-机电工程学院-电子信息工程-笔记本电脑的智能散热底座设计与制作.doc
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1、大庆师范学院本科毕业论文大庆师范学院本科生毕业论文笔记本电脑的智能散热底座的设计与制作学 院 机电工程学院 专 业 电子信息工程 研 究 方 向 电子技术 学 生 姓 名 周明慧 学 号 1507110314 指导教师姓名 郭险峰 指导教师职称 讲师 2019年 5月 7 日III摘 要本设计利用传感器检测技术,经过温度传感器实时的采集笔记本电脑的温度参数,并通过显示屏同步显示出温度参数,为实现设计的智能化,可根据需求设定电脑的温度控制值,当温度大于控制值,笔记本底座将自动开启散热功能,并根据当前的温度通过PWM智能控制当前风扇的转动,温度越高,风扇转动就越快,不光完成了散热的智能自动化,同时
2、还起到了节能的作用。关键词:散热底座;温度传感器;显示屏;PWM控制33AbstractThis design will be supported achieve the required functions. In order to realize the intellectualization of the design, the temperature control value of the computer can be set according to the requirement. When the temperature is greater than the control
3、 value, the laptop base will automatically turn on the heat dissipation function, and according to the current temperature, the laptop base will be intellectualized through PWM. Controlling the current fan rotation, the higher the temperature, the faster the fan rotation, not only realizes the intel
4、ligent automation of heat dissipation, but also plays an energy-saving role.Keywords: heat dissipation base; temperature sensor; display screen; PWM control目 录第一章 绪论11.1 课题背景11.2 课题意义1第二章 笔记本智能底座整体设计32.1 研究内容32.2 系统方案设计32.3 器件选型42.3.1单片机选型42.3.2温度传感器选型42.3.3显示器选型5第三章 笔记本智能底座硬件系统63.1 单片机最小系统63.1.1STC
5、12C5A60S2单片机63.1.2晶振电路73.1.3复位源电路83.1.4电源电路83.2 液晶显示模块93.3 温度传感器模块103.4 按键电路113.5 报警电路123.6 电机驱动模块13第四章 笔记本电脑智能底座软件系统154.1 软件开发环境154.2 软件主程序154.3 液晶屏显示软件流程图164.4 温度传感器采集软件系统17第五章 笔记本电脑智能底座调试19第六章 结论22参考文献23附 录1电路原理总图24附 录2源程序25 大庆师范学院本科毕业论文第一章 绪论1.1 课题背景在新社会、新科技的推动下,笔记本电脑因其体积玲珑轻薄,便于携带,并且它的性能基本具备了台式电
