阮承治，林文都

(武夷学院机电工程学院，福建 武夷山 354300)

笔记本电脑散热问题不仅关系着笔记本电脑的使用质量，更是对电脑的使用寿命有着重要的影响。散热底座是笔记本散热方式之一，利用风扇将电脑内部产生热量尽快扩散外部而减小电脑的使用。市场上的散热底座大部分功能单一，此外还需要电脑进行供电，增加了电脑的负担。［1］

设计以一款单片机STC90C516RD+作为控制核心，以DS18B20温度传感器作为温度检测，独立按键作为散热器工作状态和设定温度范围的修改模块，流水灯与液晶屏LCD1602组合作为显示模块，芯片ULN2003驱动散热底座风扇，采用PWM脉宽调制，构成一个智能温控系统来控制散热。［2］结果表明电路结构简单、系统可靠性高、操作简便等特点，不但实现了对散热器的智能控制，而且拥有良好的人机界面。

1 设计方案

图1 系统设计总框图

整个设计由电源模块和控制系统二个部分组成，控制系统又分为主控模块、温度检测模块、输入模块、显示模块、风扇驱动模块。总体框图如图1所示。

主控模块:是整个系统控制的核心。通过检测DS18B20传感器采集到的温度并作出相应的处理，送到LCD1602显示出采集的温度值，同时温度值与用户设定的状态和上、下限温度值进行比较，根据比较结果输出不同的脉冲波，进而控制散热器的工作状态、散热器风扇的转速以及流水灯的显示。［3］

温度检测模块:检测笔记本电脑的温度，并把温度送至单片机进行处理，实现对温度的自动监控。

输入模块:通过按键可以进行修改设定散热底座的工作状态及上、下限温度设定值。

显示模块:显示检测到的笔记本电脑的温度、用户设定的状态、上下限温度设定值以及散热底座的工作状态、高温报警，使得整个设计拥有良好的人机交流界面。

风扇驱动模块:根据单片机输出的PWM脉冲进行转换得到相对应的输出电压进而驱动散热器的风扇，调节风扇的工作状态及转速。

电源模块:将从电网获得的220V交流电转化成5V的直流电，为整个系统的运行提供稳定的电压。采样外部供电方式，降低笔记本电脑的负担。

2 硬件电路的设计

2.1 控制系统电路

控制系统采用STC90C516RD+单片机作为设计的中央处理器。该单片机具有优异的性价比，集成度高、控制功能强，低功耗。控制系统采用温度传感器DS18B20对温度进行检测，采用先进的单总线技术，与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强，检测的温度精度高;输入方式采用独立按键，改变设计中的电机工作状态和设定温度范围，电路连接方便，程序简单;采用液晶屏LCD1602显示设计设定的状态情况、当前温度和PWM脉冲的占空比;采用流水灯进行显示风扇的工作状态及高温报警;采用达林顿连接晶体管阵系列中的芯片ULN2003芯片进行电路驱动，［4］ULN2003具有高耐压、大电流的特点，适用于低逻辑电平数字电路和较高的电流、电压要求之间的接口。电路连接如图2所示。

图2 控制系统电路图

2.2 电源模块电路设计

图3 电源模块电路图

将220V的交流电送至变压器进行变压器降压、整流桥整流、电容滤波，然后将得到的电压送到LM7805集成稳压器进行稳压，在LM7805的输出端口接上470uf和0.1uf的电容对输出电压进行滤波，除去纹波，得到+5V的稳定电压，为电路提供电源。［5］并联上一个发光二极管和电阻对电源输入状态进行显示。电路如图3所示。

3 系统软件的设计

3.1 主程序设计

主程序由初始化、温度读取、按键检测与执行以及PWM脉冲输出计算与流水灯显示模块组成，采用单片机内部定时器控制单片机I/O端口输出不同的电平进而控制输出的PWM脉冲波。其中初始化模块包括定时器初始化、液晶屏LCD1602初始化以及流水灯初始化。主程序流程如图4所示。

程序开始时，首先对液晶屏和流水灯等外围接口电路初始化，再对单片机的定时器进行初始化，开启定时器，使其控制I/O端口输出PWM脉冲波，经过ULN2003进行驱动，输出一个稳定的电压给直流电机。此时，程序进入一个循环，在通过温度传感器DS18B20检测到温度后对数据进行操作与显示，对独立按键进行检测修改设定的状态与温度范围，计算出PWM的脉宽计数送至定时器进行操作，同时使流水灯显示散热器工作状态。

图4 主程序流程图

3.2 各个模块程序设计

3.2.1 定时器程序设计

定时器采用计数的形式在0－99之间进行计数，通过对计数与脉宽计数进行比较，控制I/O端口输出高低电平从而控制PWM脉冲波。程序流程如图5所示。此时，输出的PWM脉冲占空比为:

式中，u为输出电压，u0为输入电压。

3.2.2 温度读取程序设计

在温度读取程序中，从DS18B20芯片中读取温度值，然后将检测得到的二进制温度值转换成十进制的温度值，并在液晶屏LCD1602中显示出来。其流程如图6所示。

经过ULN2003进行驱动后的输出电压为:

图6 温度读取流程图

3.2.3 按键检测与执行程序设计

在按键检测与执行程序中，主要是通过按键来改变设定状态和温度范围，并在LCD1602进行显示，其流程如图7所示。当检测到按键按下时，延时20ms后再次检测按键是否真正按下，利用延时的方法来消除按键抖动，不但保证了按键检测的正确性，而且消除了按键按下和放开时由于按键抖动产生的误差。

