基于单片机的智能散热器的设计本科毕业设计.docx
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基于单片机的智能散热器的设计本科毕业设计
本科毕业设计
题 目基于单片机的智能散热器的设计
学生姓名 _
专业名称 _
指导教师 _
年月日
基于单片机的智能散热器的设计
摘要:
散热器在生活中的应用很广泛,例如笔记本电脑会因为散热不良而出现死机现象。
单片机具有集成度高、体积小、功能强、可靠性高、价格低廉等优点,广泛应用于工业测控、智能仪器仪表、网络通信、家用电器等领域。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
本设计在深入探讨散热问题的基础上,设计出了一套基于单片机控制的智能散热器,综合了成本和性能等相关因素,采用Atmel公司的AT89C52单片机为核心。
控制器件向温度传感器DS18B20发送指令,进行温度信号的采集与处理,并通过液晶显示器显示出来,与系统预先设定的温度参数进行比较,当温度达到一定数值后,单片机会驱动风扇转动,进行散热处理。
当温度下降到一定数值后,风扇停止工作。
通过按键对温度参考值进行设定,利用记忆芯片EEPROM对设定值进行保存,实现温度智能控制最后系统在Protues下仿真运行,验证此系统设计正确可行。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
关键词:
散热器;单片机;智能控制
BasedontheSinglechipMicrocomputer
Intelligentdesignofradiator
Abstract:
Radiatorwiderangeofapplications,suchasnotebookcomputersbecauseofpoorheatdissipationphenomenonofdeathinlife.MCUwithhighintegration,smallsize,strongfunction,highreliability,lowprice,etc.,arewidelyusedinindustrialmeasurementandcontrol,smartinstrumentation,networkcommunications,householdappliancesandotherfields.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
Thedesignindepthheatproblemonthebasisofdesignofamicrocontroller-basedcontrolofintelligentradiator,acombinationofcostandperformance,andotherrelatedfactors,usingAtmelAT89C52microcontrollerasthecore.ControldevicestosendcommandstothetemperaturesensorDS18B20temperaturesignalacquisitionandprocessing,andLCDdisplayparameterswerecomparedwiththepre-settemperaturewhenthetemperaturereachesacertainvalue,themicrocontrollerwilldrivetherotationofthefanforcoolingtreatment.Whenthetemperaturedropstoacertainvalue,thefanstoppedworking.Setthroughthebuttononthetemperaturereferencevalue,theuseofmemory-chipEEPROMtosavethesetvalue,temperatureintelligentcontrolthefinalsystemProfuseundersimulationruntoverifythatthedesignofthissystemiscorrectandfeasible.
KeyWords:
radiator; SCM; intelligentcontrol酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
1、引言
1.1系统研究背景
随着科技不断进步和发展,单片机的使用已经渗透到我们日常生活的各个领域,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。
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
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。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
1.2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,吹风时产生的是紊流,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。
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
2、整体方案设计
2.1系统整体设计
本设计的整体思路是:
利用温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出数字温度信号给单片机AT89C52进行处理,在LCD上显示当前环境温度值(检测到的当前环境温度为整数)。
同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速,并通过一个按键实现智能控制和固定转速切换。
系统结构框图如下:
鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
串口通信部分
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
图1系统结构框图
2.2方案论证
为了实现智能温度控制,须要电机根据环境温度的变化自动改变转速,就要选择比较稳定可靠的电机变速控制部件。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
2.2.1温度传感器的选择
方案一:
采用热敏电阻作为检测温度的核心元件,经运算放大器放大,再经模数转换芯片ADC0809将微弱电压变化信号转化为数字信号输入供单片机处理。
但因热敏电阻随温度变化而变化,会产生输出电压的微弱变化。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
方案二:
采用模拟式集成温度传感器LM35作为温度检测的核心元件,经ADC0809模数转换芯片将微弱电压变化信号转化为数字信号输入单片机处理。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
方案三:
采用数字式集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件,由其检测并直接输出数字温度信号让单片机进行处理。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
对于方案一,采用热敏电阻虽有价格便宜、元件易购的优点,但其对温度的细微变化不太敏感,在信号采集、放大以转换过程中会产生失真和误差,并且热敏电阻的R-T关系是非线性的而对温度的变化存在较大误差,虽可通过一定电路来修正,但这不仅会使电路变得更复杂,而且在人体所处环境温度变化过程中难以检测到小的温度变化。
故不适合选该方案。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
对于方案二,虽然模拟式集成温度传感器LM35的高度集成化,大大降低了外接放大转化等电路的误差因数,但其检测温度结果以电压形式输出,需要使用ADC0809将模拟信号转换为数字的,该过程繁琐。
并且LM35对温度变化产生的电压变化较小,系统易受干扰。
故该方案不适合本系统。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
对于方案三,由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化,使外接放大转化等电路的误差因数大大降低,温度误差变得很小,并且其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同,其温度分辨力会极高。
温度值直接在器件内部转化成数字量输出,简化了系统程序设计,又因其采用先进的单总线技术与单片机的接口简单,抗干扰能力强,因此该方案适用于本系统。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
2.2.2控制器的选择
在本设计中采用AT89C52单片机作为控制核心,通过软件编程的方法进行温度检测和判断,并在其I/O口输出控制信号。
AT89C52单片机工作性能高、电压低,片内含8k字节的只读程序存储器ROM和512字节的随机数据存储器RAM,它兼容标准的MCS-51指令系统,性价比高,适合本设计的仿真。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
2.2.3温度显示器件的选择
方案一:
应用动态扫描的方式,采用LED共阴极数码管显示温度。
方案二:
采用LCD液晶显示屏显示温度。
对于方案一,该方案成本、功耗低,温度显示程序的编写也相对简单,因而得到广泛应用。
但不足是它采用动态扫描的显示方式,各个LED数码管是逐个点亮的会产生闪烁,但由于人眼的视觉暂留时间为20MS容易感觉到闪烁,造成误差,因此对于温度的精确显示不宜采用该方案。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
对于方案二,液晶显示具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。
从仿真精确简洁的角度,本系统采用方案二。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
2.2.4电机及其驱动器的选择
方案一:
采用直流电机加模拟电路,通过电位器调节电机两端电压进行控制。