6、脑的功用,是年轻一代比较青睐的新型设备,使得笔记本电脑行业竞争日益激烈。笔记本电脑的底座设计不断的更新换代,但本质也都主要围绕在底座良好的散热功能上。因为笔记本电脑在使用过程中内部会不断产生热量,假定这些热量不能及时扩散到外面,会降低笔记本电脑的运行效率、反映速度以及加速使用寿命,更严重笔记本当场罢机,这样给用户带来极大的不便1。传统的散热底座结构简单,功能单一,噪音大,散热能力不足,因此笔记本电脑的底座散热问题引起人们的高度重视。笔记本电脑底座主要用来散热,为此市场上的底座散热器层出不穷。其中流线型散热底座是由贝尔金推出,该散热底座是为量身定做的,采用特有的波浪设计,且前后配备有防滑胶体,中
7、间位置下陷,形成中央散热通道,可以让用户在办公桌或者沙发上轻松享受笔记本电脑带来的无尽乐趣2。而智能温控散热底座能够很好的完成底座散热的温度智能控制,能够自动检测温度,当温度过高能够自动驱动散热底座风扇,并结合PWM 脉宽调制,智能控制风扇的风速,从而达到节能效果的同时,还具有良好的人性化效果3。尽管这样,人们还不仅仅沉醉在取得的原有成绩上,仍然不断的探索和改善笔记本散热底座,并使其不断的向着智能化和智能优化控制系统的方向发展,做到迎合用户全面性、稳定性的散热底座需求,进而减少驱动风扇产生的噪音,满足节能减排的目的。近年来,市场上推出一款新型的笔记本电脑底座,该新型底座能够自动探测温度,并自动
8、驱动风扇且风扇的转速还能根据探测到的温度变化而改变风扇的转速,另外还配备专用的电源减少电脑主板的耗电负担性4。此外为了让该散热底座便以携带,底座的位置可自主调节同时通风口也可自主选择,增设的小音响可掩盖住风扇转动的低噪音,从而提升散热底座的兴味。1.2 课题意义针对传统散热器表露的局限性,为了提升笔记本电脑的散热能力,设计一款高性能的笔记本电脑智能底座。该智能底座可智能化、自动化完成控制设计功能。为了让人们及时获知散热量,系统能够自动采集笔记本电脑散发出来的热量并显示出来。为了让笔记本电脑的散热智能管制,系统能够自动判断采集的温度是否能威胁笔记本电脑性能,如果达到威胁电脑本身性能时,系统立即驱
9、动风扇来扩散热量,直到为安全热量时切断风扇电源停止转动,达到驱散热量的同时,也大大减少风扇工作的噪声。由此该智能底座是一种增强型散热器,给笔记本电脑完备的散热体验,定会受到广大群众的青睐。第二章 笔记本智能底座整体设计2.1 研究内容笔记本电脑的散热问题,一直困扰着消费者,为完善笔记本电脑因温度过高而出现死机等现象。所以设计一种笔记本电脑智能底座,用来为笔记本电脑散热。维持笔记本电脑的长时间运转,且延伸笔记本电脑的应用寿命。以单片机为笔记本电脑智能底座的控制核心,经过温度传感器来采集笔记本电脑的工作温度,具有温度控制功能,可设置一个合适的笔记本电脑工作温度,为方便使用者随时观察,笔记本电脑当前
10、的工作温度和设置的温度控制值,将通过液晶屏来实现信息的显示。当温度高于适宜温度范围时,将发出高温报警提醒。且智能底座能通过PWM波控制功能来开启风扇转动,加速当前的空气流动,达到散热的目的,直到笔记本电脑的温度降到合适的温度范围内,才停止风扇转动。从而完成笔记本电脑的自动智能散热控制。2.2 系统方案设计根据对笔记本电脑智能底座的设计功能以及相关器件进行选型后,实物制作将主要包括6个部分组成,分别为单片机主控器部分、温度传感器部分、设置按键部分、显示部分、风扇控制部分、声音报警部分。笔记本电脑智能底座的设计框图如图2-1:图2-1 系统结构设计框图笔记本电脑智能底座以单片机为控制处理器,使用温
11、度传感器采集笔记本电脑的温度值,处理器利用单总线通信协议从温度传感器中读取采集的温度值。利用液晶屏显示温度参数值,处理器通过SPI通信方式,把传感器采集的温度值显示在液晶屏界面上。利用按键设置温度控制值,当前温度大于设置的控制阀值时,处理器将控制蜂鸣器发出报警信号,并通过单片机的PWM波控制功能,输出不同的电压值,给直流电机驱动,直流电机驱动也利用PWM波控制功能来控制风扇的转动速度。温度越高时PWM占空比就越大,风扇的转动速度就越快。2.3 器件选型2.3.1单片机选型方案一:MSP430系列单片机,属于16位的低功耗混合信号处理器,在运算速度和处理能力(具有精简指令集结构和丰富的寻址方式)
