電子科技專(zhuān)業(yè)論文
摘 要： 為了克服底座風(fēng)扇式散熱器一旦開(kāi)啟便一直勻速運行，而無(wú)法自動(dòng)調節轉速的缺點(diǎn)，設計一款智能溫控散熱器。該散熱器由溫度采集、電機驅動(dòng)、顯示等模塊組成。系統根據實(shí)時(shí)采集到的溫度，通過(guò)控制器自帶的脈寬調制（PWM）寄存器，使得風(fēng)扇的速度跟隨被控電機的速度而發(fā)生改變，從而達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(wèn)題就隨之而來(lái)，如何將筆記本電腦在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量快速有效地散發(fā)出去，保證其正常工作，是筆記本散熱器設計研究要解決的核心問(wèn)題。目前，外接型的底座風(fēng)扇式散熱器是市場(chǎng)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(shí)，散熱風(fēng)扇就一直保持在較高的轉速下運行，不能隨筆記本電腦工作溫度的改變進(jìn)行風(fēng)扇轉速的自動(dòng)調節，這樣就造成了能源的浪費。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文設計了一種基于單片機的智能溫控散熱器，它可以根據溫度變化，實(shí)現散熱器轉速檔位的自動(dòng)調節，從而達到節能散熱的雙重效果。
1 系統設計原理
本文中設計的散熱器系統以單片機作為控制器，通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)測量筆記本電腦出風(fēng)口的溫度，并送由單片機讀取，單片機根據測得溫度值所屬溫度區間來(lái)調節電機的轉動(dòng)速度，每一溫度區間對應一種特定的轉速，溫度越高，電機轉速越快，從而實(shí)現風(fēng)扇轉速的智能控制。系統同時(shí)設置有顯示器，可以交替顯示當前所測的溫度值和電機的轉速檔位。系統結構設計圖如圖1所示。
2 系統硬件電路設計
散熱器系統硬件電路設計包括：?jiǎn)纹瑱C最小系統電路設計、溫度采集電路設計、電機驅動(dòng)電路設計和顯示電路設計，設計完成的智能溫控散熱器原理圖如圖2所示。
2.1 單片機最小系統電路設計
STC12C2052是一種含有8051內核，結構精簡(jiǎn)，高效能低功耗的單片機，片內含2 KB可反復擦寫(xiě)的FLASH只讀程序存儲器和256 B的隨機存取數據存儲器[2]，且自帶PWM脈寬調制模塊。其適應溫度范圍廣，抗干擾能力強，適用于各種不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在電子行業(yè)中有廣泛的應用。
圖2 智能溫控散熱器原理圖
單片機最小系統包括復位電路，晶振電路和電源電路。該系統中復位電路采用按鍵手動(dòng)復位操作方式。當按鍵按下時(shí)，開(kāi)關(guān)導通，此時(shí)電容兩端形成一個(gè)回路，電容即被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開(kāi)始釋放之前充的電量，其電壓從5 V逐漸減小，同時(shí)10 kΩ電阻兩端的電壓增大，所以RST引腳接收到高電平，單片機系統自動(dòng)復位。晶振電路是在一個(gè)反相放大器的兩端接入晶振，且有兩個(gè)22 pF的電容分別接到晶振兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，該電路為系統提供基本時(shí)鐘信號。電源電路將從USB口取得的5 V直流電經(jīng)過(guò)濾波電容輸出給單片機，為系統提供穩定的電壓。
2.2 溫度采集電路設計
DS18B20溫度采集傳感器以其功耗小，微型化，性能高，抗干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)[3]，在實(shí)際場(chǎng)合和領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛地應用。該溫度傳感器可以將溫度轉化為數字信號傳輸給單片機進(jìn)行處理，可編程分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃，即分辨位數越多，實(shí)現的測溫精度越高[4]。它的測溫范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃時(shí)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(xiàn)接口的特點(diǎn)，即它與微處理器連接時(shí)僅需一條口線(xiàn)便可以實(shí)現與微處理器的雙向通信[5]。 2.3 電機驅動(dòng)電路設計
