基于單片機(jī)的智能溫控散熱器設(shè)計(jì)

摘 要： 為了克服底座風(fēng)扇式散熱器一旦開啟便一直勻速運(yùn)行，而無法自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款智能溫控散熱器。該散熱器由溫度采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、顯示等模塊組成。系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的溫度，通過控制器自帶的脈寬調(diào)制（PWM）寄存器，使得風(fēng)扇的速度跟隨被控電機(jī)的速度而發(fā)生改變，從而達(dá)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

中圖分類號： TN37?34； TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0113?03

Design of intelligent temperature control radiator based on microcontroller

JIN Qichun， LI Hanshuang， CHEN Weiwei

（School of Mechatronic and Power Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhangjiagang 215600， China）

Abstract： The base fan?type radiator may keep a constant speed while opening， and its rotate speed can’t be adjusted automatically. In order to overcome the above shortcomings， an intelligent temperature control radiator was designed. The radiator is composed of the temperature acquisition module， motor driver module， display module， etc. According to the real?time acquired temperature， the fan’s speed can be changed with the speed variation of the controlled motor by means of PWM register owned by the controller itself， so the purpose of heat dissipation by intelligent temperature control is achieved.

Keywords： laptop； STC12C2052； intelligent temperature control； radiator

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(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(shè)計(jì)研究要解決的核心問題。目前，外接型的底座風(fēng)扇式散熱器是市場上較流行的一種散熱器[1]，然而該散熱器處于工作狀態(tài)時(shí)，散熱風(fēng)扇就一直保持在較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，不能隨筆記本電腦工作溫度的改變進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣就造成了能源的浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能溫控散熱器，它可以根據(jù)溫度變化，實(shí)現(xiàn)散熱器轉(zhuǎn)速檔位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能散熱的雙重效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文中設(shè)計(jì)的散熱器系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制器，通過溫度傳感器實(shí)時(shí)測量筆記本電腦出風(fēng)口的溫度，并送由單片機(jī)讀取，單片機(jī)根據(jù)測得溫度值所屬溫度區(qū)間來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，每一溫度區(qū)間對應(yīng)一種特定的轉(zhuǎn)速，溫度越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的智能控制。系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置有顯示器，可以交替顯示當(dāng)前所測的溫度值和電機(jī)的轉(zhuǎn)速檔位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

散熱器系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、溫度采集電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和顯示電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成的智能溫控散熱器原理圖如圖2所示。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STC12C2052是一種含有8051內(nèi)核，結(jié)構(gòu)精簡，高效能低功耗的單片機(jī)，片內(nèi)含2 KB可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器[2]，且自帶PWM脈寬調(diào)制模塊。其適應(yīng)溫度范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種不同的開發(fā)環(huán)境，在電子行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用。

圖2 智能溫控散熱器原理圖

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路，晶振電路和電源電路。該系統(tǒng)中復(fù)位電路采用按鍵手動(dòng)復(fù)位操作方式。當(dāng)按鍵按下時(shí)，開關(guān)導(dǎo)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(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(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)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(tǒng)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)過濾波電容輸出給單片機(jī)，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。

2.2 溫度采集電路設(shè)計(jì)

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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[3]，在實(shí)際場合和領(lǐng)域中得到越來越廣泛地應(yīng)用。該溫度傳感器可以將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，可編程分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃，即分辨位數(shù)越多，實(shí)現(xiàn)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，該傳感器具有單線接口的特點(diǎn)，即它與微處理器連接時(shí)僅需一條口線便可以實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通信[5]。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電扇轉(zhuǎn)動(dòng)，其工作電壓為5 V。由于單片機(jī)輸出給電機(jī)的電流比較微弱，電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這就需要加驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)電流信號放大。L9110驅(qū)動(dòng)芯片是一款為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)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(qiáng)且成本低，因此該芯片很符合此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dāng)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(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

表1 L9110輸入輸出管腳邏輯關(guān)系表

本系統(tǒng)通過單片機(jī)的PWM控制來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)制，并且利用定頻調(diào)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(jī)的開關(guān)先導(dǎo)通T1秒、再斷開T2秒得到的[6]，由占空比[D=T1T]，則電機(jī)的平均電壓為：

