電子科技專業論文

摘 要： 爲了克服底座風扇式散熱器一旦開啓便一直勻速執行，而無法自動調節轉速的缺點，設計一款智能溫控散熱器。該散熱器由溫度採集、電機驅動、顯示等模組組成。系統根據實時採集到的溫度，透過控制器自帶的脈寬調製（PWM）寄存器，使得風扇的速度跟隨被控電機的速度而發生改變，從而達到智能溫控散熱的目的。

關鍵詞： 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生的熱量快速有效地散發出去，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題。目前，外接型的底座風扇式散熱器是市場上較流行的一種散熱器[1]，然而該散熱器處於工作狀態時，散熱風扇就一直保持在較高的轉速下執行，不能隨筆記本電腦工作溫度的改變進行風扇轉速的自動調節，這樣就造成了能源的浪費。爲了解決這個問題，本文設計了一種基於單片機的智能溫控散熱器，它可以根據溫度變化，實現散熱器轉速檔位的自動調節，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爲控制器，透過溫度傳感器實時測量筆記本電腦出風口的溫度，並送由單片機讀取，單片機根據測得溫度值所屬溫度區間來調節電機的轉動速度，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，從而實現風扇轉速的智能控制。系統同時設定有顯示器，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：單片機最小系統電路設計、溫度採集電路設計、電機驅動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，高效能低功耗的單片機，片內含2 KB可反覆擦寫的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脈寬調製模組。其適應溫度範圍廣，抗干擾能力強，適用於各種不同的開發環境，在電子行業中有廣泛的應用。

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。該系統中復位電路採用按鍵手動復位操作方式。當按鍵按下時，開關導通，此時電容兩端形成一個迴路，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，單片機系統自動復位。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，該電路爲系統提供基本時鐘信號。電源電路將從USB口取得的5 V直流電經過濾波電容輸出給單片機，爲系統提供穩定的電壓。

2.2 溫度採集電路設計

DS18B20溫度採集傳感器以其功耗小，微型化，性能高，抗干擾能力強的優點[3]，在實際場合和領域中得到越來越廣泛地應用。該溫度傳感器可以將溫度轉化爲數字信號傳輸給單片機進行處理，可編程分辨率爲9～12位，對應的可分辨溫度分別爲0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃，即分辨位數越多，實現的測溫精度越高[4]。它的測溫範圍爲-55～125 ℃，在-10～85 ℃時測溫精度爲±0.5 ℃，此測溫範圍和精度足以適用於對筆記本電腦出風口溫度的測量。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與微處理器的雙向通信[5]。 2.3 電機驅動電路設計

本設計採用直流電動機驅動電扇轉動，其工作電壓爲5 V。由於單片機輸出給電機的`電流比較微弱，電機無法正常運轉，這就需要加驅動電路將單片機電流信號放大。L9110驅動芯片是一款爲控制和驅動電機設計的兩通道推輓式功率放大器件，其靜態工作電流低，電源電壓範圍大，抗干擾能力強且成本低，因此該芯片很符合此係統的設計要求。

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係如表1所示。由表1可知，當IA、IB輸入端均爲高電平或者低電平時，OA、OB輸出端全爲低電平，此時電動機不轉動；當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，此時電動機轉動。

表1 L9110輸入輸出管腳邏輯關係表

本系統透過單片機的PWM控制來實現電機的轉速調製，並且利用定頻調寬方法改變PWM脈衝佔空比。如圖3所示，脈衝信號是由連接電機的開關先導通T1秒、再斷開T2秒得到的[6]，由佔空比[D=T1T]，則電機的平均電壓爲：

因此，定頻調寬即爲保持T不變，調節T1，T2來改變佔空比D，獲得電機不同的平均電壓Ud，從而實現直流電機的調速[7]。

2.4 顯示電路設計

顯示器採用了雙位LED共陽極數碼管。其中，單片機的P3.2和P3.3管腳控制數碼管的位選，並且使用2個PNP型S8550三極管作爲驅動。單片機透過控制三極管處於飽和區或截止區，對應三極管狀態爲接通或斷開，從而實現數碼管位選端的通斷。對於段選電路，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元。數碼管採用了動態掃描顯示方式，數據經由P1口傳遞到數碼管顯示，數碼管按位快速掃描後，利用視覺暫留效應，可以使人看到兩位數碼管同時顯示[8]。

3 系統軟件設計

散熱器系統軟件設計主要分爲三大模組：溫度採集、DC電機驅動、數碼管顯示，並採用C語言編程。系統上電以後，首先對各個模組進行初始化設定，然後用溫度傳感器DS18B20檢測筆記本電腦出風口的溫度，將溫度發送給單片機之後，單片機根據測得溫度所屬的區間，控制佔空比來調節不同的PWM脈寬，從而控制直流電機的轉速。當外部採集的溫度在25～35 ℃範圍時，人體對溫度感覺較溫和，此時電腦內部的溫度大約爲35～45 ℃，而筆記本電腦的正常工作溫度爲45 ℃左右，所以此時CPU的工作狀態較穩定，風扇緩慢轉動即可；外部採集的溫度在35～55 ℃範圍時，電腦內部的溫度大約在45～65 ℃，此時應適當加快電腦的散熱速度；當外部溫度大於55 ℃時，人體能明顯感覺溫度比較高，而此時電腦內部的溫度大於65 ℃，十分不利於電腦正常運作，因爲CPU溫度一旦超出75 ℃，會給電腦帶來死機甚至報廢的後果，所以此時應調節風扇高速運轉，加快筆記本電腦的散熱速度[9]。由此，本系統將溫度範圍劃分爲三個區間：[25，35），[35，55），[55，100）。測得溫度在25～45 ℃時，控制脈寬佔空比爲20%，電機轉速較慢；45～55 ℃時，控制脈寬佔空比爲50%；大於55 ℃時，控制脈寬佔空比爲80%，此時電機轉速較快，可以有效且快速地爲電腦散熱。同時，系統透過延時程序，將採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

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組聯繫在了一起，使散熱器不必一直保持在高速運轉的狀態下，它可以根據電腦出風口的溫度來有效調整風扇的轉速，不僅可以達到良好的散熱目的，而且符合節能的環保理念。系統同時具備智能化、結構精簡、安全係數高、可操作性強的優點，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，它還可以應用在多種場合，例如直流電機的調速系統，環境溫度的監測[10]。因此該產品設計具有廣闊的市場前景和廣泛的實際應用需求。

參考文獻

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