0111201基于单片机控制的笔记本散热系统.docx

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0111201基于单片机控制的笔记本散热系统

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

电气技术教育

班级学号：

电气0812班-01120081201

学生姓名：

陈建湘

指导教师：

耿立辉（讲师）

二〇一三年五月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

基于单片机控制的笔记本散热系统

basedonSTC89C52RCsingle-chipsmartnotebookradiator

专业班级：

电气0812班

学生姓名：

陈建湘

指导教师：

耿立辉讲师

学院：

自动化与电气工程学院

2013年5月

摘要

随着电子技术的飞速发展，使笔记本电脑不断的更新换代，功能越发完善，逐步走向“超极本”的行列，但是对于现流行的笔记本电脑而言，还是存在很多瑕疵的地方，如笔记本散热问题，电池续航能力等；笔记本电脑发热过大，散热不足的问题时时刻刻引起消费者的关注，因为笔记本电脑散热不足不仅直接影响着电脑的寿命的，还不符合现流行的低碳生活；针对散热问题，本文设计了基于STC89C52RC单片机的智能笔记本散热器；其基本散热方式与普通散热一致：

采用吹风的方式，将笔记本热量强制吹出，并引入低温空气，增加笔记本底部的空气流动，从而使笔记本电脑得到优质的散热效果。

智能笔记本散热器相对于与普通的笔记本散热器而言，其具有低碳节能、温度的时时提示、高温声光报警、自动控温、散热效果明显且成本适中等特点，作为笔记本外设配件，智能笔记本散热器在消费市场上具有巨大的潜力。

关键词：

笔记本散热STC89C52RC吹风智能

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology，makethelaptopconstantlyupgrading，functionsmoreperfect，stepbysteptowardsaUltrabook，butfornowpopularlaptop，therearestillmanydefects，suchaslaptopheatdissipationproblem，batterylife，etc．；Laptopheatistoobig，theproblemofinsufficientheatallthetimecausetheattentionofconsumers，becauseofinsufficientlaptopheatdissipationnotonlydirectlyaffecttheservicelifeofthecomputer，alsodonotconformtothepopularlowcarbonlifenow；Accordingtoheatdissipationproblem，thispaperdesignedbasedonSTC89C52RCsingle-chipsmartnotebookradiator；Itsbasicoperatingmodeisconsistentwiththenormalheatdissipation：

withthemethodofblowing，blowinglaptopheatforcedout，andtheintroductionoflowtemperatureair，increasetheairflowatthebottomofthelaptop，sothatthelaptopisgoodheatdissipationeffect．

Smartnotebookradiatorforwiththeordinarynotebookradiator,ithaslowcarbonenergysaving,hightemperaturetemperaturealwaysprompt,soundandlightalarm,automatictemperaturecontrol,heatdissipationeffectisobviousandmoderatecostetc.,asthelaptopperipheralsaccessories,smartnotebookradiatorintheconsumermarkethashugepotential.

Keywords:

laptopcoolingair　STC89C52RCBlowAutomation　

目录

ABSTRACT4

1引言1

1.1笔记本散热器的概述1

1.1.1笔记本散热器的组成1

1.1.2系统的研究背景1

1.2基于单片机的笔记本散热器的概述2

2基于单片机的笔记本散热器方案设计3

2.1系统设计3

2.2系统方案论证3

2.2.1单片机选型3

2.2.2温度传感器选型4

2.2.3显示单元选型5

2.2.4电机的选型6

3基于单片机的笔记本散热器的硬件设计7

3.1所需电子元件介绍7

3.1.1DS18B20温度传感器概述7

3.1.2LED八段数码管概述8

3.1.3IRF9540NCOMS管概述10

3.2.1电源电路设计10

3.2.2STC89C52RC单片机最小系统设计11

3.2.3LED八段数码管显示电路12

3.2.4DS18B20温度传感器和声光报警电路12

3.2.5直流电机驱动电路14

结论22

参考文献23

致谢24

1引言

1.1笔记本散热器的概述

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。

大家都知道，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,于是笔记本散热器的辅助作用就得到了重视。

传统笔记本散热器工作方式是直接对着笔记本电脑底部吹散热量，将笔记本热量强制吹出，并引入冷空气，增加笔记本底部的空气流动，从而使笔记本电脑内部各发热元件均得到散热，有效保持内部的低温工作环境，是有效降低笔记本电脑温度的小装置。

1.1.1笔记本散热器的组成

一、散热器的材料

当前市场主要产品使用的材料有两种：

金属，塑料或者木质。

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，极易成为伤人的利器。

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。

二、散热器的结构

风扇型的散热底座构造其实也不复杂，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，有的产品还具有扩展多个USB口的功能。