因此，定頻調(diào)寬即為保持T不變，調(diào)節(jié)T1，T2來改變占空比D，獲得電機(jī)不同的平均電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速[7]。

2.4 顯示電路設(shè)計(jì)

顯示器采用了雙位LED共陽極數(shù)碼管。其中，單片機(jī)的P3.2和P3.3管腳控制數(shù)碼管的位選，并且使用2個(gè)PNP型S8550三極管作為驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)通過控制三極管處于飽和區(qū)或截止區(qū)，對應(yīng)三極管狀態(tài)為接通或斷開，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管位選端的通斷。對于段選電路，單片機(jī)的P1.0～P1.7口各自連接了470 Ω的限流電阻，使數(shù)碼管能正常顯示數(shù)字和字符。數(shù)碼管采用了動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，數(shù)據(jù)經(jīng)由P1口傳遞到數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管按位快速掃描后，利用視覺暫留效應(yīng)，可以使人看到兩位數(shù)碼管同時(shí)顯示[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

散熱器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為三大模塊：溫度采集、DC電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)碼管顯示，并采用C語言編程。系統(tǒng)上電以后，首先對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)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(jī)之后，單片機(jī)根據(jù)測得溫度所屬的區(qū)間，控制占空比來調(diào)節(jié)不同的PWM脈寬，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)外部采集的溫度在25～35 ℃范圍時(shí)，人體對溫度感覺較溫和，此時(shí)電腦內(nèi)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(wěn)定，風(fēng)扇緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)即可；外部采集的溫度在35～55 ℃范圍時(shí)，電腦內(nèi)部的溫度大約在45～65 ℃，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)加快電腦的散熱速度；當(dāng)外部溫度大于55 ℃時(shí)，人體能明顯感覺溫度比較高，而此時(shí)電腦內(nèi)部的溫度大于65 ℃，十分不利于電腦正常運(yùn)作，因?yàn)镃PU溫度一旦超出75 ℃，會給電腦帶來死機(jī)甚至報(bào)廢的后果，所以此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)，加快筆記本電腦的散熱速度[9]。由此，本系統(tǒng)將溫度范圍劃分為三個(gè)區(qū)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(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速較快，可以有效且快速地為電腦散熱。同時(shí)，系統(tǒng)通過延時(shí)程序，將采集的溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速檔位轉(zhuǎn)化成數(shù)字量間隔30 s顯示在數(shù)碼管上。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié) 語

本文介紹了單片機(jī)控制的智能溫控散熱器系統(tǒng)，該系統(tǒng)巧妙地將溫度測量、單片機(jī)PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及數(shù)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(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，它可以根據(jù)電腦出風(fēng)口的溫度來有效調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，不僅可以達(dá)到良好的散熱目的，而且符合節(jié)能的環(huán)保理念。系統(tǒng)同時(shí)具備智能化、結(jié)構(gòu)精簡、安全系數(shù)高、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用在多種場合，例如直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，環(huán)境溫度的監(jiān)測[10]。因此該產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有廣闊的市場前景和廣泛的實(shí)際應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 何可.筆記本坐上“冷板凳”[N].中國質(zhì)量報(bào)，2012?05?10（8）.

[2] 姚永平.STC12C2052AD系列單片機(jī)器件手冊[Z].北京：宏晶科技，2005.

[3] MA Jianhui， GUO Peng， MENG Kai. Study on intelligent temperature controller based on expert controlling [J]. Sensors amp transducers， 2014， 171（5）： 20?24.

[4] 明德剛.DS18B20在單片機(jī)溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，23（1）：106?110.

[5] 郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 焦玉朋.基于51單片機(jī)的PWM直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2013.

[7] 田云，史潔.基于51單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速的方法[J].雞西大學(xué)學(xué)報(bào)（綜合版），2010，10（4）：51?52.

[8] 胡全.51單片機(jī)的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（13）：25.

[9] 吳明瑋.關(guān)于筆記本電腦溫度的小知識[J].辦公自動(dòng)化，2004（1）：61.

[10] MORIMOTO T， ISLAM M P， HATOU K. An intelligent control technique for dynamic optimization of temperature during fruit storage process [J]. American journal of operations research， 2013， 3（1A）： 207?216.