智能电脑散热系统解读.docx

1、智能电脑散热系统解读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

2、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

3、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

4、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。 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

5、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

6、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

7、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。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。3.单元模块电路简介与设计3.1 本系统部分器件介绍3.1.1 DS18B20 温度传感器简介DS18B20 单线数字温度传感器是Dall

8、as 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TO92 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3V5.5V 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：DS

9、18B20 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3.1 DS18B20 内部结构图3.2 DS18B20 外形及管脚3.1.2 STC89C52RC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

10、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3.3 STC89C52RC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。P1 口：P1 口是一个内

11、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

12、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。3.1.3 ULN2003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

13、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3.4 ULN2003芯片引脚图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，

14、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，

15、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、110592MHz、12MHz、本系统采用110592MHz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

16、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图3.9显示模块电路图3.2.6 温度检测电路 设计中利用DS18B20作为温度检测，并且它能自动将温度信号转换成数字信号输入给单片机的P3.4口，检测灵敏，速度较快。模块电路如图3.10图3.10 温度检

17、测电路3.2.7 按键控制电路设计中利用五个按键控制，系统的启、停，模式选择，以及手控模式下的风扇转速增减（默认为温控模式），分别通过单片机I/O口的P0.0-P0.4输入，并且P0口加上拉电阻。电路如图3.11图3.11 按键控制电路3.2.8 报警及电机电路 高温报警和按键发声采用同一电路，通过单片机的P1.2输出信号经ULN2003后控制此部分，而电机的控制则由单片机P1.3输出调制后的波形经ULN2003后驱动电机。电路如图3.12图3.12 报警及电机电路3.3 模块联接总电路 根据以上各个部分的介绍，最后联接成整体，实现从DS18B20中采集温度，将温度值一数字信号送入单片机中经过

18、处理后控制显示以及风扇转速，随着温度的变化，显示和电机的转速也会发生变化，并且进入手控模式后，通过按键也可以人为控制转速，其联接总图如3.13：图3.13 系统联接总电路图4.软件设计4.1 程序设计原理及所用工具本设计采用刚刚学过的51单片机汇编语言进行编程，采用模块化思想，即将其分为很多个模块，有DS18B20部分，显示部分，PWM调制部分，温度比较及高温报警部分，按键控制部分，编程所用的软件是Keil2，下载程序用到了STC_ISP_V481软件，程序调试时仿真用到Proteus 7.0。4.2 主程序设计 主程序中主要完成将各模块程序联接起来，并且不断循环进行，达到连续工作，并且会进行

19、状态查询，当开启后才能执行程序，否则不断待机查询，最后进行是否关闭查询，若没有关闭，正常执行，若关闭则进入待机查询开启键状态。流程框图见图4.14.3各模块子程序设计4.3.1 DS18B20复位与检测子程序在本子程序中首先进行DS18B20的复位并查询是否准备好，然后写入控制，读出温度,其代码如下：RESET: SETB DATA_LINE NOP CLR DATA_LINE MOV R0,#64H MOV R1,#03HRESET1: DJNZ R0,$ MOV R0,#64H DJNZ R1,RESET1 SETB DATA_LINE NOP MOV R0,#25HRESET2: JNB

20、 DATA_LINE,RESET3 DJNZ R0,RESET2 JMP RESET4 RESET3: SETB FLAG1 JMP RESET5RESET4: CLR FLAG1 JMP RESET6RESET5: MOV R0,#064H DJNZ R0,$ RESET6: SETB DATA_LINE RET 本代码的过程是，首先由单片机向其输入大约600us的低电平信号，为了让DS18B20复位，然后将总线拉高就是等待它的反应，若存在并且准备就绪就会给单片机回复一个高电平，当我们查询到高电平后，就将标志位置高，表明其存在并准备好，查询不到高电平，则代表DS18B20存在故障，则标志位清

21、零。通过这个子程序，可以准确的判断DS18B20的状态，有利于系统的正常运行。 而从DS18B20中读取温度的程序如下：READ: MOV R4,#4 ; 将温度高位和低位从DS18B20中读出 MOV R1,#30H ; 存入30H、31H、32H、33HRE00: MOV R2,#8RE01: CLR C SETB DATA_LINE NOP NOP CLR DATA_LINE ;读前总线保持为低 NOP NOP NOP SETB DATA_LINE ;开始读总线释放 MOV R3,#09 ;延时18微妙 DJNZ R3,$ MOV C,DATA_LINE ;从DS18B20总线读得一个B

22、IT MOV R3,#23 DJNZ R3,$ ;等待46微妙 RRC A ;把读得的位值环移给A DJNZ R2,RE01 ;读下一个BIT MOV R1,A INC R1 DJNZ R4,RE00 RET 通过这个程序我们可以看出，在DS18B20准备就绪并且应答单片机后，就可以进行读取温度的操作。将读取的数据放入单片机的数据储存器的4个储存单元。从程序中可以看出，DS18B20是采用串行通信方式，只能进行位操作，通过将读取来的信息在累加器中进行带标志位移位操作，可以将串行变并行，完成读取后的温度信息是以字节的形式存在，方便后续的调用和处理。4.3.2 显示子程序 将温度读出转换后的温度数

23、据分别存在70H-73H中，在本子程序中将其读出从P2口输出控制数码管显示。 将读取来的温度数据进行BCD码转换的代码如下：CONVTEMP: MOV A,TEMPH ;判温度是否零下 ANL A,#80H JZ TEMPC1 ;温度零上转 CLR C MOV A,TEMPL ;二进制数求补（双字节） CPL A ;取反加1 ADD A,#01H MOV TEMPL,A MOV A,TEMPH ; CPL A ADDC A,#00H MOV TEMPH,A ;TEMPHC HI =符号位 MOV TEMPHC,#0BH SJMP TEMPC11TEMPC1: MOV TEMPHC,#0AH ;

