面向智慧社區(qū)的筆記本電腦散熱器設計

毛 威，夏金威，楊程偉，呂 合，周學禮

（常熟理工學院 物理與電子工程學院，江蘇 常熟 215500）

智慧社區(qū)充分利用網絡平臺，力求為社區(qū)居民打造一個更加安全、便利、人性化與現(xiàn)代化的生活環(huán)境.當今社會，人們的生活工作都離不開計算機.計算機內部有自己攜帶的散熱器.按照帶走熱量的方式可以將散熱器分為主動散熱和被動散熱.前者常見的是風冷散熱，后者常見的是散熱片.而在實際生活中，筆記本電腦自帶的散熱器的散熱效果不是非常明顯，存在著一定的安全隱患.現(xiàn)有的外置筆記本電腦散熱器［1］普遍功能較為單一，只有散熱作用，而且風速只能是固定的風速，這樣會造成資源的浪費，噪聲也會隨之而來.本設計在智慧社區(qū)的背景下，以STC89C52單片機為核心對筆記本電腦工作的散熱情況進行全方位的監(jiān)測，配合單片機搭載的各傳感器可以使監(jiān)測內容更豐富.另外還加入了風扇驅動模塊，有利于散熱器更好地工作，進而讓筆記本電腦的運行更加有效.

1 系統(tǒng)整體設計方案

圖1 系統(tǒng)設計框圖

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，以STC89C52單片機為核心，將電源模塊、電腦溫度檢測模塊、環(huán)境溫濕度傳感器、煙霧傳感器及PM2.5傳感器連接至單片機，并將監(jiān)測到的信息通過與單片機 相連的LCD1602顯示出來.單片機根據對接收到的信息進行判斷，從而控制風扇驅動和報警模塊的工作.電源模塊供電維持整個系統(tǒng)的正常工作.風扇驅動模塊和電腦溫度檢測模塊構成降溫模塊，溫濕度傳感器、煙霧傳感器、PM2.5傳感器及報警模塊構成環(huán)境監(jiān)測模塊.

2 系統(tǒng)硬件設計

本設計將系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，其中的硬件部分包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、PM2.5傳感器、報警模塊、電腦溫度檢測模塊、風扇驅動模塊、A/D轉換模塊以及一塊LCD1602顯示屏.主控部分采用的是STC公司的STC89C52，該芯片具有8 K的Flash、512 K的RAM，功耗低、性能高.芯片還具有32個快速I/O端口，3個16位定時器/計數器.

2.1 電腦溫度檢測模塊

電腦溫度檢測模塊采用的芯片是溫度檢測芯片DS18B20［2-3］，用于檢測筆記本電腦底面的溫度，因此其設置在筆記本電腦散熱器的支撐面上.DS18B20是美國DALLAS公司推出的增強型單總線數字溫度傳感器，DS18B20的測溫范圍為-55 ℃～+125 ℃，精度為±5 ℃，其數據線與主控芯片的P1.0相連，當系統(tǒng)設定采樣時間到時，由主控芯片發(fā)出讀溫度信號，通過主控芯片的P1.0口和DS18B20的I/O口相連，按照DS18B20的時序要求，發(fā)出相應的讀、寫命令，從而獲取溫度信息.同時單片機進行數據的讀??；主控芯片會對所得數據進行分析，如果超出閾值，則風扇開始工作，以預定轉速運行.各傳感器進行初始化，主控芯片對數據進行采集，同時將數據顯示在顯示模塊（LCD1602顯示屏）上，方便用戶及時了解當前環(huán)境狀況.如果采集的數據超出閾值，則會啟動報警模塊進行聲光報警，并通過GSM模塊將報警信息發(fā)送至用戶.

2.2 風扇驅動模塊

風扇驅動模塊采用的是達林頓反相驅動器ULN2803［4］，其為八重達林頓晶體管陣列，反相輸出，輸入電壓值為TTL或5 V的CMOS值，輸出可達500 mA/50 V.本系統(tǒng)采用PWM脈沖寬度調制［5］的方法對直流電機進行調速，形狀不同但沖量相等的窄脈沖在它被加在擁有慣性的環(huán)節(jié)上時，它們所產生的效果基本是相同的.沖量代表的是窄脈沖的面積.效果基本相同代表的是環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同.在低頻段時會非常接近，只有在高頻段時會稍微有一點不同.通過改變電壓相同的PWM的占空比（高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期的時間比）來改變電壓的平均值，進而控制電機的轉速.占空比越大，平均電壓就越大，則電機的轉速就越快.因此在設計時很容易就可通過主控芯片輸出占空比可調的PWM信號控制電機轉動.由于主控芯片輸出的PWM信號輸出電流小，驅動力不夠，因此在主控芯片的P1.6口輸出一個PWM方波信號，并接至ULN2803達林頓反相驅動器的IN8口，再接直流電機，直流電機即散熱風扇的驅動電機.

