单片机的智能电脑散热器方案设计课程方案设计.docx
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单片机的智能电脑散热器方案设计课程方案设计
本设计针对散热问题做了深入的探讨,并设计出一套基于单片机控制的智能散热底座,综合了成本和性能等相关因素,采用了STC公司以STC90C51核心搭建了该系统。
在本着成本控制和推向市场的前提下,文中的电路简约而易于批量生产,在完成散热功能和最少成本的前提下达到了节能和智能。
关键词:
散热底座;单片机;智能控制
ABSTRACT
Notebookcomputer,portability,smallsize,anditsfunctionmeettheneedsofmostpeople,withthestepofscienceandtechnologyhasbroughtcostsdown,notebookpricesalsoacceptabletomostpeople.Withtheincreasingnumberofproblemsusingalaptop,notebookisexposedoutside,inadditiontoprice,mostconcernedaboutisnothingmorethantheheat.Notebookinperformanceandportabilityagainstheat,becomethemostcrucialfactor,notebookcoolinghasbeenabottleneckinthecoretechnologyofnotebook.Sometimesthenotebookcomputerwillaccidentallycrashes,isthegeneralsystemhightemperatureled.Inordertosolvethisproblem,peopledesigntheheatsinkbase,canmakethenotebookproducedheatdiffusiontothecomputerassoonaspossibleoutside,doesnotaffecttheuseofnotebookfunction,notthecomputerlinecorrosionphenomenon,ensurethenormalworkofnotebookcomputer.Goodbasecangreatlyprolongtheservicelifeofnotebookcomputer.
Thedesignfortheradiationproblemisdiscussedindetail,anddesignasetofintelligentheatdissipationbasebasedonsingle-chipmicrocomputercontrol,therelevantfactorsofcostandperformance,usingtheSTCcompanytobuildthesystemofSTC90C51core.Inthespiritofthecostcontrolandthemarketunderthepremise,thecircuitsimpleandeasymassproduction,saveenergyandintelligenceinthepremiseradiationfunctionandtheminimumcost.
KeyWords:
CoolingbaseMicrocontrolunitIntelligentcontrol
第一章绪言
随着科技的不断进步和发展,单片机的使用已经渗透到我们日常生活当中的各个领域,几乎很难找到有哪个领域没有使用单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,各种智能IC卡的广泛使用,轿车、地铁和公交车的安全保障系统,智能手机、摄像机、洗衣机的自动控制,以及遥控玩具、电子宠物等等,这些产品都与开单片机息息相关。
那就更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
第一节系统研究背景
本文设计的智能散热器,利用单片机进行控制,实时温度传感器对直流电机进行转速控制,外加液晶显示电路,可实现散热器转速随着外界温度变化而变化。
而目前市场上仅仅有的是单开关式的散热器,且操作不方便,经常开关,还没有根据温度变化来进行控制的智能散热底座。
因而,此设计具有相当重要的现实意义和实用价值。
第二节散热原理和方式
散热,其实就是一个热量传递过程通过传导、对流、辐射等几种方式。
通常在台式机中主要是风冷技术,这包括中央处理器、显卡、电源及机箱的散热风扇等,在笔记本电脑中,风冷依旧的主要的散热方式,绝大数的散热方式是:
风扇、热管、散热板的组合。
目前很多笔记本电脑采用铝镁合金的外壳,对散热也起到了一定的作用。
在笔记本电脑底部一般都有散热通风口,或吸入或吹出,对笔记本电脑的散热都非常重要。
笔记本电脑在设计的时候也考虑到散热问题,往往会用垫脚将机身抬高,但是在温度过高的时候,就显得比较勉强。
笔记本的散热底座的散热原理主要有两种:
1.单纯通过物理学上的导热原理实现散热功能。
将塑料或金属制成的散热底座放在笔记本的底部,抬高笔记本以促进空气流通和热量辐射,可以达到散热效果。
2在散热底座上面再安装若干个散热风扇来提高散热性能。
这种风冷散热方式包括吸风和吹风两种。
两种送风形式的差别在于气流形式的不同,吹风时产生的是气流,属于主动散热,风压大但容易受到阻力损失,例如我们日常夏天用的电风扇;吸风时产生的是层流,属于被动散热,风压小但气流稳定,例如机箱风扇。
理论上说,开放环境中,紊流的换热效率比层流大,但是笔记本底部和散热底座实际组成了一个封闭空间,所以一般吸风散热方式更符合风流设计规范。
市场上的散热底座多数是有内置吸风式风扇的。
第三节笔记本散热底座设计
一、散热底座的材料
当前市场主要产品使用的材料有两种:
金属或者塑料。
金属的导热性好,但现在任何一款笔记本的底部都有防滑胶垫,和金属散热底座不可能紧贴在一起,所以金属的导热性能不能完全发挥出来。
