基于单片机控制的笔记本电脑智能散热底座设计研究.docx
《基于单片机控制的笔记本电脑智能散热底座设计研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机控制的笔记本电脑智能散热底座设计研究.docx（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机控制的笔记本电脑智能散热底座设计研究
摘要
笔记本电脑，便于携带，体积小，而且它的功能满足大多数人的需要，随着科学技术的近步带来的成本下降，笔记本的价格也为大多数人所接受。
随着使用笔记本人数的增加，笔记本的各种问题也暴露出来，除了性价比之外，最关心的莫过于散热。
笔记本在性能与便携性对抗中，散热成为最关键的因素，笔记本散热一直是笔记本核心技术中的瓶颈。
有时笔记本电脑会意外的死机，一般就是系统温度过高导致。
为了解决这个问题，人们设计了散热底座，可以使笔记本产生的热量尽快的扩散到电脑外部，不影响笔记本的使用功能，不会使电脑的线路出现腐蚀现象，保证笔记本电脑的正常工作。
好的底座可以很大的延长笔记本电脑使用寿命。
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Atmel公司的AT89S52为核心搭建了该系统。
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
Notebookcomputerisportableandsmall,anditsfunctionscouldmeettheneedsofthemajority,withthedevelopingofscienceandtechnology,thecostdecline,andthepriceofthelaptopbasetobeacceptabletomostpeople.Butwiththeincreaseinthenumberofusingthelaptoppeople,theyexposedvariousproblems,inadditiontocost,peoplealwaysconcernedaboutdissipatingheatextremely.Intheconfrontationofthelaptop’sperformanceandportability,themostcriticalfactorisdissipatingheat,andlaptop’sdissipatingheathasbeenthebottleneckofthecoretechnology.Sometimesitendupunexpected,itisalwaysbecauseofthatthesystemtemperatureistoohigh.Tosolvethisproblem,peoplehavedesignedheatdissipationbase,theheatcanremovefromthelaptoptotheoutsideasquicklyaspossible,itdoesnotaffecttheuseoflaptop,anditselectroniclinewillnotbeeroded,toensurethenormaloperationoflaptop.Agoodbasecouldextendthelifeoflaptop.
Thisdesignmakesanin-depthdiscussionaboutheatdissipation,anddesignamicrocontroller-basedintelligentcontrolofcoolingbase,synthesizecostandperformanceandsoon,usingthecoreAT89S52AtmelCorporationbuiltthesystem.Underthepremiseofcostandmarket,thecircuitinthisdesignissimpleandeasy-to-volumeproduction,itcanbeintelligentandenergy-savingunderthepremiseofheatdissipationandminimumcost.
KeyWords：
coolingbase;microcontrolunit;intelligentcontrol
1引言
1.1系统研究背景
笔记本电脑，便于携带，而且它的功能满足大多数人的需要，随着技术的近步带来的成本下降，笔记本的价格也为大多数人所接受。
随着使用笔记本人数的增加，笔记本的各种问题也暴露出来，其中散热问题至关重要，它不仅关系着能耗更关系着笔记本的使用寿命。
因此散热成为最关键的因素，笔记本散热一直是笔记本核心技术中的瓶颈。
有时笔记本电脑会莫名奇妙的死机，一般就是系统温度过高导致。
为了解决这个问题，人们设计了散热底座，可以使笔记本产生的热量尽快的扩散到电脑外部，不影响笔记本的使用功能，保证笔记本电脑的正常工作。
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。
1.2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，吹风时产生的是紊流，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。
1.3笔记本散热底座设计
1.3.1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。
1.3.2散热底座的结构
风扇型的散热底座构造，一般是由金属或者塑料外壳加上内置的2--4个风扇构成，风扇的供电方案有通过笔记本USB接口供电以及外置电源供电两种。
大多数笔记本电脑的散热底座的风扇均采用吸风式设计，因为这样可以最大限度的减少空气扰动造成的影响，提高散热效率。
散热底座风扇的数量和布局也非常重要，现在的笔记本后部往往是电池，而一些主要发热部件如：
中央处理器和硬盘等位置相对靠中间，特别是硬盘，大多设计在手托下面，而这些部位很多散热底座往往没有设计风扇。
所以在设计散热底座前，先弄清笔记本底座几个主要部件的位置，确定最热的几个位置。
1.3.3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。
2系统方案论证
本系统的结构主要包括对外界温度信息的采集电路，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。
下面先给出系统组成框图，然后对可能的各方案进行比较说明。
2.1系统框图
图2-1系统框图
2.2各模块方案论证
2.2.1控制器的选择
方案一：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑放弃了此方案。
方案二：
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机在语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得处理其它任务的速度和能力降低。
方案三：
采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
因此，本设计采用方案三。
2.2.2温度采集器件的选择
方案一：
使用模数转换芯片和模拟温度器件组成，其温度感知器件一般为温度的线性器件，然后通过模拟转数字芯片把模拟量转换为数字量送入控制器加以识别和判断，其优点是，其通过选择合适的转换芯片和模拟温度器件可已达到很高的精度，一般的模数转换有8位、10位、12位等，在一般的系统中都采用此种方案。
但对于本设计中会产生更多的电路，一是增加了体积不易于安装，二是本系统不需要很高的精度。
方案二：
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，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，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。
因此，本设计采用方案二。
2.2.3电机及其驱动器的选择
方案一：
采用直流电机加模拟电路，通过电位器调节电机两端电压进行控制。
达林顿管串联在直流电机回路上，通过调节电位器改变电机回路的电流的大小，从而达到控制电机的目的。
此方案的优点在，电路简单，通过一个电位器就可以达到调节电机速度的目的，但它也存在明显的不足，三极管工作在放大区时在电机回路上将产生一个压降，会产生很多的热量，效率很低。
方案二：
采用PWM控制步进电机。
PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
PWM对半导体器件的导通和关断进行控制，是输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。
按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也改变输出频率。