2.3 環(huán)境監(jiān)測模塊

該模塊包括環(huán)境溫濕度采集模塊、煙霧監(jiān)測模塊和PM2.5傳感器模塊.系統(tǒng)采用的DHT11溫濕度傳感器［6-7］，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器.其主要包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，經過簡單的電路連接單片機就能檢測當前環(huán)境的溫濕度.

DHT11功耗很低，其供電電壓為3～5.5 V，濕度的測量范圍為20%～90%RH，精度為±5%RH；溫度的測量范圍為0～50 ℃；精度為±2 ℃.DHT11通過DATA口與主控芯片的P1.1端連接，采用單總線傳輸，單根信號線既可傳輸時鐘，又能傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的，這樣能使線路簡單，便于擴展和維護.

煙霧傳感器［8］采用MQ-2型煙霧傳感器模塊檢測氣體信息，MQ-2型煙霧傳感器模塊有AOUT和DOUT兩種輸出端.在模塊內部，AOUT直接連接MQ-2傳感器，AOUT端輸出即為MQ-2模擬輸出.同時，對于DOUT輸出端，在模塊內部，MQ-2傳感器輸出的模擬電壓會輸入至LM393比較器，通過調節(jié)變阻器可以改變參考電壓.當MQ-2傳感器輸出的模擬電壓大于參考電壓時，比較器輸出電壓為5 V；當MQ-2傳感器輸出的模擬電壓小于參考電壓時，比較器輸出電壓為-5 V，即DOUT端輸出的結果為一個矩形波.

MQ-2煙霧傳感器使用時需要一定時間的預熱，檢測到不同煙霧濃度時會輸出不同的電壓值，模擬量輸出0～5 V電壓，濃度越高，電壓越高，利用A/D轉換得到數字量.MQ-2煙霧傳感器是輸出電壓模擬量，將其模擬信號輸出口A0與A/D轉換模塊的外部信號輸入口AIN0連接，將模擬量轉化為數字量輸出.

PM2.5傳感器［9-10］采用夏普公司的GP2Y1050AU0F傳感器，傳感器的檢測原理為灰塵或煙霧顆粒通過防塵通氣孔進入裝置，紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線到顆粒物上，光敏三極管接收其散射光信號，通過測量光信號的強度來測出粉塵的濃度.傳感器可檢測0.03～2.5 μm微塵顆粒，輸出電壓為0～3.5 V，流損耗最大20 mA.PM2.5傳感器的輸出腳接入A/D轉換模塊的AIN1腳.

2.4 報警顯示模塊

報警模塊中包括了GSM模塊［11-12］，采用SIM800芯片［13-14］進行短信通信.SIM800模塊是一款性價比較高的工業(yè)級GSM/GPRS模塊［15］.該模塊采用SIMCOM公司的工業(yè)級四頻850/900/1 800/1 900 MHz的SIM800芯片，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸.SIM800模塊有多種工作模式，正常工作模式、關機模式、最小功能模式，其中，正常工作模式包括：GSM/GPRS休眠、GSM空閑、GSM通話、GPRS待機、GPRS數據傳輸［16］.短信收發(fā)模塊SIM800利用TTL控制，直接和主控芯片連接通訊，T_RX與主控芯片的TXD引腳連接，T_TX與主控芯片的RXD引腳連接，GND和V_MCU分別接地端和電源端.

顯示模塊采用的是LCD1602［17］液晶顯示器.LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×02即32個字符.LCD1602液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣就可以顯示出圖形.如圖2所示為LCD1602硬件連接圖.將LCD的Vdd接VCC，Vss接地，VO串聯(lián)10 K電阻接地，背光正極BL+串聯(lián)10 K電阻接VCC，背光負極BL-接地，DB0～DB7分別接主控芯片的P0.0～P0.7.