12、较好,在超低功耗这块,有着极大的优势,其最低功耗只有 0.1uA。但指令所需占的空间较大,且相关的资料较少,资料查找比较困难和麻烦,主要适用在一些对功耗要求非常低的工业场合。方案二:51系列单片机,该系列单片机是比较经典的系列。最主要的是该单片机在应用中是最容易上手的单片机。特别是51系列单片机中的STC12C5A60S2是当前较为主流的单片机,该单片机是在8051上进行改良的,也属于低耗(当然相比MSP430的低功耗要差点)快速型单片,内部闪存大。相对其它的单片机,该单片机对开发过程中的设备要求低,在开发速度和时间上有着优势,且有良好的程序加密功能。从上面对两种单片机进行分析,最后根据在满足
13、需求和性能的要求前提下,选用对开发设计要求低的STC12C5A60S2单片机为主控制器。2.3.2温度传感器选型方案一:pt100温度传感器,是一种热电阻温度传感器,具备温度检测的同时还能对环境中的湿度进行检测,由传感器和信号转换器组成,性能良好,适用于污染比较严重的环境中使用。方案二:ds18b20温度传感器,是一种数字型温度传感器,采纳单总线的控制形式,电路设计简单,与单片机的使用非常的方便,传感器的封装多样化,且有防水和不防水两种类型可选择,体积小,检测精度高。根据需求,只需检测温度,因此选择电路设计简单,且利用便利的防水型ds18b20温度传感器来实现温度的采集。2.3.3显示器选型方
14、案一:LED显示屏,主要由多个会发光的二极管组成的显示屏,比较于LCD显示屏的功耗愈加的低,且LED的显示颜色非常的亮丽和鲜艳,因此在不同环境光照强度下,都能将内容显示的很清楚,同时也使得价格相对比较贵,主要适用于对视觉效果要求高的显示装置中。方案二:LCD显示器,主要是由液态晶体,组成的液晶显示屏,颜色的显示上没有LED丰富,但液晶屏的特点是显示稳定、亮度均匀,成本比LED屏要低,适用寿命更加的长,且对眼睛的伤害会较小,起到了眼睛保护的作用,因此主要适用于对显示的视觉效果要求不是很高的显示装置中。分析后,散热底座设计对显示的视觉效果要求不高,因此选择低成本,同时对眼睛伤害较小的LCD液晶屏为
15、显示屏幕。第三章 笔记本智能底座硬件系统3.1 单片机最小系统3.1.1STC12C5A60S2单片机单片机实则是一种对集成电路芯片的统称。是将如处理器、存储器、中断、定时器等等功能的微小元件集成在一块较小的硅片上。最后形成一个类似具备计算机系统功能的特许计算机。单片机结构框图如图3-1:图3-1 单片机结构框图笔记本电脑智能底座设计,选用51内核单片机,51单片机是指一切对8031指令系统相兼容的单片机。STC12C5A60S2的引脚图如下图3-2所示:图3-2 STC12C5A60S2引脚笔记本电脑智能底座设计,将选用在8051单片机基础上进行改良的STC12C5A60S2单片机。不但继承
16、了其全部的优良性能,同时能对其进行大量的优化和完善。STC12C5A60S2单片机有着高性能,低功耗, 高运速等特点5。 (1)属于增强型的CPU。(2)单片机的工作电源范围广3.5至5.5伏。(3)集成的专业复位电路,具备外部掉电检测电路。(4)超过1K的随机存储器,有10位高精度的数模转换功能,且转换速度快。(5)通用的IO控制口,准双向口/弱上拉可设置的模式共有四种。(6)具有带电可擦可编程只读存储器,不光能对掉电数据进行维护,同时能够独一设备上已存在信息,进行重新的编写。(7)时钟源,当单片机电源为3.3伏时,振荡频率为8至12MHz,电源为5伏时,振荡频率为11至17MHz。(8)四
17、个定时器,三个时钟输出口,两组串口通信控制引脚,具备外部中断,两路可调控制的PWM波。3.1.2晶振电路晶振电路对单片机系统而言,相当这个单片机系统的心脏。单片机系统需要的最基本的时钟信号,则是由晶振来提供的。单片机的晶振电路一般由,位于单片机内部的震荡电路中的反相器,以及在外部衔接晶振和电容、电阻等组成。反相器的特点是当输入电平为低时,则输出的为高电平,反之输入的则为高电平时,则输出的则为低电平。原理上来说电容的容量越小,储存相同电量是的电压就越大,如电容的取值过大,会影响电容的充电时间,从而可能导致单片机系统电路无法起振。晶振对电容也具有要求,实际应用中,晶振所接电容的有效值不能比当前的晶