对于本设计的不足之处也很明显，步进电机适用于精确控制，本电路不需要非常精确。
而且电路过于复杂，成本过高。
方案三：
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，
因此，本设计采用方案三。
3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，控制器电路，散热风扇控制电路，上位机串口通信电路，电源电路。
下面就具体的电路进行阐述。
3.1单片机AT89S52
3.1.1芯片介绍
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
主要性能
1.与MCS-51单片机产品兼容
2.8K字节在系统可编程Flash存储器
3.1000次擦写周期
4.全静态操作：
0Hz~33Hz
5.三级加密程序存储器
6.32个可编程I/O口线
7.三个16位定时器/计数器
8.八个中断源
9.全双工UART串行通道
10.低功耗空闲和掉电模式
11.掉电后中断可唤醒
12.看门狗定时器
13.双数据指针
14.掉电标识符
AT89S52方框图
图3-1AT89S52方框图
引脚结构：
图3-2AT89S52引脚图
引脚功能描述：
VCC：
电源。
GND：
地。
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。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
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，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
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）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
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，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，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口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
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，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，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
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。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
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/PROG：
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。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN：
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，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。
在flash编程期间，EA也接收12V电压。
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。
3.1.2系统时钟电路
时钟电路是用来产生89S52单片机工作时所必须的时钟信号，89S52本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，89S52在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。
通常时钟由于两种形式：
内部时钟和外部时钟。
我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。
89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。
晶振频率为在1.2MHZ～12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。
为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的瓷片电容，采用的晶振频率为11.0592MHZ。
图3-3时钟电路
3.1.3复位电路
复位电路是影响单片机系统运行稳定性的主要内部因素之一。
单片机的复位操作有手动复位和加电复位两中方式。
加电复位是任何单片机都具有的功能。
它通过专用的复位电路产生复位信号，是系统的原始复位方式，发生在开机加电时，是系统自动完成的。
单片机系统在调试程序时，有可能出现死机、死循环、程序“跑飞”等情况，手动复位是解决这一情形的最好方式。
单片机系统中用到的复位方式有四种，它们是：
积分型、微分型、比较器型和看门狗型。
前三种是在芯片外面用分立元件或集成电路芯片搭建完成，最后一种位于芯片内部，属于芯片的一部分。
单片机系统中用到的复位电路有上电复位、按键电平复位和按键脉冲复位三种。
本设计中，为了简便设计采用的上电复位电路如下图所示：
图3-4复位电路
3.2温度传感器电路
3.2.1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。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可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，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
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。
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5℃。
可选更小的封装方式，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。
DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。
省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2℃，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。
继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。
DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。
18B20管脚图
图3-518B20管脚图
3.2.2传感器连接电路
图3-6传感器连接电路
3.3直流电机驱动电路
3.3.1三极管简介
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，是一种电流控制电流的半导体器件。
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。
晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。
作为主要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。
由于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。
3.3.2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，它是能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。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。
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。
3.3.3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3-7直流电机驱动电路
3.4串口通信电路
3.4.1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-2
升级会员 