当然,金属底座还是可以更好地将笔记本内散发出来热量吸收并扩散出去。
另外金属一般比较重,而且由于制造时工艺要求较高,一旦做工不够精细,极易伤人。
塑料材质一般比较轻便,硬度也较高,很多工程塑料的强度甚至超过金属。
出于成本及轻便的考虑,重量较轻、发热小的笔记本可以选用设计较好的塑料散热底座。
但是如果是重量较大,发热较高的笔记本还是得使用金属材质的做工良好的散热底座。
二、散热底座的性能
性能判定方法:
同等环境下,使用散热底座和不使用,分别记录开机五分钟和开机一小时后的系统主要温度参数,可以大概确定该散热底座的散热性能。
还需要特别注意的是散热底座的噪音和振动问题,风扇的数量和质量是决定因素。
风扇多固然增加散热效果,但是相应的耗电及噪音振动也增加了,所以一般以2~3个为宜。
所以底座测试的时候需要留心判断下其噪音是否能够接受,是否会有振动影响电脑硬盘。
第二章系统方案论证
本设计以STC90C51单片机为核心,构成单片机控制电路。
本系统的结构主要包括对外界温度信息的采集电路,单片机控制器电路,散热风扇控制电路,上位机串口通信电路。
选择合理的电路方案,能实现好系统的功能,降低设计的成本,而且有利于后继添加的扩展功能。
第一节系统框图
图2.1系统框图
第二节各模块方案论证
一、控制器的选择
采用STC公司的STC90C516单片机作为主控制器。
STC90C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技公司推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/周期和6时钟/机器周期可任意选择,内部集成MAX810专用复位电路,时钟频率在12MHz以下时,复位脚可直接接地。
二、温度采集器件的选择
采用“一线总线”数字化温度传感器DS18B20,DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55℃~125℃,在-10℃~85℃范围内,精度为±0.5℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,系统的抗干扰性能被提高了。
适合于各种恶劣环境的现场的温度测量,如:
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
适用于对性能要求不高,成本控制严格的应用,是经济型产品。
三、电机及其驱动器的选择
采用三级管直接驱动直流电机,电路使三级管工作在饱和和截止区,三极管处于很低的功耗状态,发挥简单的开关作用来控制电机两端电流的通断,从而达到控制电机的目的。
此设计简单,成本低,易于实现。
第三章系统硬件设计
硬件系统的主要包括对外界温度信息的采集电路,单片机控制电路,散热风扇控制电路,上位机串口通信电路,电源电路。
下面对具体电路进行阐述。
第一节单片机STC90C516RD
一、芯片特点
1工作电压:
5.5V-3.8V(5V单片机)、3.8V-2.4V(3V单片机);
2增强型6时钟/机械周期,12时钟/机械周期8051CPU;
3工作频率范围:
0-40HZ,相当于普通8051的0~80Hz;
4程序储存器字节:
最多61K;
5片上集成1280字节/512/256字节RAM;
6共3个16位定时/计数器,其中定时器0可当成2个8位定时器使用;
7外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断;
8工作温度范围:
0-75°C/-40-85°C9看门狗;
10内部集成MAX810专用复位电路,外部晶体12M以下时,可省外部复位电路,复位即可接地使用。
引脚功能描述:
VCC:
电源;
GND:
地。
图3.1引脚示意图
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以当作为输入端口使用。
作为输入使用时,因为内部电阻外部拉低的引脚,将输出电流。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,因为内部电阻外部拉低的引脚,将输出电流。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口输出高八位地址。
在此情况下,P2口使用很强的内部上拉发送“1”。
外部数据存储器被8位地址访问时,P2口输出P2锁存器的内容。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,端口被内部上拉电阻拉高,这时候可以当作为输入口使用。
被当作输入口使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流。
RST:
复位输入。
晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
当本引脚收到一个由下降沿转换为上升沿的转态信号时,9051将被重置,此时9051将其内部的特殊功能暂存器(SpecialFunctionRegister,SFR)设定为预设值,并由地址0000H开始执行程序。
特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下,复位高电平有效。
ALE:
地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲当CPU自外界记忆体中获取指令码或存取资料时,ALE将会在一个汇流排周期开始时送出H的信号,表示P0.0-P0.7(AD0-AD7)正送出低阶地址A0-A7信号,以供外界电路锁定这些低阶地址信号。
在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,所以ALE信号也可当作脉冲波信号源。
然而,每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。
PSEN:
是外部程序存储器选通信号。
