一種智能溫控筆記本電腦散熱器設(shè)計(jì)

殷智慧 王彩霞 胡 瑤

（湖南第一師范學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410000）

隨著時代和科技的進(jìn)步，筆記本電腦不再是奢侈品，已經(jīng)成為人們生活和工作中不可或缺的智能工具。人們對筆記本電腦的便捷性需求，促使電腦體積越來越小巧，機(jī)體內(nèi)部空間無限壓縮，隨之而來的便是筆記本電腦的散熱問題。高溫可能會使電腦卡頓，影響用戶的體驗(yàn)，嚴(yán)重的會損壞配件，縮短電腦的使用壽命。這種情況下，外部散熱器應(yīng)時而生。底座散熱器是用戶最常選購的散熱器，其通過風(fēng)扇將電腦內(nèi)部產(chǎn)生的熱量盡快擴(kuò)散，從而達(dá)到降溫的效果。但是，目前市面上常見的底座散熱器風(fēng)速固定，缺少溫度顯示和自動控制功能，不利于降耗節(jié)能。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于AT89C52 單片機(jī)的智能控制型散熱器系統(tǒng)，它可以根據(jù)電腦發(fā)熱的情況，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速自動調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能和散熱的雙重效果。此外，用戶也可以根據(jù)數(shù)碼管顯示的溫度，通過按鍵設(shè)置自己想要的風(fēng)速效果，使用戶的體驗(yàn)感更強(qiáng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以AT89C52 單片機(jī)為核心處理器，通過DS18B20 溫度傳感器實(shí)時測量筆記本電腦出風(fēng)口的溫度；測量的數(shù)據(jù)交由單片機(jī)處理后，將風(fēng)速檔位與實(shí)時溫度通過數(shù)碼管顯示給用戶；同時單片機(jī)對比所設(shè)置的溫度上下限，根據(jù)當(dāng)前溫度控制IP 口輸出PWM脈沖，自動調(diào)節(jié)散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動速度；三個獨(dú)立按鍵用以調(diào)節(jié)溫度的上下界限，滿足不同用戶的風(fēng)速需求；溫度持續(xù)高于上限值，單片機(jī)將啟動蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)主控模塊

AT89C52 是一款低功耗、高性能的CMOS8 位微控制器，該芯片擁有32 個I/O 口，內(nèi)部有3 個16bit 的定時/計(jì)數(shù)器，器件采用ATMEL 公司之高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定，價格低廉，因此散熱器系統(tǒng)選取AT89C52 作為核心控制器。

2.2 溫度測量電路

DS18B20 溫度傳感器是數(shù)字式溫度感器，相對于傳統(tǒng)溫度器精度更高、性能更好、電路簡單、控制方便，只通過一條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)通信，測溫范圍在負(fù)55℃和正125℃之間，最大精度0.0625℃，并且讀取速度快，在93.75ms 可完成9bit 數(shù)字量，是常用家電測量溫度的不二之選。本系統(tǒng)中DS18B20 的數(shù)據(jù)通信端外接4.7K 的上拉電阻后與單片機(jī)的P1.6 號引腳連接通信，電路仿真圖如圖2 所示。

圖2 DS18B20 溫度采集仿真電路

圖3 溫度顯示電路

2.3 溫度顯示模塊

顯示器采用4 位共陰極數(shù)碼管。4 位共陰管單片機(jī)可以直接驅(qū)動，不另加驅(qū)動電路。單片機(jī)P0 端接數(shù)碼管的段碼，并用8只500 歐左右排阻上拉,P2 口的4 位I/O 口接數(shù)碼管的位選。具體電路仿真圖如圖3 所示。四位數(shù)碼管分別顯示不同字符。第一位在工作狀態(tài)顯示風(fēng)扇檔位“0”“1”或“2”擋，當(dāng)用戶使用按鍵調(diào)節(jié)上下限溫度時，顯示“L”低溫和"H"高溫，便于用戶區(qū)分上下界限；第二位是分隔符；第三位和第四位用于顯示兩位數(shù)的溫度。

2.4 風(fēng)扇驅(qū)動及調(diào)速模塊

散熱器采用5V 工作電壓的電扇，由于單片機(jī)I/O 口輸出的電流比較微弱，風(fēng)扇無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要外加驅(qū)動電路將單片機(jī)電流信號放大。驅(qū)動電路采用PNP 和NPN 的級聯(lián)放大電路，電路仿真如圖4 所示。風(fēng)扇電機(jī)的速度是根據(jù)單片機(jī)P1.0 口輸出的PWM 脈沖控制的。利用定頻調(diào)寬的方法改變PWM 占空比。控制原理如圖5 所示，脈沖信號由導(dǎo)通電壓的T1 秒和斷開電壓的T2 秒組成，占空比D=T1/T2，電機(jī)的平均電壓為：Ud=D*Um。因此，定頻調(diào)寬的原理就是保持T 不變，單片機(jī)通過改變T1，T2 來調(diào)節(jié)占空比，從而使風(fēng)扇電機(jī)獲得不同的平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)速度的效果。

圖4 風(fēng)扇驅(qū)動電路

圖5 PWM 控制原理

2.5 溫度設(shè)置按鍵和報(bào)警模塊

散熱器系統(tǒng)設(shè)有3 個獨(dú)立按鍵，均是一端引腳接地，一端引腳接單片機(jī)的P3 口。按鍵按下，單片機(jī)引腳與低電平導(dǎo)通，此時單片機(jī)接收到信號，依據(jù)程序要求完成溫度上下限的設(shè)定。溫度設(shè)置鍵第一次按下設(shè)置溫度上限，第二次按下設(shè)置溫度下限，第三次按下退出設(shè)置模式，上調(diào)鍵用于增大溫度值，下調(diào)鍵用于減小溫度值。溫度上下限的設(shè)定是用來設(shè)置風(fēng)扇的工作狀態(tài)，電腦當(dāng)前溫度低于設(shè)定的下限值，風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，第一個數(shù)碼管顯示“0”檔；當(dāng)溫度介于上下值之間，風(fēng)扇低速運(yùn)行，此時顯示“1”檔；當(dāng)溫度高于上限值，風(fēng)扇高速運(yùn)行，數(shù)碼管顯示“2”檔，如果溫度高于上限值并持續(xù)10 分鐘，報(bào)警電路中的蜂鳴器會鳴笛警示。

3 仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，程序設(shè)計(jì)了系統(tǒng)初始化、溫度采集與讀取、數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度與風(fēng)速檔位、按鍵掃描、報(bào)警預(yù)處理、PWM電機(jī)控制等主要功能。本系統(tǒng)程序采用C 語言編寫，在美國KeilSoftware 公司開發(fā)的Keil uVision5 軟件環(huán)境下進(jìn)行編譯與調(diào)試。KeilC51 擁有豐富的數(shù)據(jù)庫函數(shù)，支持51 系列單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用。仿真采用英國Labcenter electronics 公司出版的Proteus 軟件。該軟件常用于單片機(jī)等數(shù)字電路仿真，整體仿真圖如圖6 所示。

圖6 整體仿真圖

4 結(jié)論

本文以AT89C52 單片機(jī)為核心處理器，溫度傳感器采用精準(zhǔn)度高、讀取速度快的DS18B20，通過I/O 口輸出不同的PWM脈沖控制散熱器風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，四位共陰數(shù)碼管顯示設(shè)定數(shù)據(jù)和實(shí)時狀態(tài)溫度，并具有報(bào)警提示功能，實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的智能控制型筆記本散熱器設(shè)計(jì)。