大多数笔记本电脑的散热底座的风扇均采用吹风式设计，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。

1.1.2系统的研究背景

随着电子技术的飞速发展，使笔记本电脑不断的更新换代，功能越发完善，逐步走向“超极本”的行列，但是对于现流行的笔记本电脑而言，还是存在很多瑕疵的地方，如笔记本散热问题，电池续航能力等；笔记本电脑发热过大，散热不足的问题时时刻刻引起消费者的关注，因为笔记本电脑散热不足不仅直接影响着电脑的寿命的，还不符合现流行的低碳生活；针对散热问题，市场上也推出了形形色色的笔记本的散热器；普通散热器的效果很不明显，其寿命短且不可控等特点让消费者在使用时候感觉若有若无；散热效果稍好点的品牌，价格却比较昂贵，难以让消费者接受。

在此，介于以上提出的两种散热器，取出折中的方案，设计出基于单片机的智能笔记本散热器；其基本散热方式与普通散热一致：

采用吹风的方式，将笔记本热量强制吹出，并引入低温空气，增加笔记本底部的空气流动，从而使笔记本电脑得到优质的散热效果。

智能笔记本散热器相对于与普通的笔记本散热器而言，其具有低碳节能、温度的时时提示、高温声光报警、自动控温、散热效果明显且成本适中等特点，作为笔记本外设配件，智能笔记本散热器在消费市场上具有巨大的潜力。

1.2基于单片机的笔记本散热器的概述

一、散热器的组成

整体结构类似于普通散热器，主要区别散热风扇是采用香港德昌牌的380直流电机带动单个大风扇旋转，向笔记本吹风；在散热器左上方，也就是笔记本散热出口处，有温度传感器，用于检测笔记本温度，在散热器右上方的也有温度传感器，用于比较室温，散热器的核心部件为单片机，单片机接收传感器信号，进行数据处理后控制直流电机的运行并将温度值通过LED八段数码管显示，在风扇叶出设有光电对管模块，用于检测风扇是否运行；此外，散热器还具备声光报警功能，在高温或风扇堵转时将产生报警。

二、散热器的优点

总的来说，基于单片机的笔记本散热器是一个闭环调节的调温系统，通过温度传感器实时采集笔记本的温度，将信号传达给单片机，使得单片机做出反应，改变风扇转速，进行有效的降温，从而达到低碳生活，高效利用的效果；结合光电传感器和温度传感器，对整个散热器进行全面监控，如果发生超温或风扇堵转，单片机将立即做出反应，避免设备发生故障；而相比于普通散热器却只是开环的系统，对于系统安全方面的考虑和降温的效果是远远不及基于单片机的笔记本散热器的。

2基于单片机的笔记本散热器方案设计

2.1系统设计

本系统的设计思想为：

利用两个DS18B20温度传感器进行室温的检测和笔记本散热温度的检测，两个传感器产生的数字温度信号传送至STC89C52RC单片机进行数据的处理；单片机对数据的处理结果做出分析判断后，一方面，单片机将实时温度用LED八段数码管显示；另一方面根据实时温度，输出相应信号，驱动直流电机的运行。

在直流电机的控制方面，采用PWM脉宽调制方式来改变直流电机的转速；电机带动风扇的转动与否通过光电传感器进行检测；系统设置了报警功能，倘若系统出现故障，将触发声光报警电路，警示用户系统自身不良状况并停止系统运行，直到故障恢复为止。

系统大致结构框图如图2-1所示。

声光报警电路

DS18B20传感器

LED显示单元

STC89C52RC

PWM驱动模块

光电传感器

德昌380直流电机

图2-1系统结构框图

2.2系统方案论证

本系统设计采用闭环控制概念，根据笔记本的实时温度，使散热器的散热风扇运行在不同的工况上，实现笔记本的温度控制，固需要补交稳定可靠的电子元件和直流电机。

2.2.1单片机选型

介于本系统数据处理程度不算复杂，工况环境不算恶劣，系统对单片机的选型没特殊要求，因此本系统采用STC89C52RC单片机进行设计，STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

主要特性如下：

1.增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，完全兼容传统8051的指令代码。

2.工作电压：

5.5V～3.3V/3.8V～2.0V。

3.工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051单片机的0～80MHz。

4.用户应用程序空间为8K字节。

5.片上集成512字节RAM。

6.通用I/O口（32个）复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.具有EEPROM功能。

8.具有看门狗功能。

9.共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2。

10.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

11.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。

12.工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

STC89C52RC单片机的工作模式可分为：

掉电模式，典型功耗<0.1µA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；空闲模式，典型功耗2mA典型功耗；正常工作模式，典型功耗4Ma～7mA典型功耗；掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。

