一種智能溫控筆記本電腦散熱器設計

殷智慧 王彩霞 胡 瑤

（湖南第一師范學院 信息科學與工程學院，湖南 長沙410000）

隨著時代和科技的進步，筆記本電腦不再是奢侈品，已經成為人們生活和工作中不可或缺的智能工具。人們對筆記本電腦的便捷性需求，促使電腦體積越來越小巧，機體內部空間無限壓縮，隨之而來的便是筆記本電腦的散熱問題。高溫可能會使電腦卡頓，影響用戶的體驗，嚴重的會損壞配件，縮短電腦的使用壽命。這種情況下，外部散熱器應時而生。底座散熱器是用戶最常選購的散熱器，其通過風扇將電腦內部產生的熱量盡快擴散，從而達到降溫的效果。但是，目前市面上常見的底座散熱器風速固定，缺少溫度顯示和自動控制功能，不利于降耗節能。因此，本文設計了一種基于AT89C52 單片機的智能控制型散熱器系統，它可以根據電腦發熱的情況，實現風速自動調節，從而達到節能和散熱的雙重效果。此外，用戶也可以根據數碼管顯示的溫度，通過按鍵設置自己想要的風速效果，使用戶的體驗感更強。

1 系統整體設計

該系統以AT89C52 單片機為核心處理器，通過DS18B20 溫度傳感器實時測量筆記本電腦出風口的溫度；測量的數據交由單片機處理后，將風速檔位與實時溫度通過數碼管顯示給用戶；同時單片機對比所設置的溫度上下限，根據當前溫度控制IP 口輸出PWM脈沖，自動調節散熱器風扇的轉動速度；三個獨立按鍵用以調節溫度的上下界限，滿足不同用戶的風速需求；溫度持續高于上限值，單片機將啟動蜂鳴器報警。系統整體架構如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 單片機主控模塊

AT89C52 是一款低功耗、高性能的CMOS8 位微控制器，該芯片擁有32 個I/O 口，內部有3 個16bit 的定時/計數器，器件采用ATMEL 公司之高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51 指令系統功能強大、性能穩定，價格低廉，因此散熱器系統選取AT89C52 作為核心控制器。

2.2 溫度測量電路

DS18B20 溫度傳感器是數字式溫度感器，相對于傳統溫度器精度更高、性能更好、電路簡單、控制方便，只通過一條數據線即可實現通信，測溫范圍在負55℃和正125℃之間，最大精度0.0625℃，并且讀取速度快，在93.75ms 可完成9bit 數字量，是常用家電測量溫度的不二之選。本系統中DS18B20 的數據通信端外接4.7K 的上拉電阻后與單片機的P1.6 號引腳連接通信，電路仿真圖如圖2 所示。

圖2 DS18B20 溫度采集仿真電路

圖3 溫度顯示電路

2.3 溫度顯示模塊

顯示器采用4 位共陰極數碼管。4 位共陰管單片機可以直接驅動，不另加驅動電路。單片機P0 端接數碼管的段碼，并用8只500 歐左右排阻上拉,P2 口的4 位I/O 口接數碼管的位選。具體電路仿真圖如圖3 所示。四位數碼管分別顯示不同字符。第一位在工作狀態顯示風扇檔位“0”“1”或“2”擋，當用戶使用按鍵調節上下限溫度時，顯示“L”低溫和"H"高溫，便于用戶區分上下界限；第二位是分隔符；第三位和第四位用于顯示兩位數的溫度。

2.4 風扇驅動及調速模塊

散熱器采用5V 工作電壓的電扇，由于單片機I/O 口輸出的電流比較微弱，風扇無法正常運轉，需要外加驅動電路將單片機電流信號放大。驅動電路采用PNP 和NPN 的級聯放大電路，電路仿真如圖4 所示。風扇電機的速度是根據單片機P1.0 口輸出的PWM 脈沖控制的。利用定頻調寬的方法改變PWM 占空比。控制原理如圖5 所示，脈沖信號由導通電壓的T1 秒和斷開電壓的T2 秒組成，占空比D=T1/T2，電機的平均電壓為：Ud=D*Um。因此，定頻調寬的原理就是保持T 不變，單片機通過改變T1，T2 來調節占空比，從而使風扇電機獲得不同的平均電壓，達到調節速度的效果。

圖4 風扇驅動電路

圖5 PWM 控制原理

2.5 溫度設置按鍵和報警模塊

散熱器系統設有3 個獨立按鍵，均是一端引腳接地，一端引腳接單片機的P3 口。按鍵按下，單片機引腳與低電平導通，此時單片機接收到信號，依據程序要求完成溫度上下限的設定。溫度設置鍵第一次按下設置溫度上限，第二次按下設置溫度下限，第三次按下退出設置模式，上調鍵用于增大溫度值，下調鍵用于減小溫度值。溫度上下限的設定是用來設置風扇的工作狀態，電腦當前溫度低于設定的下限值，風扇停止運轉，第一個數碼管顯示“0”檔；當溫度介于上下值之間，風扇低速運行，此時顯示“1”檔；當溫度高于上限值，風扇高速運行，數碼管顯示“2”檔，如果溫度高于上限值并持續10 分鐘，報警電路中的蜂鳴器會鳴笛警示。

3 仿真設計

根據設計需要，程序設計了系統初始化、溫度采集與讀取、數碼管顯示當前溫度與風速檔位、按鍵掃描、報警預處理、PWM電機控制等主要功能。本系統程序采用C 語言編寫，在美國KeilSoftware 公司開發的Keil uVision5 軟件環境下進行編譯與調試。KeilC51 擁有豐富的數據庫函數，支持51 系列單片機的開發與應用。仿真采用英國Labcenter electronics 公司出版的Proteus 軟件。該軟件常用于單片機等數字電路仿真，整體仿真圖如圖6 所示。

圖6 整體仿真圖

4 結論

本文以AT89C52 單片機為核心處理器，溫度傳感器采用精準度高、讀取速度快的DS18B20，通過I/O 口輸出不同的PWM脈沖控制散熱器風扇的轉速，四位共陰數碼管顯示設定數據和實時狀態溫度，并具有報警提示功能，實現了基于單片機的智能控制型筆記本散熱器設計。