机电一体化课外作业.docx
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机电一体化课外作业
笔记本散热器设计
0设计背景和目的
随着社会的快速进步,人民生活水平的提高,笔记本电脑开始普遍普及。
通常人们在运用电脑高度运行时,往往由于温度过高而导致程度不得不中断。
对于这种现象,底板扇热器开始运用,但是长时间的使用发现,其散热效果不是很理想,对于一般相对分辨率高的程序或游戏,其散热温度远远达不到要求。
基于此问题,抽风扇热器以其它自有的高效散热,本体小的特点服务于笔记本,而其高耗能,噪音大,笔记本进灰速率加快的特点让人很少选择使用。
基于以上问题,如果能结合底板散热器和抽风散热器的优点,有效避免或者减小两者的缺点的一个散热器,就能更高效的服务于电脑。
所以本设计产品是一个半自动双重散热器,是一个地板散热器和抽风散热器通过单片机控制的一个结合体。
1传动装置的总体设计
1.1底座散热器电机的选择
因为考虑到散热器对电机的要求的不高,所以散热器只要达到理想的转速,低耗能,以及适合安装的条件即可,基于此,散热器的小型直流电机需满足一下几个条件:
1、小型直流电机的效率一般高于其他类型的电机,达到相同的输出功率,直流电机的体积一般比较小。
对于安装位置有限的情况下,小型直流电机比较适合;
2、小型直流电机有个特点是可以根据负载的大小,电机可以自动降速,来达到极大的启动转矩。
这一点交流电机比较困难,另外,小型直流电机比较容易吸收负载大小的突变,电机转速可以自动适应负载大小。
对于小型直流电机的特种电机,电磁式电动机和永磁式电动机的三种形式。
各自的特点如表1所示:
电机种类
特点
特种电机
一般无绕组,驱动较为复杂,作为电机的一种自成体系。
电磁式电动机
因其励磁方式不同,其特点各有千秋,趋于多样化,品种繁多。
永磁式电机
性能与电磁式并励电动机想接近,启动转矩较大,机械特性硬,负载变化转矩变化不大,适用于小功率直流驱动电路。
表1
所以基于上述的特点对比,应选用永磁式电机。
永磁式电机分为有刷和无刷电机两部分,而无刷电机在应用在此机构特点高于有刷电机,所以选用无刷直流电机。
无刷直流电机各参数如表2所示:
表2
考虑到散热器的电机的要求一般是电压5V,转速在5rpm—2100rpm,电流0.03A—0.5A,转矩700g/cm—2.4g/cm。
所以选用型号为B2418MS01的无刷直流电机。
其电机各功率对应的性能参数如下表3所示:
表3
根据以上数据,底座散热器电机的选用是:
功率为0.75,型号为B2418MS01的无刷直流电机。
1.2抽风散热器电机的选择
虽然抽风散热器与底座散热器在于工作原理不同,但是对电机的要求都一样,所以抽风散热器电机的选择是:
功率为0.75,型号为B2418MS01的无刷直流电机。
1.3弹出装置电机的选择
电机按种类分为直流电机和步进电机两部分。
直流电机由电流直接驱动,而弹出装置电机是传感器根据温度的高低发送脉冲给单片机让装置行程一个固定的行程,则选用步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件,旋转式的转子结构可分为三种。
转子结构分类如表4所示:
种类
特点
可变磁阻(VR)型
转子结构简单,直径小,有利于高效响应。
由于铁心无极性,不需要改变电流极性,造价低廉,多用途机种。
永磁(PM)型
励磁功率小,效率高,造价低,由于转子磁铁的磁化间距受到限制,难以制造。
混合(HB)型
步距角小,响应频率高,励磁功率小,效率高
表4
根据上述各特点,考虑到运用到此装置的经济性和实用性,所以选用混合型由转矩M=F*L=13.5mN*m,转矩选用两相混合步进电机20系列。
具体参数如下表5所示:
表5
由此选用型号为单出轴20HA1005-15电机,其电机简图如图1所示:
图1
1.4弹出装置机构的设计
1.4.1间歇机构的选择
根据机构是由单片机发出脉冲驱动步进电机,然后步进电机驱动钩子分离弹出,那么中间就必须有个间歇机构(如下图2),才能使运动周而复始有序的运行。
因此对于间歇机构有如下选择:
摩擦式棘轮机构:
运动可靠,在低速、轻载下实现间歇运动,运动无噪声和冲击。
槽轮机构:
结构简单,工作可靠,运动平稳,能精确控制转动角度,有冲击。
一般运用到转速不高装置中。
凸轮式间歇机构:
一般只能运用于低速场合,机构传动平稳,动力特性好,冲击振动较小,转盘转位精准。