2.2.2温度传感器选型

系统对于温度检测的所用到的温度传感器的选择主要有以下三种方案：

方案一：

由于热敏电阻具有热电效应，能根据实时温度输出对于电压信号，因此检测温度的核心元件为热敏电阻元件，通过电阻桥，输出检测结果，采用运算放大器将检测电压进行放大，结果再经八位的模数转换芯片ADC0809，将结果转化为数字信号后传达至单片机处理。

方案二：

温度检测的主要器件采用模拟式集成温度传感器LM35芯片，把检测到的实时温度信号输出至八位的模数转换芯片ADC0809，芯片将转换结果传达到STC89C52RC单片机进行处理。

方案三：

温度检测的主要器件采用数字式的集成温度传感器DS18B20芯片，DS18B20检测实时温度信号后，直接将结果以数字温度信号方式输出至STC89C52RC单片机进行处理。

方案一论证，检测温度的主要器件为热敏电阻元件，优点为：

价格低，元件获取便利，缺点为灵敏度和分辨率精度不够高，信号实时采集、功率放大和信号处理时容易产生误差，由于热敏电阻的非线性R-T关系，会使当温度变化继续而产生误差累积，人工修改则繁琐，操作复杂；故该方案不适合本系统。

方案二论证，温度检测的核心元件采用模拟式集成温度传感器LM35芯片，模拟式集成温度传感器LM35优点是具有高度集成化，从而降低信号转换电路的误差因数，使得温度误差减小，缺点是其检测实时温度，输出的结果是以电压形式，从而需要配备八位模数转换芯片ADC0809，此方案不仅设计复杂还需要增加成本。

方案三论证，温度检测的主要器件采用数字式的集成温度传感器DS18B20芯片，数字式集成温度传感器DS18B20优点是具有高度集成化，从而降低信号转换电路的误差因数，使得温度误差小，温度的分辨力精细，数字式集成温度传感器DS18B20采用单总线技术，与单片机通讯方便，抗干扰能力强，实时温度值在器件内部就已转化成为数字量输出；此方案使得系统设计大大优化，因此该方案适用于本系统。

2.2.3显示单元选型

方案一：

系统的实时温度显示采用八段共阳数码管LED；八段数码发光管就是8个发光二极管组成的，在空间排列成为8字型带个小数点，只要将电压加在阳极和阴极之间相应的笔画就会发光。

8个发光二极管的阳极并接在一起，8个阴极分开，因此称为共阳八段数码管。

在显示温度值时，通过单片机输出，使数码管动态扫描，其中涉及到“消影”的技术，即当数码管依次跑动比较快的时候，人眼就觉得是同时显示的。

方案二：

系统的实时温度显示采用LCD1602液晶；1602液晶屏是工业字符型液晶，能够同时显示16x02，指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）；1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

方案一论证：

系统的实时温度显示采用八段共阳数码管LED；八段数码管LED具有如下优势：

体积小，容易实现产品的一体化；显示清晰，应用场合广，在低要求的显示场合我们随处可见到它们的身影，在夜间或者光线强度低的环境下，数码管显示内容依旧清晰可见，通过单片机输出，使数码管动态扫描，采用“消影”的技术，能实现实时温度的显示。

方案二论证：

系统的实时温度显示采用LCD1602液晶；1602液晶屏具有以下特点：

显示功能强大，能显示字符，汉字，字母，数字及图形符号等，在较高的显示场合中，我们也能随处可见；缺点是体积比数码管大，显示的内容比较小，能耗比较高，线路连接及程序的编写稍微比数码管显示电路复杂。

综上所述，实时的温度显示可以采用具备简单的显示功能的数码管电路显示，因此选择方案一。

2.2.4电机的选型

方案一：

采用一般笔记本散热器的无刷直流电机；此电机具备的优点为：

寿命长，能耗低，噪声小，体积小，应用范围广，如笔记本的CPU风扇，台式机的CPU风扇，普通电器柜的抽风机等。

方案二：

采用香港德昌牌的直流高转速超大扭矩的380型号电机；此电机具备的优点为：

转速高，输出扭矩大，电压范围选择广，寿命长，应用范围广泛，如吹风机的电机，剃须刀上的小电机等。

方案一论证：

在能耗及体积上占据主要优势，也是传统的笔记本散热器的首选电机，重量轻，电源供电可以用笔记本USB接口供电；缺点转速低，功率小，散热、抽风等效果差，就现流行的笔记本散热器而言，其降温效果都不明显。

方案二论证：

在转速及扭矩上占主要优势，采用此电机制造的笔记本散热器，输出功率高，转速快，降温效果明显。

缺点不支持笔记本USB接口供电，体积也稍大，但处于笔记本散热效果优越的初衷，采用与空间换效率的手段，因此选择方案二。

3基于单片机的笔记本散热器的硬件设计

3.1所需电子元件介绍

3.1.1DS18B20温度传感器概述

美国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"连接的传感器。

敏感元件及数据处理系统全部集成于T0-92封装的三极管内。

其特点具有连接线路简单，经济高效等优势，近一代的DS18B20芯片封装更精小、更方便。

一、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，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与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）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

