基于单片机的智能温控散热器设计

  • 投稿游子
  • 更新时间2016-06-02
  • 阅读量717次
  • 评分5
  • 12
  • 1
摘 要: 为了克服底座风扇式散热器一旦开启便一直匀速运行,而无法自动调节转速的缺点,设计一款智能温控散热器。该散热器由温度采集、电机驱动、显示等模块组成。系统根据实时采集到的温度,通过控制器自带的脉宽调制(PWM)寄存器,使得风扇的速度跟随被控电机的速度而发生改变,从而达到智能温控散热的目的。 
  关键词: 笔记本电脑; STC12C2052; 智能温控; 散热器 
  中图分类号: TN37?34; TP302.1 文献标识码: A 文章编号: 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 
  笔记本电脑自诞生起,散热问题就随之而来,如何将笔记本电脑在工作时产生的热量快速有效地散发出去,保证其正常工作,是笔记本散热器设计研究要解决的核心问题。目前,外接型的底座风扇式散热器是市场上较流行的一种散热器[1],然而该散热器处于工作状态时,散热风扇就一直保持在较高的转速下运行,不能随笔记本电脑工作温度的改变进行风扇转速的自动调节,这样就造成了能源的浪费。为了解决这个问题,本文设计了一种基于单片机的智能温控散热器,它可以根据温度变化,实现散热器转速档位的自动调节,从而达到节能散热的双重效果。 
  1 系统设计原理 
  本文中设计的散热器系统以单片机作为控制器,通过温度传感器实时测量笔记本电脑出风口的温度,并送由单片机读取,单片机根据测得温度值所属温度区间来调节电机的转动速度,每一温度区间对应一种特定的转速,温度越高,电机转速越快,从而实现风扇转速的智能控制。系统同时设置有显示器,可以交替显示当前所测的温度值和电机的转速档位。系统结构设计图如图1所示。 
  2 系统硬件电路设计 
  散热器系统硬件电路设计包括:单片机最小系统电路设计、温度采集电路设计、电机驱动电路设计和显示电路设计,设计完成的智能温控散热器原理图如图2所示。 
  2.1 单片机最小系统电路设计 
  STC12C2052是一种含有8051内核,结构精简,高效能低功耗的单片机,片内含2 KB可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器[2],且自带PWM脉宽调制模块。其适应温度范围广,抗干扰能力强,适用于各种不同的开发环境,在电子行业中有广泛的应用。 
  图2 智能温控散热器原理图 
  单片机最小系统包括复位电路,晶振电路和电源电路。该系统中复位电路采用按键手动复位操作方式。当按键按下时,开关导通,此时电容两端形成一个回路,电容即被短路,所以在按键按下的这个过程中,电容开始释放之前充的电量,其电压从5 V逐渐减小,同时10 kΩ电阻两端的电压增大,所以RST引脚接收到高电平,单片机系统自动复位。晶振电路是在一个反相放大器的两端接入晶振,且有两个22 pF的电容分别接到晶振两端,每个电容的另一端再接到地,该电路为系统提供基本时钟信号。电源电路将从USB口取得的5 V直流电经过滤波电容输出给单片机,为系统提供稳定的电压。 
  2.2 温度采集电路设计 
  DS18B20温度采集传感器以其功耗小,微型化,性能高,抗干扰能力强的优点[3],在实际场合和领域中得到越来越广泛地应用。该温度传感器可以将温度转化为数字信号传输给单片机进行处理,可编程分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5 ℃,0.25 ℃,0.125 ℃和0.062 5 ℃,即分辨位数越多,实现的测温精度越高[4]。它的测温范围为-55~125 ℃,在-10~85 ℃时测温精度为±0.5 ℃,此测温范围和精度足以适用于对笔记本电脑出风口温度的测量。另外,该传感器具有单线接口的特点,即它与微处理器连接时仅需一条口线便可以实现与微处理器的双向通信[5]。 2.3 电机驱动电路设计 
  本设计采用直流电动机驱动电扇转动,其工作电压为5 V。由于单片机输出给电机的电流比较微弱,电机无法正常运转,这就需要加驱动电路将单片机电流信号放大。L9110驱动芯片是一款为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大器件,其静态工作电流低,电源电压范围大,抗干扰能力强且成本低,因此该芯片很符合此系统的设计要求。 