圖2 LCD硬件連接圖

2.5 A/D轉換模塊

本設計采用了PCF8591［18-19］芯片作為A/D轉換模塊.PCF8591為8位逐次逼近式A/D轉換器，內含采樣保持電路，具有4個模擬輸入、一個模擬輸出和一個串行I2C總線接口，在與CPU的信息傳輸過程中僅靠時鐘線SCL和數據線SDA就可以實現(xiàn).在A/D轉換周期將臨時使用片上D/A轉換器和高增益比較器，一個A/D轉換周期總是開始于一個有效讀模式給PCF8591之后，當轉換周期被觸發(fā)，所選通道的輸入電壓采樣將保存到芯片并被轉換為對應的8位二進制碼，轉換結果被保存在ADC數據寄存器等待傳輸.將主控芯片的P2.0、P2.1腳分別連接至時鐘線SCL和數據線SDA來進行數據傳輸，本實例中使用的是內部時鐘，將EXT腳接地.本設計中使用的煙霧傳感器和PM2.5傳感器則是通過該A/D轉換模塊轉換后獲取測得的數據.

3 系統(tǒng)軟件總體設計

3.1 系統(tǒng)總體流程

圖3 系統(tǒng)運行的總流程圖

系統(tǒng)工作時的總流程如圖3所示.在單片機連接電源模塊后，先檢查無線通信模塊是否工作正常.由于本設計中的數據傳輸是通過無線傳輸模塊進行的，如果無線通信模塊無法正常工作，則會對系統(tǒng)產生很大的影響，導致測量數據傳輸異常.當檢測到GSM模塊各通信節(jié)點正常工作后，各類傳感器就會進行初始化進程，然后主控芯片接收環(huán)境監(jiān)測數據，并對傳送過來的數據與設定的閾值進行對比，一旦檢測到數據超過閾值，則控制風扇驅動模塊和報警模塊進行工作，同時也會向用戶發(fā)送相應的提示信息.為了方便用戶及時了解環(huán)境數據，單片機搭載了一塊LCD顯示屏用于顯示當前環(huán)境監(jiān)測的數據以及日期、時間.

3.2 各模塊軟件設計

本設計中散熱器監(jiān)測的主要環(huán)境參數為空氣中的溫濕度、煙霧濃度、PM2.5濃度以及筆記本電腦底面溫度.由于各類天氣各有特點，無法設定統(tǒng)一閾值，所以通過改變環(huán)境參數對系統(tǒng)進行測試，以判定系統(tǒng)是否可以正常工作.

設計中，DHT11傳感器可直接對環(huán)境中溫濕度的狀況進行讀取，將監(jiān)測得到的溫濕度發(fā)送至主控芯片后與閾值進行比較，如果超出閾值則發(fā)送信息至用戶并啟動風扇驅動模塊對溫度和濕度進行調節(jié).降溫模塊流程如圖4所示.

對于煙霧濃度的檢測，則將傳感器監(jiān)測得到的數據經過A/D轉換后由模擬量變?yōu)閿底至匡@示.PM2.5的檢測與煙霧濃度的檢測方法類似，將監(jiān)測到的PM2.5數據經過A/D轉換后與閾值相比較，如果超出閾值，則啟動風扇驅動模塊降低PM2.5的濃度，并向用戶發(fā)送提示信息.

SIM800模塊的初始化則需要不同的AT指令來完成.在本設計中，采用GSM模塊發(fā)送短信至用戶手中，需要定義以下3個AT指令［20］：AT+CSCS、AT+CMGS以及AT+CMGF.其中AT+CSCS是用于字符集的設置，本設計中需要發(fā)送中英文短信，將指令設置為：AT+CSCS=“UCS2”；AT+CMGS指令是用于用戶的手機號碼的設置，設置的指令如下：AT+CMGS=“130XXXXXXXX”；AT+CMGF指令是用于短消息模式的設置，SIM800支持兩種模式：PDU和TEXT，本設計中選擇文本模式，設置的指令為：AT+CMGF=1.本系統(tǒng)中還會用到GPRS模塊，因此會用到以下指令：AT+CIPSTATUS、AT+CDNSCFG、AT+CIPSEND、AT+CIPSTART以及AT+CIPSHUT，其中AT+CIPSTATUS是用于查詢當前連接狀態(tài)；AT+CDNSCFG則是配置域名服務器DNS，如指令：AT+CDNSCFG=1，“CMNET”，即設置為GPRS連接，接入點為“CMNET”；AT+CIPSEND指令用于發(fā)送數據；AT+CIPSTART指令用于建立TCP連接；AT+CIPSHUT指令用于關閉TCP連接.

