床冷却风扇自动控制系统。系统通过温度 传感器实时采集机床关键部位的温度数据，由单片机进行处理分析，并依据预设的控制策略，自动调节风扇的转速或启停，从而实现智能化的温度控制。关键词：单片机；温度控制；冷却风扇；PWM 调速；自动控制；机床散热

引言

随着微电子技术和传感器技术的飞速发展，嵌入式智能控制系统为解决上述问题提供了完美的方案。单片机以其体积小、成本低、功耗低、可靠性高及控制能力强的特点，成为开发此类小型自动控制系统的理想选择。通过集成高精度的温度传感器，系统可以实时监测机床的温度状态，并由单片机根据预设的智能算法自动调节冷却风扇的转速，实现“按需冷却”。这种闭环控制方式，不仅能在加工发热时提供足量冷却，还能在待机或低温时降低转速或停止运行，从而在确保散热效果的前提下，实现节能降耗、减少噪音、延长风扇寿命的多重目标。

本文旨在开发一套基于单片机的机床冷却风扇自动控制系统。该系统将围绕一款主流单片机构建硬件电路，并编写相应的控制软件，最终通过实验调试，验证其在实际应用中的可行性与有效性，为机床设备的节能化、智能化升级提供一种低成本、高效益的解决方案。

系统总体方案设计与控制要求分析

本系统的设计核心是构建一个以温度为反馈量的闭环自动控制系统。其基本原理是：温度传感器实时采集机床热源附近的温度，并将其转换为电信号传送给单片机。单片机将接收到的温度数据与程序中设定的目标温度阈值进行比较和运算，进而产生控制信号，通过驱动电路调节冷却风扇的转速。温度越高，风扇转速越快，散热能力越强；温度降低，则转速随之下降。

基于以上原理，系统的总体架构可划分为以下几个模块：1）主控模块：作为系统大脑，负责信号处理、逻辑判断和控制输出；2）温度采集模块：负责精确感知环境温度；3）人机交互模块：用于设置参数和显示状态；4）风扇驱动模块：接收控制信号，驱动风扇电机；5）电源模块：为各部件提供稳定电能。

具体的控制要求如下：

1. 自动测温与控制：系统能够实时、准确地测量机床指定点的温度，并自动控制风扇转速，无需人工干预。

2. 智能调速功能：风扇转速应能随温度变化而平滑调节，而非简单的“开-关”控制。要求采用PWM 技术实现风扇电机的无级调速。

3. 人机交互功能：用户可以通过按键设置目标温度值、温度回差等参数，并可通过显示屏实时查看当前温度、风扇转速档位或设置参数。

4. 多模式运行：系统可支持自动模式和手动模式，通过开关切换。

5. 报警功能：当温度超过绝对安全阈值时，系统应能启动声光报警，提示操作人员注意。

二、 控制系统硬件设计

硬件是系统的物理载体，其设计的合理性直接决定着系统的性能与稳定性。

核心控制器选型：综合考虑性能、成本、开发难度及资源丰富度，本项目选用STC89C52RC 单片机作为主控芯片。它是增强型51 系列单片机，内置8KB Flash 程序存储器，512 字节RAM，足以满足本系统的程序存储和数据运算需求。且其价格低廉，技术成熟，学习资料众多，非常适合用于此类工业控制项目。

温度采集模块设计：温度传感器的选择至关重要。相比传统的模拟温度传感器，数字传感器能提供更高的精度和抗干扰能力，且电路更简洁。本设计采用DS18B20 数字温度传感器。它具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点，且采用独特的单总线协议，仅需一根数据线即可与单片机通信，极大简化了电路设计。

风扇驱动模块设计：冷却风扇通常为直流电机，其转速与施加的电压成正比。但直接调节电压效率低下。PWM 调速技术通过控制一个固定频率的方波的占空比来等效地改变平均电压，从而实现高效的无级调速。本设计采用L298N 电机驱动模块。它是一个双H 桥驱动芯片，能够接收单片机输出的微弱 PWM 信号，并驱动工作电压和电流更高的直流风扇。单片机的一个I/O 口产生PWM 波，输入到 L298N 的使能端，即可控制风扇转速。

人机交互模块设计：为方便用户操作和监控，系统配备了 4 个按键和一块 LCD1602 液晶显示屏。LCD1602 可以显示两行字符，足以显示当前温度、设定温度、风扇工作状态等信息。

系统电源设计：整个系统需要稳定的5V 电压为单片机、传感器、显示屏供电，同时驱动模块L298N 需要更高的电压来驱动大功率风扇。因此，可采用外部适配器提供12V 直流电源，12V 直接供给L298N 和风扇，12V再通过一枚AMS1117-5.0 稳压芯片降压至5V，为系统的其他部分供电。

三、 控制系统软件设计

软件是系统的灵魂，它赋予硬件生命。程序采用C 语言在Keil μVision开发环境中编写，程序结构模块化，清晰易读。

主程序流程：系统上电初始化后，首先对LCD、定时器等进行初始化配置。然后进入主循环，在循环中不断调用各功能子函数：读取温度子函数、按键扫描子函数、控制算法子函数、显示子函数等。

温度读取程序：DS18B20 的通信遵循严格的单总线时序。程序需按照其协议编写初始化、写命令、读数据等一系列时序函数，才能成功读取到温度转换后的数字量，并将其转换为实际的温度值。

PWM 生成程序：利用单片机内部的定时器中断来产生固定频率的PWM 波。通过调节定时器重装值来改变占空比，从而控制转速。占空比越大，平均电压越高，风扇转速越快。

控制算法程序：本系统采用改进的阈值控制算法，设定一个目标温度T 和一个回差ΔT。当实测温度 T_measure

按键与显示程序：按键扫描程序采用非阻塞式扫描方式，实时检测按键动作，用于切换模式、修改设置参数。显示程序则负责将当前系统状态、温度值、设置参数等刷新显示到LCD 屏幕上。

四、系统调试与运行结果

系统调试遵循先局部后整体、先软件后硬件的原则。

硬件调试：首先确保最小系统工作正常。然后单独测试LCD1602 显示、DS18B20 温度读取、L298N 驱动风扇等模块，确保每个模块都能独立正常工作。使用万用表和示波器检查电源电压是否稳定，PWM 波形是否符合预期。

软件调试：通过串口打印或LCD 显示调试信息，逐步验证温度读取是否正确、按键功能是否正常、控制逻辑是否按预期执行。特别是 DS18B20的时序和PWM 的定时器配置，需要仔细调试。

系统联调：将所有模块连接起来进行整体测试。使用电烙铁靠近DS18B20 模拟机床升温，观察风扇转速是否随温度升高而平滑加快；移开电烙铁后，风扇转速是否随温度下降而减缓直至停止。测试结果表明，系统响应灵敏，控制效果良好。风扇在不同温度区间内实现了明显的档位变化，达到了自动调速的目的。同时，手动模式功能正常，报警功能也能在超温时及时触发。

结论

本文成功开发了一套基于 STC89C52 单片机的机床冷却风扇自动控制系统。该系统硬件结构简单，成本低廉，软件功能完善，控制策略有效。通过实际测试，系统运行稳定可靠，能够准确感知环境温度并智能调节风扇转速，完美实现了“按需冷却”的设计初衷。

与传统持续运行模式相比，本系统具有显著的节能、降噪、延长设备寿命的优势。它不仅提升了机床的自动化水平，更有助于保证加工精度。该设计方案具有较强的通用性和可扩展性，只需稍作修改，便可应用于其他需要散热的工业设备或电子装置中，如变频柜、电源柜、通信机箱等，具有广阔的应用前景和推广价值。