18、振负载电容还大(不能超出晶振的负载能力)6。晶振电路系统如图3-3所示:图3-3 晶振电路根据资料查找和对系统的计算,将采用两个20PF的电容C2和C3,以及一个11.0592MHz的晶振Y1,与单片机系统的两个反相器X1、X2进行连接,实现单片机控制系统的晶振电路设计。之所以晶振,不选择整数的12MHz,而是采用了11.0592MHz,是为了让系统的运行过程中得到一个更为精准的通信频率。3.1.3复位源电路单片机中的复位电路有好几种方式(如:系统复位、上电复位等),复位电路将使用按键复位结合上电复位相设计而成。当单片机系统出现数据问题、或者需要把系统的当前状态恢复为初始状态时等等,都需要利用
19、复位按键通过复位电路来实现系统复位。复位电路图如图3-4所示:图3-4 复位电路如图3-4所示,复位电路由复位按键、电容、电阻以及芯片上的RST控制引脚组成,通过改变RST控制引脚的高低电平来触发复位,低电平触发有效。在电容充满电,按键K4没按下时RST输出为高电平,当按键K4被按下的时候,此时RST引脚处于一个接地的状态,因此RST引脚将输出一个高电平来完成复位触发。3.1.4电源电路主控制器51单片机STC12C5A60S2的工作电源为5伏电源。因此需设计一个电源电路来使单片机获得5伏电源。电源获取电路设计如图3-5所示:图3-5 电源电路考虑到电脑和充电宝所能输出的,电源电压都为5伏,且
20、二者在日常生活中都使用广泛和操作方便,因而笔记本电脑智能底座控制系统,将设计一个5伏的电源电路,通过USB/数据线来完成单片机电源的供给。可以看出利用一个5伏的电源座来连接外部通过数据线所提供的电源。当电源连接到电源座的时候,可通过对电源开关进行轻微的按下,便能使外部的5伏电源进入到单片机系统,单片机通过内部编写好的代码,控制系统的正常运行。3.2 液晶显示模块笔记本电脑智能底座设计与制作,需要设计一个显示电路,显示当前采集到的温度值以及设置的温度控制值等信息。LCD液晶屏是目前市面上使用较为广泛的显示器件,市面上的基于单片机的LCD液晶屏主流器件有字符型LCD1602和汉字型LCD12864
21、两款。区别在于LCD12864既能显示字符还能显示汉字,而LCD1602只能显示出字符。但显示参数为单独的字符显示,因此根据设计的显示需求和性价比,选择LCD1602液晶屏为显示模块。LCD1602是一种专门用来显示数字、符号、字母等,其控制器大都为HD44780。1602是单5伏电源电压供给显示屏,可靠性强且低功耗,与 51单片机有着良好的适配性,能为系统的设计带来便捷。液晶显示屏LCD1602的实物如图3-6所示:图3-6 液晶显示屏LCD1602-J实物液晶显示屏LCD1602有IIC通信和SPI通信两种类型,而为了简化液晶屏与单片机之间的引脚连线,将采用SPI通信的液晶屏LCD1602
22、-J来完成显示设计,如下图,只需通过3个SPI通信控制引脚便能实现检测数据的读取与显示,这里将SPI通信引脚的CSB连接到处理器的控制IO口P22,SDA引脚连接到处理器的控制IO口P21,SCL引脚连接到处理器的控制IO口P20,液晶屏的电源控制引脚分别接5伏输入电源的正和负。液晶屏LCD1602-J和单片机的连接电路如图3-7所示:图3-7 液晶显示屏LCD1602-J电路3.3 温度传感器模块在所有的环境参数的测量中,温度的测量是最基本的一个参数测量,因此对温度进行检测的器件在市场上的供应量也是最大的,各种类的温度传感器都有,笔记本电脑智能底座的设计中为了方便电路的设计和操作简单,选用一
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