基于单片机的智能电脑散热器设计

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

Notebook computer, portability, small size, and its function meet the needs of most people, with the step of science and technology has brought costs down, notebook prices also acceptable to most people. With the increasing number of problems using a laptop, notebook is exposed outside, in addition to price, most concerned about is nothing more than the heat. Notebook in performance and portability against heat, become the most crucial factor, notebook cooling has been a bottleneck in the core technology of notebook. Sometimes the notebook computer will accidentally crashes, is the general system high temperature led. In order to solve this problem, people design the heat sink base, can make the notebook produced heat diffusion to the computer as soon as possible outside, does not affect the use of notebook function, not the computer line corrosion phenomenon, ensure the normal work of notebook computer. Good base can greatly prolong the service life of notebook computer.

The design for the radiation problem is discussed in detail, and design a set of intelligent heat dissipation base based on single-chip microcomputer control, the relevant factors of cost and performance, using the STC company to build the system of STC90C51 core. In the spirit of the cost control and the market under the premise, the circuit simple and easy mass production, save energy and intelligence in the premise radiation function and the minimum cost.

Key Words：Cooling base Micro control unit Intelligent control

目录

第一章绪言 (1)

第一节系统研究背景 (1)

第二节散热原理和方式 (1)

第三节笔记本散热底座设计 (2)

第二章系统方案论证 (3)

第一节系统框图 (3)

第二节各模块方案论证 (3)

第三章系统硬件设计 (5)

第一节单片机STC90C516 RD (5)

第二节温度传感器电路 (8)

第三节直流电机驱动电路 (11)

第四节串口通信电路 (13)

第五节电源电路 (14)

第六节1602电路 (16)

第四章系统软件设计 (18)

第一节编程语言简介 (18)

第二节单片机程序设计 (19)

第三节软件调试 (19)

第四节系统硬件调试 (20)

第五节调试问题及解决方法 (20)

结论 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

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STC90C516 RD

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°C 9 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(Special Function Register, 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14 RS-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3.5 MAX232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。

1 INPUT 电源输入端，最大可达35V

2 GROUND电源地

3 OUTPUT +5V输出端

图3.7 7805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3.9 1602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3.10 RAM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

0000 1DCB D显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)

0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址指针加1 &光标加1)，

N=0(读或写一个字符后地址指针减1 &光标减1)，

S=1 且N=1 (当写一个字符后，整屏显示左移)

S=0 当写一个字符后，整屏显示不移动

六、数据控制及其他设置

数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H) 01H(显示清屏，数据指针=0，所有显示=0)；02H(显示回车，数据指针=0)。