当STC90C51从外部程序存储器执行外部获取代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。
为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
第二节温度传感器电路
一、芯片DS18B20介绍
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线性价比高的特点,方便用户轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为-55℃~125℃,在-10℃~85℃范围内,精度为±0.5℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,系统的抗干扰性能被提高了很多。
适合于恶劣环境的现场温度测量,如:
温度控制、设备的过程控制、测温类电子消费产品等。
与前一代产品不同,新的产品支持3V~5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。
它可以选择更小的封装方式,更宽的电压适用范围。
分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
DS18B20引脚定义:
DQ为数字信号输入/输出端;
GND为电源地;
VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
图3.2温度传感器电路图
图3.3元件图
二、DS18B20的主要特性
1.适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电
2.独特的单线接口方式,仅需要一条线就可以使DS18B20与微处理器连接,即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。
3.DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
4.DS18B20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
5.温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃
6.可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
7.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
8.以数字温度信号的形式直接输出测量结果,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有超强的抗干扰能力。
9.负压特性:
电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但是不能正常工作。
三、18B20的初始化
1先将数据线置高电平“1”。
2延时(该时间要求的不是很严格,但是尽可能的短一点)
3数据线拉到低电平“0”。
4延时750微秒(该时间的时间范围可以从480到960微秒)。
5数据线拉到高电平“1”。
6延时等待(如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回
的低电平“0”。
据该状态可以来确定它的存在,必须要应该注意不能无限的进行等待,
否则会使程序进入死循环,所以才要进行超时控制)。
7如果CPU读到了数据线上的低电平“0”后,还要做延时,其延时的时间从发出的高电平算起(第5步的时间算起)最少要480微秒。
8将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。
四、DS18B20的写操作
1数据线先置低电平“0”。
2延时确定的时间为15微秒。
3按从低位到高位的顺序发送字节(一次只发送一位)。
4延时时间为45微秒。
5将数据线拉到高电平。
6重复上1到5的操作直到所有的字节全部发送完为止。
7最后将数据线拉高。
五、DS18B20的读操作
1将数据线拉高“1”。
2延时2微秒。
3将数据线拉低“0”。
4延时3微秒。
5将数据线拉高“1”。
6延时5微秒。
7读数据线的状态得到1个状态位,并进行数据处理。
8延时60微秒。
第三节直流电机驱动电路
一、三极管简介
三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制的半导体器件。
其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号,也用作无触点开关。
三极管分类:
按材质分:
硅管、锗管。
按结构分:
NPN、PNP。
按功能分:
开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。
按功率分:
小功率管、中功率管、大功率管。
按工作频率分:
低频管、高频管、超频管。
按结构工艺分:
合金管、平面管。
在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结,组成一个PNP(或NPN)结构。
中间的N区(或P区)为基区,两边的区域分别为发射区和集电区,这三部分各有一条电极引线,分别为基极B、发射极E和集电极C,能够起到放大、饱和和截止等作用的半导体电子器件。
二、直流电机简介
输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它能够实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。
定子和转子两大部分构成了直流电机。
直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。
随着人们生活水平的提高,产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。