圖4 降溫模塊流程圖

4 實驗結果與分析

本設計中散熱器主要實現(xiàn)對空氣中的溫濕度、煙霧濃度、PM2.5濃度及筆記本電腦底面溫度進行監(jiān)測，同時將監(jiān)測數據通過無線模塊進行傳輸，并與閾值對比.如超出預設閾值，則通過SIM800模塊發(fā)送信息提醒用戶，風扇驅動模塊則采取相應的措施，使筆記本的周邊環(huán)境保持適合的工作狀態(tài).

4.1 風扇驅動模塊工作分析

系統(tǒng)自動采集溫度，根據系統(tǒng)內部初始化的溫度上下限，自動改變風扇轉動擋位，并顯示當前溫度和擋位.轉速擋位分為3擋，3擋最快，2擋次之，1擋最慢.系統(tǒng)初始化設置的上下限為40 ℃和20 ℃，溫度超過下限為1擋，上限時為3擋，上下限中間值時為2擋.這兩個參數根據用戶需求均可修改.

4.2 空氣溫濕度測量與分析

濕、溫度測量分別選取FLUKE971和FLUKE1524作標準值，實驗數據分別見表1和表2.

4.3 煙霧濃度和PM2.5數據測量與分析

兩者均通過A/D轉換模塊PCF8591芯片，將煙霧濃度與PM2.5的數據通過數字量顯示.煙霧傳感器通過A/D轉換輸出電壓值，經監(jiān)測，正常狀態(tài)下輸出電壓值約為0.4 V，而當煙霧濃度異常時，輸出電壓值均超過1 V，由此設定閾值1 V作為煙霧正常與否的判定標準.測得環(huán)境中煙霧濃度正常，PM2.5濃度約為57 μg/m3，具體閾值應當按不同天氣情況進行設置.在測試時，將煙霧濃度傳感器的輸出電壓閾值設置為1 V，PM2.5濃度設置為75 μg/m3.

4.4 信息顯示與報警信息發(fā)送格式

本設計為提高實用性，加入了信息顯示功能.在顯示屏上顯示當前環(huán)境參數，溫度顯示為TE，濕度顯示為HU，煙霧濃度顯示為SM，PM2.5顯示為PM2.5（單位μg/m3），監(jiān)測數據正常顯示為OK，異常顯示為NO.正常環(huán)境下，顯示屏顯示為“TE:25 ℃ HU:45% SM:OK PM2.5:63”.同時，通過切換鍵，可以顯示當前筆記本電腦溫度參數、設置的溫度閾值以及風扇轉速擋位，電腦溫度顯示為TE，溫度上限顯示為MAX，下限顯示為MIN，風扇轉速擋位顯示為GE，顯示格式為：“TE:25 ℃ MAX:40 ℃ MIN:20 ℃ GE:1”.

本設計中，需要將筆記本電腦周圍的環(huán)境監(jiān)測數據發(fā)送至用戶.正常情況下，系統(tǒng)設置為每3 h發(fā)送一次數據，如果發(fā)生緊急情況，則立即發(fā)送預警信息至用戶，信息發(fā)送的格式為：“當前溫度：25 ℃；濕度：45%；煙霧：OK；PM2.5：63 μg/m3；預警：無”.

表1 濕度測量值與相對誤差

表2 溫度測量值與相對誤差

5 結束語

本文設計實現(xiàn)了一種基于STC89C52的具有環(huán)境監(jiān)測功能的筆記本電腦散熱器，該系統(tǒng)以STC89C52單片機為主控，結合多種傳感器，實現(xiàn)了環(huán)境實時監(jiān)測的功能，并達到了良好的散熱效果.經驗證，該散熱器性能穩(wěn)定，實用性強，功耗低，具有良好的市場推廣價值，可為企業(yè)的決策和生產提供切實可行的思路和經驗.以此散熱器為基礎，可以功能升級，如加入實時監(jiān)控模塊，并開發(fā)相應的APP，使用戶可以遠程了解筆記本電腦工作情況.