智能电脑散热系统

第1页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告1前言现代生活，电脑已经成为人们生活中不可缺少的一部分。无论笔记本电脑还是台式电脑，人们在选择的时候都会考虑到它的散热性能，一个好的散热系统能够保证电脑的高速正常运行，给CPU足够的空间进行高负载的活动，才能享受计算机技术给我们生活带来的无穷魅力，可见一个好的散热系统，对电脑而言是多么的重要。但是，计算机部件中大量使用的是集成电路，而众所周知，高温是集成电路的大敌。高温不但会导致系统运行不稳，使用寿命缩短，甚至有可能使某些部件烧毁。导致高温的热量不是来自计算机外，而是计算机内部，或者说是集成电路内部。散热器的作用就是将这些热量吸收，然后发散到机箱内或者机箱外，保证计算机部件的温度正常。多数散热器通过和发热部件表面接触，吸收热量，再通过各种方法将热量传递到远处，比如机箱内的空气中，然后机箱将这些热空气传到机箱外，完成计算机的散热。说到计算机的散热器，我们最常接触的就是CPU的散热器。散热器通常分为主动散热和被动散热两种；前者以风冷散热器较为常见，而后者多为散热片。细分散热方式，又可分为风冷，液冷，半导体制冷，压缩机制冷等等。其中，液冷·半导体制冷及压缩机制冷要么技术不成熟，要求高，能耗大；要么体积受限，价格昂贵。风冷散热器作为区别于水冷散热器的一个主流产品类别，不断的引领着整个IT散热市场的前进和创新因此，风冷是最常见，性价比最高的散热方式，我们设计的“智能电脑散热系统”就是利用温度传感器实现对外界温度的感知，再利用单片机编程控制风扇的转速，从而实现温度的自动调节，以达到散热目的。正是因为融合了温度传感器技术和单片机技术，使得本作品兼智能化和自动化于一体。而温控调速技术的优点在于其能有效地提高散热器的的工作效率，节约能源，性价比高，适用范围广泛。且本设计比较人性化，由于不同的电脑的散热能力不同，对于散热能力很差的电脑而言，只凭借温控可能无法实现正常降温，就需要人为控制来调节适合电脑的散热，因此我们增加了手控模式。本设计中增加了实时温度显示，让我们随时看着CPU的具体温度，从而消除忧虑，并且，在这基础之上，还增加了高温报警功能，避免你的电脑因为温度过高烧毁一些部件甚至是CPU。因此，我们的设计更加人性化，更加舒适。第2页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告2总体方案设计2.1设计内容根据对环境温度的测量控制小风扇的转速，并用数码管显示当前温度数值，温度升高风扇转速提高，温度降低风扇转速下降。同时配备按键实现控制风扇的启、停，温控模式、手控模式、手控档位加，手控档位减，另外还要实现温度过高自动报警，以及按键按下时发声，提醒操作成功。2.2方案比较方案一：选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大由于温度变化引起热敏电阻电阻的变化、进而导至的输出电压变化的微弱电压变化信号，再用AD转换芯片ADC0809将模拟信号转化为数字信号输入STC89C52RC单片机处理。采用液晶显示屏LCD显示温度，电机采用数模转换芯片AD0832控制，由单片机根据当前温度值送出相应数字量到AD0832，由AD0832产生模拟信号产生PWM波，控制直流电机转速。如图2.1图2.1系统总体框图方案二：采用数字式集成温度传感器DS18B20作为感测温度的核心元件，直接输出数字温度信号输入STC89C52RC单片机处理，采用四位共阳数码管显示温度，采用动态扫描显示方式，并且采用对单片机编程输出PWM调制波形经ULN2003驱动后直接控制电机转速。如图2.2热敏电阻检测温度89C52单片机比较器AD转换LCD显示按键控制DA转换控制电机报警装置第3页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告图2.2系统总体框图2.3方案论证方案一：此方案能够实现设计的功能，采用热敏电阻有价格便宜、元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其本身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路予以纠正，但不仅将使电路复杂稳定性降低，而且在人体所处温度环境温度变化中难以检测到小的温度变化。液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点。但是液晶显示模块价格昂贵，驱动程序复杂。虽然用DA转化芯片产生PWM调制波能够实现，但是D/A转换芯片价格较高，与其温控状态下单片机直接编程相比性价比不高。方案二：本方案也能正常实现设计的功能，并且由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，温度误差很小，并且由于其感测温度的原理与上述方案的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。LED数码管显示，成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。DS18B20温度转换89C52单片机四位7段LED数码管按键控制ULN2003控制电机报警装置第4页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告2.4方案选择通过上面两种方案的论证比较，中和性价比和复杂度，我们选择第二种方案。