（5）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。

（6）分辨率高，转换速度快。

（7）测量到的实时温度转换为数字量输出，以"一线总线"串行传达至控制器，数据具备CRC校验功能，从而增强了抗干扰纠错的能力。

（8）负压特性。

二、DS18B20的外形和内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻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。

DS18B20引脚定义：

（1）DQ为数字信号输入/输出端； 

（2）GND为电源地； 

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

其管脚排列和封装如图3-1所示，内部结构如图3-2所示。

图3-1DS18B20的管脚排列及封装图

图3-2DS18B20内部结构

3.1.2LED八段数码管概述

常见的数码管有七个段的数码管和八个段端数码管，八个段的数码管就是基于七个段的数码管上，多加了个小数点的显示；数码管有单个显示，也有多个集成显示的。

所谓的个数也就是位数。

常用数码管具有两种连接方式，即共阳型数码管和共阴型数码管。

共阳型数码管是指将数码管内部的发光二极管单元的阳极并接，最后引出一个管脚外接到电源的+5V，此时使内部二极管对应的管脚为低电平，就能使数码管显示出对应的段，反之，则某段熄灭。

共阴型数码管是指将数码管内发光二极管的阴极并接，最后引出一个管脚与零电位相连，此时使内部二极管对应的管脚为高电平，就能使数码管显示出对应的段，反之，则某段熄灭。

图3-3是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

共阴极八段数码管

数码管外观

共阳极八段数码管

图3-3八段数码管内部电路图及外观

驱动电路是数码管正常显示的必需，就是说如果想点亮数码管，不管是共阴型还是共阳型数码管，都必需需要驱动电路来控制，根据驱动方式不同可以将数码管，可以划分为静态驱动和动态驱动。

一、静态驱动

常见单片机驱动数码管的静态驱动法，是将单片机的管脚直接与数码管的每一个段位相接；其优点为编程工作量减轻，亮度显示强；其缺点为数码管段位占单片机引脚多，显示数码管的所有段位总个数必需小于单片机引脚个数，因此这中方法使得数码管显示个数有限，同时对系统的硬件也加大了负担。

二、动态驱动

常见单片机驱动数码管的动态驱动法，是最广泛的驱动方法，也是最实用的手段，即将数码管个数个所有段位并联，最后再连接单片机引脚，每个数码管的位选位通过单片机引脚控制；要想点亮某个数码管的做法是将这个数码管的位选先有效，再将数据传递给数码管的段位；同样的，要想点亮多个数码管显示不同的数据，也是这两步作法，不过每点亮一个数码管后，应该延时两到三毫秒，再点亮另一个数码管，另眼睛能有个视觉缓冲，这样的作法称为消影。

3.1.3IRF9540NCOMS管概述

IRF9540N是美国国际整流公司生产的P沟道MOSFET管，采用TO-262封装方式。

IRF9540N工作温度可以达到175摄氏度，特点为栅极电压控制漏极电流，驱动电路简单，开关速度快，工作频率高，优越的热稳定性；IRF9540N主要参数如下所示：

VDss（漏极D与源极S之间所能施加的最大电压）：

-100V； 

VGss（栅极G与源极S之间所能施加的最大电压）：

+/-20V； 

Rds（通态电阻）：

0.0117欧姆；

Id（漏极D允许通过的最大直流电流）：

-23A； 

结构示意图如3-4所示：

图3-4IRF9540N是内部结构图和芯片封装图

P沟道增强型MOSFET管工作原理：

与N沟道MOS管相对应，P沟道增强型MOS管的开启电压VGs（th）<0时，当uGs

3.2硬件电路设计

3.2.1电源电路设计

电源模块：

市电经过220V/12V变压器变压后，经二极管构成的整流桥整流，输出12V电压经两个三端稳压芯片LM7805稳压，将12V电压转换为5V电压；其电压纹波比较大，所以电路中应并联电容进行滤波，在电源输出端添加发光二极管，方便于指示电路的工作状况。

此电源电路设计输出为双路电源，其中一路为系统供电，另一路为380直流电机供电，这样做法可以尽可能的隔离电机启动电流对控制系统的影响，图3-5所示为电源电路设计图。

图3-5系统的电源设计电路

3.2.2STC89C52RC单片机最小系统设计

STC89C52RC的最小电路图如图3-6所示；图中STC89C52RC的内部时钟输入输出管脚X1、X2并接了一个晶振，在此次系统设计中，此晶振频率为11.0592MHZ，为了方便晶振起振，在晶振的两端都并接了一个22PF的瓷片