基于單片機的筆記本電腦外接散熱風(fēng)扇軟硬件設(shè)計研究

魯 建

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

隨著知識經(jīng)濟的迅速發(fā)展，筆記本電腦逐漸成為現(xiàn)代人生活工作的必備用品，筆記本內(nèi)部帶有降溫風(fēng)扇，無需獨立電源散熱，而且內(nèi)置于筆記本便于攜帶.但正是這個原因增加了筆記本的體積，風(fēng)扇的風(fēng)量有限，而隨著時間的推移內(nèi)部灰塵增多，風(fēng)扇的效率大打折扣而且會帶來噪音.由于內(nèi)置于筆記本，風(fēng)扇的清理較為麻煩；距離元件太近造成風(fēng)扇本身的溫度也很高，散熱能力更加有限.

而隨著溫度控制技術(shù)的發(fā)展，為了降低風(fēng)扇運轉(zhuǎn)時的噪音以及節(jié)省能源等，溫控風(fēng)扇被廣泛的應(yīng)用.在現(xiàn)階段，溫控風(fēng)扇的設(shè)計已經(jīng)有了一定的成效，當溫度升到一定程度時能自動啟動風(fēng)扇，當溫度降到一定溫度時能自動停止風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)智能控制.

隨著單片機在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多用單片機作控制的溫度控制系統(tǒng)也應(yīng)運而生，如基于單片機的溫控風(fēng)扇系統(tǒng).它使風(fēng)扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化實現(xiàn)自動啟停，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實現(xiàn)了風(fēng)扇的智能控制.為現(xiàn)代社會人們的生活以及生產(chǎn)帶來了諸多便利，在提高人們的生活質(zhì)量、生產(chǎn)效率的同時還能節(jié)省風(fēng)扇運轉(zhuǎn)所需的能量.

因此運用單片機控制風(fēng)扇來解決筆記本CPU由于長時間工作導(dǎo)致溫度過高，影響筆記本工作效率及使用壽命的散熱問題就成為最佳的解決方案.

1 單片機概述

單片機是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機.隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以將中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）定時器計數(shù)器以及輸入/輸出（I/O）接口電路等主要計算機部件，集成在一塊電路芯片上.雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上，都已具有了微機系統(tǒng)的含義.由于單片機能獨立執(zhí)行內(nèi)部程序，所以又稱之為微型控制器（Microcontroller）.單片機自從問世以來，性能在不斷的提高和完善，它不僅能夠滿足很多應(yīng)用場合的需要，而且具有集成度高、功能強、速度快、體積小使用方便、性能可靠、價格低廉等特點.單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，單片機又稱單片微控制器，它不是完成某個邏輯功能的芯片，而是把計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上.單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當于一個微型的計算機（最小系統(tǒng)）.它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件.

2 筆記本電腦散熱風(fēng)扇的工藝控制要求

散熱風(fēng)扇系統(tǒng)的組成部分為一個風(fēng)扇驅(qū)動器，兩只12V直流風(fēng)扇；一直用于基礎(chǔ)降溫，另一只完成對筆記本的降溫.

2.1 本方案控制要求如下：

當筆記本的溫度低于30℃時，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動；

當筆記本的溫度在30℃-45℃時，一只風(fēng)扇轉(zhuǎn)動；

當筆記本的溫度高于45℃時，兩只風(fēng)扇轉(zhuǎn)動.

由于控制工藝要求，在本課題中確定了6個輸入點以及4個輸出點，I/O分配如表1所示.

表1 I/O分配表

2.2 散熱器硬件選擇

2.2.1 溫度傳感器選擇

DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器，是Dallas半導(dǎo)體公司開發(fā)的世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器.它具有3引腳TO－92小體積封裝形式.溫度測量范圍為-55℃—+125℃，可編程為9位—12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625℃.被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出.工作電壓支持3V—5.5V的電壓范圍，既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生.DS18B20還支持“一線總線”接口，多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路.它還有存儲用戶定義報警溫度等功能.

圖1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 DS18B20外形及管腳

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器.其管腳排列如圖2所示，DQ為數(shù)字信號端，GND為電源地，VDD為電源輸入端.

2.2.2控制核心——單片機的選擇

STC89C52是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM）256B片內(nèi)RAM的低電壓，高性能CMOS8位微處理器.該器件采用STC高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容.由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，STC的STC89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案.

STC89C52單片機管腳如圖3所示[3].

圖3 STC89C52單片機管腳

3 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 主電路圖設(shè)計

本設(shè)計中有兩個直流風(fēng)扇，需要達林頓2003A驅(qū)動，當其接收到高電平時，輸出高阻抗，使風(fēng)扇不工作；接收到低電平時，輸出高電平，驅(qū)動風(fēng)扇工作.主電路圖元器件之間的連接如圖4所示.

圖4 散熱風(fēng)扇主電路圖

3.1.2 溫度檢測電路設(shè)計

本設(shè)計采用DS18B20作為溫度檢測器以及晶振與單片機的連接，如圖5所示：

圖5 溫度檢測電路

3.1.3 復(fù)位電路的設(shè)計

手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平.辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕.當按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端.手動按鈕復(fù)位的電路如圖6所示.由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求.

圖6 復(fù)位電路

3.1.4 單片機接線圖設(shè)計

單片機接口的輸入輸出點都要與硬件進行連接，本設(shè)計設(shè)有一只發(fā)光二極管以便檢查單片機是否正常工作.單片機接口與硬件連接之后，整個控制電路就完成了.圖7為單片機接線圖.

圖7 單片機與硬件接口圖

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)流程圖

由控制工藝要求，下流程圖可以清晰、直觀、形象地反映風(fēng)扇散熱的全過程，系統(tǒng)流程圖如圖8所示：

圖8 系統(tǒng)流程圖

3.2.2 程序的編譯及仿真結(jié)果分析

電路圖搭建完成后，在任務(wù)欄的模擬/在線模擬選項中進行在線模擬仿真，程序編譯后提示無錯誤時就可以進行仿真了.仿真結(jié)果分析如下：

（1）DS18B20檢測的溫度低于30℃，如25℃，兩只風(fēng)扇都不轉(zhuǎn)動，發(fā)光二極管閃爍；

（2）DS18B20檢測的溫度高于30℃但低于45℃，如40℃，只有一只風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，發(fā)光二極管閃爍；

（3）DS18B20檢測的溫度高于45℃，如55℃，兩只風(fēng)扇都轉(zhuǎn)動，發(fā)光二極管閃爍.

4 設(shè)計結(jié)論

隨著自動化技術(shù)的普及，人們都致力于使用自動化技術(shù)來降低勞動強度，提高工作效率.本論文主要是對基于單片機的筆記本散熱風(fēng)扇系統(tǒng)進行了研究，也就是設(shè)計了一個為筆記本降溫的方案，從溫度檢測技術(shù)入手，利用單片機的強大智能功能，編寫程序并利用Protel軟件進行了仿真，通過軟件與硬件的結(jié)合，實現(xiàn)為筆記本散熱的功能.