图2便为几种间歇机构的典型形式:
图2
若选用摩擦式间歇机构,从传动力矩上完全能满足,但是假设考虑到本产品的弹出装置空间是30*25的一个长、高空间,所以要求的机构要尽可能的小,但要满足一定的要求.综合各间歇机构放特点,以及考虑到了汽车电机驱动车轮的机构,自制了一个间歇机构。
它是由步进电机驱动,通过锥齿轮的改变旋向,最后传递运动方式给钩子旋转,达到钩子分离的目的。
此机构的优点:
1,传动方式简单,快捷。
2,节省空间。
3,制造简单,节约成本。
由于是小型锥齿轮,传动
力矩不大,完全可以由塑胶代替。
下图3为齿轮的传动结构:
图3
1.4.2导向支承部件的选择与设计
导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。
而本产品导向支承部件是导向支承抽风散热器,使其与底座散热器和电脑完美结合。
导轨副主要由承导件和运动件组成,运动方向为直线的称为直线运动导轨副,回转的称为回转运动导轨副。
对于本产品是直线运动,所以需要的是直线型的运动导轨副。
下图4、图5为导轨副的分类和性能比较。
图4主要为导轨副的分类;图5为导轨副的结构和具体性能。
图4
图5
抽风机重量是0.3KG,而且在运行的时候还会产生振动,所以选用的支承导
轨要有良好的稳定性,还有一定抗震性,同时承载能力比较大,在制造经济方面
相对低越好。
所以综合上述,选用闭式直角导轨。
闭式直角导轨最终如图6、图7所示:
图6
图7
底座散热器可以容纳的L1=100mm,而散热器长度为L2=90mm,如果把散热器从底座散热器中取出并且工作于电脑上,那必须有一个间隙长度L3>=50mm。
则闭式直角导轨
L4=L/2=(L1+L2+L3)/2>=120mm
而L4>L1,
使得这样的导轨不可能。
为了解决这一问题,所以采用双重导轨滑型机构,导轨1的长度等于导轨2,具体运行是:
导轨1在导轨2中滑动,导轨2在底座散热器中运行。
假使导轨1的长度L5=90mm,则两个导轨总长度L=180mm》L4,而L5 2温度传感器电路设计 2.1设计总框图 温度计电路设计总体设计方框图如图1所示,控制器采用单片机AT89S51,温度传感器采用PT100。 总体设计框图如图8所示: 图8 主控制器: 单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要。 显示电路: 显示电路采用3位共阳LED数码管. 2.2器材的选用 温度传感器PT100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200℃至650℃的范围.本电路选择其工作在-10℃至100℃范围。 整个电路分为两部分,一是传感器前置放大电路,一是单片机A/D转换和显示,控制,软件非线性校正等部分。 前置放大部分原理图如图9所示: 图9 此工作原理非常简单,传感器的接入非常简单,从系统的5V供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100了.这种接法通常会引起严重的非线性问题,但是.由于有了单片机的软件校正作为后盾,因此就简化了传感器的接入方式.按照PT100的参数,其在0℃到100℃的区间内,电阻值为100至170Ω,我们按照其串联分压的揭发,使用公式: Vcc/(PT100+3K92)*PT100=输出电压(mV),可以计算出其在整百℃时的输出电压。 具体数值见下表6: 表6 单片机10位A/D在满度量程下,最大显示为1023字,为了得到 PT100传感器输出电压在显示500字时的单片机A/D转换输入电压,必须对传感器的原始输出电压进行放大,计算公式为: (100/1023*Vcc)/传感器两端电压(mV/℃),(Vcc=系统供电=5V),可以得到放大倍数为2.09。 关于放大倍数的说明: 有热心的用户朋友询问,按照(100/1023*Vcc)/传感器两端电压不能得到2.09的结果,而是得到3.635的结果。 然而实际上,100个字的理想值是无法靠电路本身自然得到的,自然得到的数字仅仅为90个字,因此,公式中的100℃在实际计算时的取值是90,而不是100。 90/1023*5/(0.33442-0.12438)≈2.086。 其实,计算的方法有多种,关键是要按照传感器的mV/℃为依据而不是以被测温度值为依据,我们看看加上非线性校正系数: 2.08*1.1117=2.312336,这样,热心朋友的计算结果就吻合了。 