第5页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3.单元模块电路简介与设计3.1本系统部分器件介绍3.1.1DS18B20温度传感器简介DS18B20单线数字温度传感器是Dallas半导体公司开发的世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。它具有3引脚TO－92小体积封装形式。温度测量范围为-55℃——+125℃，可编程为9位——12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。工作电压支持3V——5.5V的电压范围，既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。DS18B20还支持“一线总线”接口，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。它还有存储用户定义报警温度等功能。DS18B20内部结构及管脚图：DS18B20内部结构如图3.1所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。其管脚排列如图3.2所示，DQ为数字信号端，GND为电源地，VDD为电源输入端。图3.1DS18B20内部结构第6页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告图3.2DS18B20外形及管脚3.1.2STC89C52RC单片机简介STC89C52RC是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM）256B片内RAM的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC的STC89C52RC是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。STC89C52RC单片机管脚如图3.3所示:图3.3STC89C52RC单片机管脚各管脚功能：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。第7页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。3.1.3ULN2003芯片简介ULN2003是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统其管脚图如图3.4图3.4ULN2003芯片引脚图第8页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3.2单元模块电路设计3.2.1电源电路电源电路主要是为系统提供电源，在本设计中，为了使电路简单，我们直接用USB接口提供5V直流电源为电路供电。下图中的第2个图是电源指示灯电路，指示是否给系统加电，第3个图是滤波电路，第4个图是为其余芯片供电电路。电路如图3.5。图3.5电源电路图3.2.2单片机主芯片电路芯片STC89C52RC是带2K字节快闪存储器的8位单片机。P0-P3口都是并行I/O口，都可用于数据的输入和输出。其中P1的P1.4,P1.5，P1.6，P1.7口用于LED显示的位选控制；P1.2高温报警；P1.3用于控制直流电机的转速。P2口用于LED数码管的段选信号输出，P3.4用于DS18B20温度检测值的输入，而P0.0-P0.4用于按键的输入检测，同时P0口加上拉电阻。电路如图3.6。图3.6单片机芯片STC89C52的电路图第9页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告3.2.3时钟电路单片机的晶振电路，即时钟电路。单片机的工作流程，就是在系统时钟的作用下，一条一条地执行存储器中的程序。单片机的时钟电路由外接的一只晶振和两只起振电容，以及单片机内部的时钟电路组成，晶振的频率越高，单片机处理数据的速度越快，系统功耗也会相应增加，稳定性也会下降。单片机系统常用的晶振频率有6MHz、11．0592MHz、12MHz、本系统采用11．0592MHz晶振，电容选30pF，电路如图3.7。图3.7晶振电路图3.2.4复位电路系统刚上电时，单片机内部的程序还没有开始执行，需要一段准备时间，也就是复位时间。一个稳定的单片机系统必须设计复位电路。当程序跑飞或死机时，也需要进行系统复位。复位电路有很多种，有上电复位，手动复位等，电路如图3.8。图3.8复位电路图3.2.5显示电路LED采用共阳极数码管，利用单片机的I/O口驱动LED数码管的亮灭。设计中为了简化电路，直接用P1.5-P1.7四位来作为数码管的片选信号，P2口来作为其段码控制LED数值显示。其电路如图3.9第10页西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告e1d2dp3c4g5b7G38G29f10a11G112G46LED14LED-SM-1Wei3Wei1Wei2PWM2R43100P20P21P22P23P24P25P26P27图