本設計采用直流電動(dòng)機驅動(dòng)電扇轉動(dòng)，其工作電壓為5 V。由于單片機輸出給電機的電流比較微弱，電機無(wú)法正常運轉，這就需要加驅動(dòng)電路將單片機電流信號放大。L9110驅動(dòng)芯片是一款為控制和驅動(dòng)電機設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，抗干擾能力強且成本低，因此該芯片很符合此系統的設計要求。
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IA、IB輸入端均為高電平或者低電平時(shí)，OA、OB輸出端全為低電平，此時(shí)電動(dòng)機不轉動(dòng)；當IA、IB兩個(gè)輸入端輸入電平高低不同時(shí)，OA、OB兩個(gè)輸出端有高低電位差，此時(shí)電動(dòng)機轉動(dòng)。
表1 L9110輸入輸出管腳邏輯關(guān)系表
本系統通過(guò)單片機的PWM控制來(lái)實(shí)現電機的轉速調制，并且利用定頻調寬方法改變PWM脈沖占空比。如圖3所示，脈沖信號是由連接電機的.開(kāi)關(guān)先導通T1秒、再斷開(kāi)T2秒得到的[6]，由占空比[D=T1T]，則電機的平均電壓為：
因此，定頻調寬即為保持T不變，調節T1，T2來(lái)改變占空比D，獲得電機不同的平均電壓Ud，從而實(shí)現直流電機的調速[7]。
2.4 顯示電路設計
顯示器采用了雙位LED共陽(yáng)極數碼管。其中，單片機的P3.2和P3.3管腳控制數碼管的位選，并且使用2個(gè)PNP型S8550三極管作為驅動(dòng)。單片機通過(guò)控制三極管處于飽和區或截止區，對應三極管狀態(tài)為接通或斷開(kāi)，從而實(shí)現數碼管位選端的通斷。對于段選電路，單片機的P1.0～P1.7口各自連接了470 Ω的限流電阻，使數碼管能正常顯示數字和字符。數碼管采用了動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，數據經(jīng)由P1口傳遞到數碼管顯示，數碼管按位快速掃描后，利用視覺(jué)暫留效應，可以使人看到兩位數碼管同時(shí)顯示[8]。
3 系統軟件設計
散熱器系統軟件設計主要分為三大模塊：溫度采集、DC電機驅動(dòng)、數碼管顯示，并采用C語(yǔ)言編程。系統上電以后，首先對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設置，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)送給單片機之后，單片機根據測得溫度所屬的區間，控制占空比來(lái)調節不同的PWM脈寬，從而控制直流電機的轉速。當外部采集的溫度在25～35 ℃范圍時(shí)，人體對溫度感覺(jué)較溫和，此時(shí)電腦內部的溫度大約為35～45 ℃，而筆記本電腦的正常工作溫度為45 ℃左右，所以此時(shí)CPU的工作狀態(tài)較穩定，風(fēng)扇緩慢轉動(dòng)即可；外部采集的溫度在35～55 ℃范圍時(shí)，電腦內部的溫度大約在45～65 ℃，此時(shí)應適當加快電腦的散熱速度；當外部溫度大于55 ℃時(shí)，人體能明顯感覺(jué)溫度比較高，而此時(shí)電腦內部的溫度大于65 ℃，十分不利于電腦正常運作，因為CPU溫度一旦超出75 ℃，會(huì )給電腦帶來(lái)死機甚至報廢的后果，所以此時(shí)應調節風(fēng)扇高速運轉，加快筆記本電腦的散熱速度[9]。由此，本系統將溫度范圍劃分為三個(gè)區間：[25，35），[35，55），[55，100）。測得溫度在25～45 ℃時(shí)，控制脈寬占空比為20%，電機轉速較慢；45～55 ℃時(shí)，控制脈寬占空比為50%；大于55 ℃時(shí)，控制脈寬占空比為80%，此時(shí)電機轉速較快，可以有效且快速地為電腦散熱。同時(shí)，系統通過(guò)延時(shí)程序，將采集的溫度和電機轉速檔位轉化成數字量間隔30 s顯示在數碼管上。系統主程序流程圖如圖4所示。
4 結 語(yǔ)
本文介紹了單片機控制的智能溫控散熱器系統，該系統巧妙地將溫度測量、單片機PWM控制電機轉速及數碼管顯示等模塊聯(lián)系在了一起，使散熱器不必一直保持在高速運轉的狀態(tài)下，它可以根據電腦出風(fēng)口的溫度來(lái)有效調整風(fēng)扇的轉速，不僅可以達到良好的散熱目的，而且符合節能的環(huán)保理念。系統同時(shí)具備智能化、結構精簡(jiǎn)、安全系數高、可操作性強的優(yōu)點(diǎn)，因此可以給電腦用戶(hù)帶來(lái)極大的便利。此外，若將電路和程序稍作修改，它還可以應用在多種場(chǎng)合，例如直流電機的調速系統，環(huán)境溫度的監測[10]。因此該產(chǎn)品設計具有廣闊的市場(chǎng)前景和廣泛的實(shí)際應用需求。
參考文獻
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