图7 按键检测与执行流程图

3.2.4 PWM计算与流水灯显示设计

PWM计算与流水灯显示模块是通过设定状态、当前温度和设定温度的比较来控制PWM的占空比，实现脉宽调制。在设计中采用PWM的每个周期的计数值为100，通过对脉宽计数进行计算，控制PWM占空比以达到对散热器的电压控制。

图8 PWM计算与流水灯显示流程图

在停止状态下，输出的脉宽计数为0，即PWM以0%的占空比进行输出;在智能控制状态下，对当前温度值与设定温度范围进行比较，如果当前温度值小于设定温度范围的情况下，脉宽计数为0，即PWM以0%的占空比进行输出，如果当前温度值处于设定温度范围的情况下，脉宽计数则以初始值为40、斜率为5进行线性变化直至脉宽计数达到100，即输出的PWM占空比的变化范围为40－100%，如果当前温度大于设定温度范围的情况下，脉宽计数为100，即PWM以100%的占空比进行输出;在全速运行状态下，脉宽计数为100，即PWM为100%的占空比进行输出。此外在PWM计算脉宽计数的同时对LED流水灯进行操作，根据散热器的工作状态和高温情况进行显示。其流程如图8所示。

4 实验测试及分析

智能散热底座使用的电源是220V交流电，共分为3个状态进行工作。在人机交流界面上，SDWD代表的是设定的温度范围，ZT代表的是设定的工作状态，WD代表的是当前温度，PWM代表的是PWM脉冲波的脉宽计数。

4.1 静止状态

在静止状态下，设定的温度范围为7－50°C进行测试。测试得到此时的温度为14.87°C，此时输出脉宽计数为0，即输出占空比为0%，散热底座风扇不会转动，停止指示灯发光，其余状态灯不发光。其人机交流界面和输出波形如图9所示。

图9 静止状态测试图

4.2 智能温控状态

在智能温控状态下，数据的输出与显示都是根据输入当前温度与设定的温度值进行比较而改变输出的，可以分为3种情况。

4.2.1 当前温度小于设定温度范围

当检测到的温度值小于设定温度范围的情况下，输出脉宽计数为0，即输出PWM占空比为0%，此时，散热器底座风扇不工作，流水灯的显示为:停止指示灯亮，运行指示灯、全速运行指示灯和高温报警指示灯都暗。

4.2.2 当前温度处于设定温度范围内

当检测到的温度值处于设定温度范围的情况下，散热器底座风扇开始转动，风扇的转速也会根据温度差值的变化而变化，流水灯的显示也和因此而改变。

(1)在设定温度范围为15－50°C，测试温度为15.37°C的情况下，此时，温度的差值为2.37°C，脉宽计数为50，即PWM以50%占空比进行输出，运行指示灯亮，停止指示灯、全速运行指示灯和高温报警指示灯均暗。在输出波形图中，可以观察到输出的矩形波周期为110ms，每个周期内高电平输出为55ms，即可以知道PWM占空比为50%，输出电压为2.5V。

(2)在设定温度范围为9－50°C，测试温度为15.25°C的情况下，此时，温度的差值为6.25°C，脉宽计数为70，即PWM以70%占空比进行输出，运行指示灯亮，停止指示灯、全速运行指示灯和高温报警指示灯都暗。在输出波形图中，可以观察到输出的矩形波周期为110ms，每周期内高电平输出为77ms，则占空比为70%，输出电压为3.5V。

4.2.3 温度大于设定温度范围

在设定温度范围为18－33°C，测试温度为36.31°C的情况下，此时，测试温度大于设定温度范围，故脉宽计数为100，即PWM以100%占空比进行输出，运行指示灯、全速运行指示灯和高温报警指示灯均亮，停止指示灯暗。在输出波形图中，可以观察到输出波形都是以高电平进行输出，即输出电压为5V。

4.3 全速运行状态测试

在全速运行状态下，设定温度范围为14－50℃进行测试。测试得到此时的温度为15.37°C，此时脉宽计数为100，即输出 PWM占空比为100%，风扇全速转动，运行指示灯、全速运行指示灯均亮，停止指示灯、高温报警指示灯都暗。在输出波形图中，可以观察到输出波形都是以高电平进行输出，即输出的电压为5V。

5 结束语

系统是在常规的笔记本电脑的散热器外接了控制系统和电源设计模块，实现了电脑底座温度数据的测量和监控，很好的完成了对笔记本的温度监控和散热器的运行，同时采用外部供电的方法，减少笔记本电脑工作的负担。具有电路结构简单、系统可靠性高、控制准确、操作简便等特点。另外，将电路和程序进行适当的改动，还可以实现其他一些温控系统，可移植性强，例如温控电风扇系统、电动机的温度检测系统、大棚温度控制系统等。

［1］安万里，王文理.基于MCU的笔记本散热底座智能温控系统设计［J］.电子设计工程，2013，21(15):84－87

［2］王福泉，万频，冯孔淼，等.DS18B20在空调检测系统温度采集模块中的应用［J］.电子技术应用，2011，37(8):46－48

［3］林建华.基于AT89S52单片机的智能温控电风扇［J］.湖北广播电视大学学报，2013，33(2):157－158

［4］万天才.高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品及其应用［J］.国外电子元器件，2001，1(2):19－21

［5］芦守平，姜瀚文，徐千，等.基于单片机控制的程控开关电源研究［J］.电子技术应用，2011，37(5):78－81

［6］王兆安，刘进军.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2009:119－120