電子科技專業(yè)論文
摘 要： 為了克服底座風(fēng)扇式散熱器一旦開啟便一直勻速運行，而無法自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的缺點，設(shè)計一款智能溫控散熱器。該散熱器由溫度采集、電機(jī)驅(qū)動、顯示等模塊組成。系統(tǒng)根據(jù)實時采集到的溫度，通過控制器自帶的脈寬調(diào)制（PWM）寄存器，使得風(fēng)扇的速度跟隨被控電機(jī)的速度而發(fā)生改變，從而達(dá)到智能溫控散熱的目的。
關(guān)鍵詞： 筆記本電腦； STC12C2052； 智能溫控； 散熱器
筆記本電腦自誕生起，散熱問題就隨之而來，如何將筆記本電腦在工作時產(chǎn)生的熱量快速有效地散發(fā)出去，保證其正常工作，是筆記本散熱器設(shè)計研究要解決的核心問題。目前，外接型的底座風(fēng)扇式散熱器是市場上較流行的一種散熱器[1]，然而該散熱器處于工作狀態(tài)時，散熱風(fēng)扇就一直保持在較高的轉(zhuǎn)速下運行，不能隨筆記本電腦工作溫度的改變進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)，這樣就造成了能源的浪費。為了解決這個問題，本文設(shè)計了一種基于單片機(jī)的智能溫控散熱器，它可以根據(jù)溫度變化，實現(xiàn)散熱器轉(zhuǎn)速檔位的自動調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能散熱的雙重效果。
1 系統(tǒng)設(shè)計原理
本文中設(shè)計的散熱器系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制器，通過溫度傳感器實時測量筆記本電腦出風(fēng)口的溫度，并送由單片機(jī)讀取，單片機(jī)根據(jù)測得溫度值所屬溫度區(qū)間來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，每一溫度區(qū)間對應(yīng)一種特定的轉(zhuǎn)速，溫度越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，從而實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的智能控制。系統(tǒng)同時設(shè)置有顯示器，可以交替顯示當(dāng)前所測的溫度值和電機(jī)的轉(zhuǎn)速檔位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
散熱器系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計、溫度采集電路設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計和顯示電路設(shè)計，設(shè)計完成的智能溫控散熱器原理圖如圖2所示。
2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計
STC12C2052是一種含有8051內(nèi)核，結(jié)構(gòu)精簡，高效能低功耗的單片機(jī)，片內(nèi)含2 KB可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器[2]，且自帶PWM脈寬調(diào)制模塊。其適應(yīng)溫度范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種不同的開發(fā)環(huán)境，在電子行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。
圖2 智能溫控散熱器原理圖
單片機(jī)最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路，晶振電路和電源電路。該系統(tǒng)中復(fù)位電路采用按鍵手動復(fù)位操作方式。當(dāng)按鍵按下時，開關(guān)導(dǎo)通，此時電容兩端形成一個回路，電容即被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量，其電壓從5 V逐漸減小，同時10 kΩ電阻兩端的電壓增大，所以RST引腳接收到高電平，單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。晶振電路是在一個反相放大器的兩端接入晶振，且有兩個22 pF的電容分別接到晶振兩端，每個電容的另一端再接到地，該電路為系統(tǒng)提供基本時鐘信號。電源電路將從USB口取得的5 V直流電經(jīng)過濾波電容輸出給單片機(jī)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。
2.2 溫度采集電路設(shè)計
DS18B20溫度采集傳感器以其功耗小，微型化，性能高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點[3]，在實際場合和領(lǐng)域中得到越來越廣泛地應(yīng)用。該溫度傳感器可以將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，可編程分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃，即分辨位數(shù)越多，實現(xiàn)的測溫精度越高[4]。它的測溫范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃時測溫精度為±0.5 ℃，此測溫范圍和精度足以適用于對筆記本電腦出風(fēng)口溫度的測量。另外，該傳感器具有單線接口的特點，即它與微處理器連接時僅需一條口線便可以實現(xiàn)與微處理器的雙向通信[5]。 2.3 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計
本設(shè)計采用直流電動機(jī)驅(qū)動電扇轉(zhuǎn)動，其工作電壓為5 V。由于單片機(jī)輸出給電機(jī)的電流比較微弱，電機(jī)無法正常運轉(zhuǎn)，這就需要加驅(qū)動電路將單片機(jī)電流信號放大。L9110驅(qū)動芯片是一款為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計的兩通道推挽式功率放大器件，其靜態(tài)工作電流低，電源電壓范圍大，抗干擾能力強(qiáng)且成本低，因此該芯片很符合此系統(tǒng)的設(shè)計要求。