24、TEMPC11: MOV A,TEMPHC SWAP A MOV TEMPHC,A MOV A,TEMPL ANL A,#0FH ;乘0.0625 MOV DPTR,#TEMPDOTTAB MOVC A,A+DPTR MOV TEMPLC,A ;TEMPLC LOW=小数部分 BCD MOV A,TEMPL ;整数部分 ANL A,#0F0H SWAP A MOV TEMPL,A MOV A,TEMPH ANL A,#0FH SWAP A ORL A,TEMPL MOV TEMP_ZH,A ;组合后的值存入TEMP_ZH LCALL HEX2BCD1 MOV TEMPL,A ANL A,#0F

25、0H SWAP A ORL A,TEMPHC ;TEMPHC LOW = 十位数 BCD MOV TEMPHC,A MOV A,TEMPL ANL A,#0FH SWAP A ;TEMPLC HI = 个位数 BCD ORL A,TEMPLC MOV TEMPLC,A MOV A,R7 JZ TEMPC12 ANL A,#0FH SWAP A MOV R7,A MOV A,TEMPHC ;TEMPHC HI = 百位数 BCD ANL A,#0FH ORL A,R7 MOV TEMPHC,ATEMPC12: RETTEMPDOTTAB: DB 00H,01H,02H,03H,04H,05H,0

26、6H DB 07H,08H,09HHEX2BCD1: MOV B,#064H DIV AB MOV R7,A MOV A,#0AH XCH A,B DIV AB SWAP A ORL A,B RET BCD码的转换是温度数据进入单片机后最重要的过程，之后的显示和PWM调制过程都要用到转换后的数据，如果本部分代码有误，整个系统都将无法运行。从程序中可以看出，首先是判断温度是否零下，因为涉及到符号位的取值，如果没有这一步在后面的单字节的BCD码转换过程中就不能读取出符号信息。当把温度数据转换成BCD码后，需提取出各位的值，将一个两位或者三位数分解成由百位，十位，各位构成的好处是有利于后面动态扫描显

27、示的段码值查表。 显示部分代码如下：DISP1: MOV R1,#70H ;指向显示数据首址 MOV R5,#80H ;扫描控制字初值PLAY: MOV P2, #0FFH MOV A,R5 ;扫描字放入A MOV P1, A MOV A,R1 ;取显示数据到A MOV DPTR,#TAB ;取段码表地址 MOVC A,A+DPTR ;查显示数据对应段码 MOV P2,A ;段码放入P2口 MOV A, R5 JNB ACC.6,LOOP5 ;小数点处理 CLR P2.7LOOP5: LCALL DL_MS ;显示2MS INC R1 ;指向下一个地址 MOV A,R5 ;放回 R5 内 JB

28、 ACC.3,ENDOUT ;ACC.3=1时一次显示结束 RR A ;A 中数据循环右移 MOV R5,A ;放入 R5 中 AJMP PLAY ;跳回 PLAY 循环ENDOUT: MOV P1,#00H ;一次显示结束，P1口复位 MOV P2,#0FFH ;P2口复位 RETTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,0BFH,0C7H,89HDL_MS: MOV R6,#25 DL1: MOV R7,#100DL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET 通过转换后的数据存在70H-73H中，将

29、其读出再通过查表，获得段码值，然后通过单片机的P2口送出控制LED显示，而位选信号通过P1口送出，本程序中为了简便，使用了移位循环显示，并且带有小数点的显示。4.3.4 按键扫描子程序 本子程序是进行控制模式选择按键查询，并且进入手控模式时的档位调节查询，并且伴有按键发声，按键扫描子程序代码：KEYSCAN1: JB K1,KEYSCAN1 LCALL BEEP_BL0 RETKEYSCAN2: JB K4,KEYSCAN2_OUT CPL FLAG2 LCALL BEEP_BLKEYSCAN2_OUT: RETKEYSCAN4: JB FLAG2,KEY1 AJMP KEYSCAN4_OUT

30、KEY1: JB K3,KEY2 LCALL BEEP_BL MOV A,ZS_MR ADD A, #5 MOV ZS_MR,A AJMP KEYSCAN4_OUTKEY2: JB K5,KEYSCAN4_OUT LCALL BEEP_BL MOV A,ZS_MR SUBB A, #5 MOV ZS_MR,A AJMP KEYSCAN4_OUTKEYSCAN4_OUT: RETKEYSCAN3: JB K2,KEYSCAN3_OUT LCALL BEEP_BL0 LCALL KEYSCAN1KEYSCAN3_OUT: RET 本代码中包含启动关闭按键，当供电后，单片机进入查询待机状态，只有在K

31、1键按下后，才能够执行主程序，而K2键用于关闭系统，当其按下后，调用按键发声程序，转入查询K1待机状态。而K4键是模式选择键，本设计精巧之一就有模式选择时，设定了标准位，可以通过查询标志位便能够确认模式，从而进行不同的PWM调制，默认模式为温控模式标志位为低，当按下K4便进入手控模式，同时标志位置高，只有在K4按下后，K3，K5按键才有效，分别为档位加和档位减，并且按键按下都会调用发声程序，并且二极管会发光，提醒操作成功。图4.1 主程序流程框图5系统调试5.1 硬件调试 在完成电路图的仿真之后，进入了实物设计，实物设计主要是对自己所设计的电路图进去焊接，用到自己电路图上的所用器件，如果实在没有的，可以用功能相似的器件来代替。在完成第一部分的焊接后，要对一些部件进行电压的测量，第一部分的焊接主要焊接电阻，电源，USB接口，发光二极管等，焊接完成后，我们接上USB接口，发现电路板上的USB接