永磁直流电机既具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点,又具备良好的调速特性,现已广泛应用于各种场合。
三、直流电机驱动电路
采用三级管直接驱动直流电机,电路使三级管工作在饱和或截止区,三极管处于很低的功耗状态,发挥简单的开关作用来控制电机两端电流的通断,从而达到控制电机的目的。
对于电路的保护采用二极管续流方式并联在电机两端。
图3.4直流电机驱动电路原理图
第四节串口通信电路
一、串口通信介绍
RS-232已经成为PC机与通信工业中应用最广泛的串行通信接口之一,尽管近年来随着USB技术的成熟与发展,RS-232串口的地位将逐步被USB接口协议取代,但是在工业控制与嵌入式系统中,RS-232串口通信以其低廉的实现价格,较长的通信距离,优异的抗干扰能力,仍然占有十分大的应用比例。
沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文14RS-232是一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准,它的传输方式不平衡,典型的RS-232信号在正负电平之间摆动,数据传输时,发送端驱动器的输出正电平范围在+5~+15V之间,负平范围在-5~-15V之间,与TTL电平相对应时,逻辑1对应RS-232通信的负电平,逻辑0对应RS-232通信的正电平。
串口功能一览表:
1.载波检测(DCD)2.接收数据(RXD)3.发送数据(TXD)4.数据终端准备好(DTR)5.信号地(GND)6.数据准备好(DSR)7.发送请求(RTS)8.发送清除(CTS)9.振铃指示(RI)数据连接线主要在设备中起桥梁的作用,使PC机与单片机,PC机与PC机之间进行数据通信,串口间通信只要连接三条线就可以了。
即接收数据线,发射数据线和信息地线。
在某时刻,对一台机来说是发送数据,对另一台机就是接收数据。
所以接收数据线与发射数据线要换接。
二、芯片MAX232介绍
MAX232产品是由美国Maxim公司推出的一款兼容RS-232标准的芯片,该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平,该器件符合TIA/EIA-232-F标准,每一个接器将TIA/EIA-232-F电平转换成5TTL/CMOS电平,每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平,有从贴片到直插等不同的封装类。
三、MAX232电路连接图
MAX232采用单5V供电,内部有两个电荷泵,通过充电电容的作用将+5V电压转换为+10V的电压,第一个电荷泵利用充电电容C1将+5V电压加倍提升到+10V,第二个电荷泵利用充电电容C2和C4将+10V电压变换为-10V的电压,为RS-232通信提供工作电平对于MAX232来说,推荐采用10uF的电解电容。
图3.5MAX232电路连接
第五节电源电路
图3.6电源电路原理图
一、电源芯片介绍
电源电路主要运用到7805稳压芯片,输出电压为5V,加散热片时驱动电流可达1A,输出电流200~300mA时,7805温度在50度左右,并且有过温切断输出起到保护功能。
该系列芯片技术成熟,所需的外围器件少,性价比高,运用的非常广泛。
1INPUT电源输入端,最大可达35V
2GROUND电源地
3OUTPUT+5V输出端
图3.77805稳压芯片
二、电源芯片连接电路
由变压器出来的交流信号经过桥式整流和电容滤波之后送给LM7805,稳压5V输出,它的输出单独供给单片机。
在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量的滤波电容,使滤掉纹波的效果更好,输出的直流电压更稳定。
接小容量高频电容以抑制芯片自激,输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声,使单片机工作在一个良好的电源环境中,提高系统稳定性。
图3.8电源连接电路
第六节1602电路
一、1602芯片介绍
LCD1602为工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符,使用简单方便,
具有背光功能,显示字符清晰准确,能同时显示字母与数字,可以区分大小写字母,具有较强的功能并且连线简单,背光亮度可调,并且耗电量小,是一款不错的显示器件。
它采用标准的16脚接口,其中包括8根数据线,3根控制线,电源地,电源及液晶驱动电压引脚。
LCD1602主要参数如下:
1驱动芯片KS0066(兼容HD44780)
2背光黄光/蓝光
3字色黑色/白色
4字库ASCII码字库(英文,数字,基本符号)
5类型STN
6液晶模块尺寸(mm)80*36*13.5
图3.91602引脚说明
二、基本操作时序
1读状态:
输入:
RS=L,RW-H,E=H输出:
D0~D7=状态字
2写指令:
输入:
RS=L,RW=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出:
无
3读数据:
输入:
RS=H,RW=H,E=H输出:
D0~D7=数据
4写数据:
输入:
RS=H,RW=L,D0~D7=数据,E=高脉冲输出:
无
三、RAM地址映射图
控制器内部带有80字节的RAM缓冲区,对应关系如图所示
图3.10RAM地址映射图
四、LCD1602的初始化
不检测忙信号:
延时15ms,写指令38H;延时5ms,写指令38H;延时5ms,写指令38H;延时5ms
检测忙信号:
写指令38H;写指令08H,关闭显示;写指令01H,显示清屏;写指令06H,光标移动设置;写指令0cH,显示开及光标设置。
五、显示开/关光标设置
00001DCBD显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)
000001NSN=1(读或写
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