  L9110芯片有IA、IB两路输入管脚和OA、OB两路输出管脚,这四路管脚的输入输出逻辑关系如表1所示。由表1可知,当IA、IB输入端均为高电平或者低电平时,OA、OB输出端全为低电平,此时电动机不转动;当IA、IB两个输入端输入电平高低不同时,OA、OB两个输出端有高低电位差,此时电动机转动。 
  表1 L9110输入输出管脚逻辑关系表 
  本系统通过单片机的PWM控制来实现电机的转速调制,并且利用定频调宽方法改变PWM脉冲占空比。如图3所示,脉冲信号是由连接电机的开关先导通T1秒、再断开T2秒得到的[6],由占空比[D=T1T],则电机的平均电压为: 
  因此,定频调宽即为保持T不变,调节T1,T2来改变占空比D,获得电机不同的平均电压Ud,从而实现直流电机的调速[7]。 
  2.4 显示电路设计 
  显示器采用了双位LED共阳极数码管。其中,单片机的P3.2和P3.3管脚控制数码管的位选,并且使用2个PNP型S8550三极管作为驱动。单片机通过控制三极管处于饱和区或截止区,对应三极管状态为接通或断开,从而实现数码管位选端的通断。对于段选电路,单片机的P1.0~P1.7口各自连接了470 Ω的限流电阻,使数码管能正常显示数字和字符。数码管采用了动态扫描显示方式,数据经由P1口传递到数码管显示,数码管按位快速扫描后,利用视觉暂留效应,可以使人看到两位数码管同时显示[8]。 
  3 系统软件设计 
  散热器系统软件设计主要分为三大模块:温度采集、DC电机驱动、数码管显示,并采用C语言编程。系统上电以后,首先对各个模块进行初始化设置,然后用温度传感器DS18B20检测笔记本电脑出风口的温度,将温度发送给单片机之后,单片机根据测得温度所属的区间,控制占空比来调节不同的PWM脉宽,从而控制直流电机的转速。当外部采集的温度在25~35 ℃范围时,人体对温度感觉较温和,此时电脑内部的温度大约为35~45 ℃,而笔记本电脑的正常工作温度为45 ℃左右,所以此时CPU的工作状态较稳定,风扇缓慢转动即可;外部采集的温度在35~55 ℃范围时,电脑内部的温度大约在45~65 ℃,此时应适当加快电脑的散热速度;当外部温度大于55 ℃时,人体能明显感觉温度比较高,而此时电脑内部的温度大于65 ℃,十分不利于电脑正常运作,因为CPU温度一旦超出75 ℃,会给电脑带来死机甚至报废的后果,所以此时应调节风扇高速运转,加快笔记本电脑的散热速度[9]。由此,本系统将温度范围划分为三个区间:[25,35),[35,55),[55,100)。测得温度在25~45 ℃时,控制脉宽占空比为20%,电机转速较慢;45~55 ℃时,控制脉宽占空比为50%;大于55 ℃时,控制脉宽占空比为80%,此时电机转速较快,可以有效且快速地为电脑散热。同时,系统通过延时程序,将采集的温度和电机转速档位转化成数字量间隔30 s显示在数码管上。系统主程序流程图如图4所示。 
  4 结 语 
  本文介绍了单片机控制的智能温控散热器系统,该系统巧妙地将温度测量、单片机PWM控制电机转速及数码管显示等模块联系在了一起,使散热器不必一直保持在高速运转的状态下,它可以根据电脑出风口的温度来有效调整风扇的转速,不仅可以达到良好的散热目的,而且符合节能的环保理念。系统同时具备智能化、结构精简、安全系数高、可操作性强的优点,因此可以给电脑用户带来极大的便利。此外,若将电路和程序稍作修改,它还可以应用在多种场合,例如直流电机的调速系统,环境温度的监测[10]。因此该产品设计具有广阔的市场前景和广泛的实际应用需求。 
  参考文献 
  [1] 何可.笔记本坐上“冷板凳”[N].中国质量报,2012?05?10(8). 
  [2] 姚永平.STC12C2052AD系列单片机器件手册[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] 明德刚.DS18B20在单片机温控系统中的应用[J].贵州大学学报(自然科学版),2006,23(1):106?110. 
  [5] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社,2009. 
  [6] 焦玉朋.基于51单片机的PWM直流电机调速系统[D].呼和浩特:内蒙古大学,2013. 
  [7] 田云,史洁.基于51单片机的直流电机调速的方法[J].鸡西大学学报(综合版),2010,10(4):51?52.