一种智能温控笔记本电脑散热器设计

2020-10-26殷智慧王彩霞

科学技术创新 2020年30期

殷智慧王彩霞胡瑶

（湖南第一师范学院信息科学与工程学院，湖南长沙410000）

随着时代和科技的进步，笔记本电脑不再是奢侈品，已经成为人们生活和工作中不可或缺的智能工具。人们对笔记本电脑的便捷性需求，促使电脑体积越来越小巧，机体内部空间无限压缩，随之而来的便是笔记本电脑的散热问题。高温可能会使电脑卡顿，影响用户的体验，严重的会损坏配件，缩短电脑的使用寿命。这种情况下，外部散热器应时而生。底座散热器是用户最常选购的散热器，其通过风扇将电脑内部产生的热量尽快扩散，从而达到降温的效果。但是，目前市面上常见的底座散热器风速固定，缺少温度显示和自动控制功能，不利于降耗节能。因此，本文设计了一种基于AT89C52 单片机的智能控制型散热器系统，它可以根据电脑发热的情况，实现风速自动调节，从而达到节能和散热的双重效果。此外，用户也可以根据数码管显示的温度，通过按键设置自己想要的风速效果，使用户的体验感更强。

1 系统整体设计

该系统以AT89C52 单片机为核心处理器，通过DS18B20 温度传感器实时测量笔记本电脑出风口的温度；测量的数据交由单片机处理后，将风速档位与实时温度通过数码管显示给用户；同时单片机对比所设置的温度上下限，根据当前温度控制IP 口输出PWM脉冲，自动调节散热器风扇的转动速度；三个独立按键用以调节温度的上下界限，满足不同用户的风速需求；温度持续高于上限值，单片机将启动蜂鸣器报警。系统整体架构如图1 所示。

图1 系统结构框图

2 硬件电路设计

2.1 单片机主控模块

AT89C52 是一款低功耗、高性能的CMOS8 位微控制器，该芯片拥有32 个I/O 口，内部有3 个16bit 的定时/计数器，器件采用ATMEL 公司之高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51 指令系统功能强大、性能稳定，价格低廉，因此散热器系统选取AT89C52 作为核心控制器。

2.2 温度测量电路

DS18B20 温度传感器是数字式温度感器，相对于传统温度器精度更高、性能更好、电路简单、控制方便，只通过一条数据线即可实现通信，测温范围在负55℃和正125℃之间，最大精度0.0625℃，并且读取速度快，在93.75ms 可完成9bit 数字量，是常用家电测量温度的不二之选。本系统中DS18B20 的数据通信端外接4.7K 的上拉电阻后与单片机的P1.6 号引脚连接通信，电路仿真图如图2 所示。

图2 DS18B20 温度采集仿真电路

图3 温度显示电路

2.3 温度显示模块

显示器采用4 位共阴极数码管。4 位共阴管单片机可以直接驱动，不另加驱动电路。单片机P0 端接数码管的段码，并用8只500 欧左右排阻上拉,P2 口的4 位I/O 口接数码管的位选。具体电路仿真图如图3 所示。四位数码管分别显示不同字符。第一位在工作状态显示风扇档位“0”“1”或“2”挡，当用户使用按键调节上下限温度时，显示“L”低温和"H"高温，便于用户区分上下界限；第二位是分隔符；第三位和第四位用于显示两位数的温度。

2.4 风扇驱动及调速模块

散热器采用5V 工作电压的电扇，由于单片机I/O 口输出的电流比较微弱，风扇无法正常运转，需要外加驱动电路将单片机电流信号放大。驱动电路采用PNP 和NPN 的级联放大电路，电路仿真如图4 所示。风扇电机的速度是根据单片机P1.0 口输出的PWM 脉冲控制的。利用定频调宽的方法改变PWM 占空比。控制原理如图5 所示，脉冲信号由导通电压的T1 秒和断开电压的T2 秒组成，占空比D=T1/T2，电机的平均电压为：Ud=D*Um。因此，定频调宽的原理就是保持T 不变，单片机通过改变T1，T2 来调节占空比，从而使风扇电机获得不同的平均电压，达到调节速度的效果。

图4 风扇驱动电路

图5 PWM 控制原理

2.5 温度设置按键和报警模块

散热器系统设有3 个独立按键，均是一端引脚接地，一端引脚接单片机的P3 口。按键按下，单片机引脚与低电平导通，此时单片机接收到信号，依据程序要求完成温度上下限的设定。温度设置键第一次按下设置温度上限，第二次按下设置温度下限，第三次按下退出设置模式，上调键用于增大温度值，下调键用于减小温度值。温度上下限的设定是用来设置风扇的工作状态，电脑当前温度低于设定的下限值，风扇停止运转，第一个数码管显示“0”档；当温度介于上下值之间，风扇低速运行，此时显示“1”档；当温度高于上限值，风扇高速运行，数码管显示“2”档，如果温度高于上限值并持续10 分钟，报警电路中的蜂鸣器会鸣笛警示。

3 仿真设计

根据设计需要，程序设计了系统初始化、温度采集与读取、数码管显示当前温度与风速档位、按键扫描、报警预处理、PWM电机控制等主要功能。本系统程序采用C 语言编写，在美国KeilSoftware 公司开发的Keil uVision5 软件环境下进行编译与调试。KeilC51 拥有丰富的数据库函数，支持51 系列单片机的开发与应用。仿真采用英国Labcenter electronics 公司出版的Proteus 软件。该软件常用于单片机等数字电路仿真，整体仿真图如图6 所示。