L9110芯片有IA、IB兩路輸入管腳和OA、OB兩路輸出管腳，這四路管腳的輸入輸出邏輯關(guān)系如表1所示。由表1可知，當(dāng)IA、IB輸入端均為高電平或者低電平時，OA、OB輸出端全為低電平，此時電動機(jī)不轉(zhuǎn)動；當(dāng)IA、IB兩個輸入端輸入電平高低不同時，OA、OB兩個輸出端有高低電位差，此時電動機(jī)轉(zhuǎn)動。
表1 L9110輸入輸出管腳邏輯關(guān)系表
本系統(tǒng)通過單片機(jī)的PWM控制來實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)制，并且利用定頻調(diào)寬方法改變PWM脈沖占空比。如圖3所示，脈沖信號是由連接電機(jī)的.開關(guān)先導(dǎo)通T1秒、再斷開T2秒得到的[6]，由占空比[D=T1T]，則電機(jī)的平均電壓為：
因此，定頻調(diào)寬即為保持T不變，調(diào)節(jié)T1，T2來改變占空比D，獲得電機(jī)不同的平均電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速[7]。
2.4 顯示電路設(shè)計
顯示器采用了雙位LED共陽極數(shù)碼管。其中，單片機(jī)的P3.2和P3.3管腳控制數(shù)碼管的位選，并且使用2個PNP型S8550三極管作為驅(qū)動。單片機(jī)通過控制三極管處于飽和區(qū)或截止區(qū)，對應(yīng)三極管狀態(tài)為接通或斷開，從而實現(xiàn)數(shù)碼管位選端的通斷。對于段選電路，單片機(jī)的P1.0～P1.7口各自連接了470 Ω的限流電阻，使數(shù)碼管能正常顯示數(shù)字和字符。數(shù)碼管采用了動態(tài)掃描顯示方式，數(shù)據(jù)經(jīng)由P1口傳遞到數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管按位快速掃描后，利用視覺暫留效應(yīng)，可以使人看到兩位數(shù)碼管同時顯示[8]。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
散熱器系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為三大模塊：溫度采集、DC電機(jī)驅(qū)動、數(shù)碼管顯示，并采用C語言編程。系統(tǒng)上電以后，首先對各個模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，然后用溫度傳感器DS18B20檢測筆記本電腦出風(fēng)口的溫度，將溫度發(fā)送給單片機(jī)之后，單片機(jī)根據(jù)測得溫度所屬的區(qū)間，控制占空比來調(diào)節(jié)不同的PWM脈寬，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)外部采集的溫度在25～35 ℃范圍時，人體對溫度感覺較溫和，此時電腦內(nèi)部的溫度大約為35～45 ℃，而筆記本電腦的正常工作溫度為45 ℃左右，所以此時CPU的工作狀態(tài)較穩(wěn)定，風(fēng)扇緩慢轉(zhuǎn)動即可；外部采集的溫度在35～55 ℃范圍時，電腦內(nèi)部的溫度大約在45～65 ℃，此時應(yīng)適當(dāng)加快電腦的散熱速度；當(dāng)外部溫度大于55 ℃時，人體能明顯感覺溫度比較高，而此時電腦內(nèi)部的溫度大于65 ℃，十分不利于電腦正常運作，因為CPU溫度一旦超出75 ℃，會給電腦帶來死機(jī)甚至報廢的后果，所以此時應(yīng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇高速運轉(zhuǎn)，加快筆記本電腦的散熱速度[9]。由此，本系統(tǒng)將溫度范圍劃分為三個區(qū)間：[25，35），[35，55），[55，100）。測得溫度在25～45 ℃時，控制脈寬占空比為20%，電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢；45～55 ℃時，控制脈寬占空比為50%；大于55 ℃時，控制脈寬占空比為80%，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速較快，可以有效且快速地為電腦散熱。同時，系統(tǒng)通過延時程序，將采集的溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速檔位轉(zhuǎn)化成數(shù)字量間隔30 s顯示在數(shù)碼管上。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。
4 結(jié) 語
本文介紹了單片機(jī)控制的智能溫控散熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)巧妙地將溫度測量、單片機(jī)PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及數(shù)碼管顯示等模塊聯(lián)系在了一起，使散熱器不必一直保持在高速運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，它可以根據(jù)電腦出風(fēng)口的溫度來有效調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，不僅可以達(dá)到良好的散熱目的，而且符合節(jié)能的環(huán)保理念。系統(tǒng)同時具備智能化、結(jié)構(gòu)精簡、安全系數(shù)高、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點，因此可以給電腦用戶帶來極大的便利。此外，若將電路和程序稍作修改，它還可以應(yīng)用在多種場合，例如直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，環(huán)境溫度的監(jiān)測[10]。因此該產(chǎn)品設(shè)計具有廣闊的市場前景和廣泛的實際應(yīng)用需求。
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