对于里面的运算放大器其实分为两级,后级固定放大5倍(原理图中12K/3K+1=5),前级放大为: 2.09/5=0.418 倍,为了防止调整时的元器件及其他偏差,使用了一只精密微调电位器对放大倍数进行细调,可以保证比较准确地调整到所需要的放大倍数(原理图中 10K/(8K2+Rw)+1)。 通常,在温度测量电路里,都会有一个“调零”和另一个“调满度”电位器,以方便调整传感器在“零度”及“满度”时的正确显示问题。 本电路没有采用两只电位器是因为只要“零度”调整准确了,就可以保证整个工作范围的正确显示,当然也包括满度时的最大显示问题了。 那么,电路中对“零度”是如何处理的呢? 它是由单片机程序中把这个“零度”数字直接减掉就是了,在整个工作范围内,程序都会自动减掉“零度”值之后再作为有效数值来使用。 当供电电压发生偏差后,是否会引起传感器输入的变化进而影响准确度呢? 供电变化后,必然引起流过传感器的电流发生变化,也就会使传感器输出电压发生变化。 可是,以此同时,单片机的供电也是在同步地接受到这种供电变化的,当单片机的 A/D 基准使用供电电压时,就意味着测量基准也在同步同方向发生变化,因此,只要参数选择得当,系统供电的变化在20%之内时,就不会影响测量的准确度。 3单片机的选用 3.1单片机和PLC的选择 单片机控制有优点和缺点。 优点,经济实惠,成本相对较低; 缺点,用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差,故障率高,不易扩展,对环境依赖性强,开发周期长。 一个采用单片机制作的主控板不经过很长时间的实际验证很难形成一个真正的产品。 PLC控制有优点也有缺点。 优点: PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器,其抗干扰能力强,故障率低,易于设备的扩展,便于维护,开发周期短。 缺点: 成本相对单片机要高。 而本产品开发设计对于产品本身,成本就比较低,对其性能要求不是太高,所以选用单片机更适合本产品。 3.2AT89C51单片机 AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。 片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。 在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。 另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。 空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。 3.3软件流程图 系统程序主要包括主程序,读出温度子程序,温度转换命令子程序,计算温度子程序,显示数据刷新子程序,驱动步进电机等。 程序框图如图10所示: 图10 3.4单片机编程 此编程是让散热器自动检测温度,从而控制电动机停止运转的。 具体程序如下: ORG0000H LJMPMAIN PRG0023H LJMPCONTI; ORG1000H MAIN: CLRA; MOVA,PAO; JBA,CONTI; LTAMPMAIN; CONTI: MOVOFH,#50D; MOVPCO,00111111H MOVOEH,#4EH; MOV0DH,#20H; CALLDELAY; DJNZOFH,CONTI; RETI. 4.结论 半自动双重散热器在长期使用中的消耗功率较低,有两种散热选择性,同时温度显示器也进一步让笔记本使用者知道当前温度情况,不必安装温度报警程序。 它的弹出装置是根据笔记本驱动光盘设计,节省空间,方便使用。 而对于当抽风散热器运行时,产生的振动不会引起弹出机构的共振。 经过此次笔记本散热器的设计,我们很好的做到了理论与实践的结合。 在此过程中,我们既深化了对机械原理、机械设计等机械传动结构专业课的认识,又结合了传感器、单片机、数控技术、控制工程基础,做到了机械与电气的有机结合,我们的确收益良多,但也认识到很多不足,在今后的学习生活中,我们会再接再厉,争取更上一层楼。 本小组的分工如下: 王涛负责电路图的绘制和编程;程相良负责机械结构的建模装配和图纸。
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