达林顿管串联在直流电机回路上,调节电位器改变电机回路中电流的大小,从而控制电机的。
此方案的优点:
电路简单,通过一个电位器实现调节电机速度,但三极管工作在放大区时电机回路上会产生一个压降和很多热量,效率很低。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
方案二:
采用PWM控制步进电机。
PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。
PWM对半导体器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,正弦波或其他所需要的波形被这种脉冲来代替,按一定的规则对各脉冲的宽度进行调节,逆变电路输出电压的大小和输出频率都可以被它所改变。
但步进电机适用于精确控制,本电路不需要非常精确。
而且电路过于复杂,成本过高。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
方案三:
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。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
因此,本设计采用方案三。
3、各单元模块的硬件设计
系统主要器件包括DS18B20温度传感器、AT89C52单片机、风扇直流电机、串口通信的电平转换芯片MAX232、电源芯片7805、LCD显示芯片1602、。
辅助元件包括电阻、电容、晶振、电源、按键等。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
3.1系统主要器件简介
3.1.1单线数字温度传感器DS18B20简介
数字温度传感器DS18B20,是美国DALLAS公司生产的一种单线数字温度传感器,可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理,并能按具体要求通过简单编程实现9位温度读数。
它具有低功耗、高性能、抗干扰能力强、微型化、易配微处理器等优点,适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
DS18B20的主要特征:
测量的结果直接以数字信号的形式输出,以“一线
图218B20管脚图
总线”方式串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力;温度测量范围在-55℃~+125℃之间;可检测温度分辨率为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。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
3.1.2单片机AT89C52
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。
主要功能特性:
·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写(>1000次)FlashROM
·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM
·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz
·2个串行中断·可编程UART串行通道
·2个外部中断源·共6个中断源
·2个读写中断口线·3级加密位
·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
图3AT89C52芯片引脚图
3.1.3风扇直流电机
(1)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。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
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,还能够起到饱和和截止等作用的半导体电子器件。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
(2)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。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
3.1.4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,每一个接收器将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。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
3.1.5电源芯片7805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。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
1INPUT电源输入端,最大可达35V
2GROUND电源地
3OUTPUT+5V输出端
图47805稳压芯片视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
3.1.6LCD显示芯片1602
LCD1602为工业字符型液晶,能够同时显示16X2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,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:
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
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緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
3.2各部分电路设计
3.2.1复位与晶振电路
单片机应用系统中,单片机本身和外部扩展I/O接口电路都需要复位,因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。
单片机上的XTAL1和XTAL2外接石英晶体和微调电容,用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路,即采用内部时钟电路。
本设计中开关复位与晶振电路如下图所示,当按下按键开关S1时,系统复位一次。
晶振为11.0592MHz。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
图5开关复位与晶振电路
3.2.2独立键盘连接电路
键盘包含1个独立按键S1,一端接地,另一端与单片机的P3.2口相连,当按下任一键时,P3.2口读取低电平有效并产生中断。
其接线如图:
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
图6独立键盘连接电路
3.2.3温度采集电路
DS18B20使用时,一般都采用单片机来实现数据采集。
将1个或多个DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连,就可实现单点或多点温度检测。
本设计中将DS18B20接在P1.6口实现温度的采集。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
图7温度采集电路
3.2.4LCD显示电路
LCD液晶显示模块与单片机的接口有模拟工作时序和总线形式两种。
采用模拟工作时序通过设置相应的工作位来模拟实现显示控制,采用总线形式工作通过MOVX@DPTR,DATA指令才能实现对LCD的控制,此处用其的模拟工作时序。
其基本操作时序:
榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。
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
LCD显示电路电路连接如图8:
3.2.5串口通信
单片机有一个全双工的串行通讯口,所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时是有一定条件的,计算机的串口是RS232电平的,而单片机的串口是TTL电平的,两者须有一个电平转换电路,采
用专用芯片MAX232进行转换,更简单可靠。
采用三线制连接串口,即和计算机的9针串口中的3根线连接,分别是:
第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。
电路如图9:
邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
图81602接线图 图9MAX232连接电路
3.2.6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。
嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
图10直流电机驱动连接电路图
3.2.7电源芯片连接电路
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,输出更稳定的直流电压。
输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声,接小容量高频电容以抑制芯片自激,提高系统稳定性。
该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
图11电源芯片连接电路
图12电源电路原理图
4、软件设计
硬件设计好后,加上软件部分整个系统才能得以运行。
本系统的软件部分主要包括主程序和系统初始化子程序、电机控制子程序、温度采集子程序等。
劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。
4.1单片机程序设计
4.1.1总程序流程图
图13总程序流程图
4.1.2温度采集子程序流程图
图14温度采集子程序流程图
5、系统仿真
5.1用KeilC51编写程序
KeilC51是美国KeilSoftware公司开发的51系列兼容单片机C语言的软件开发系统,与单片机汇编语言相比,C语言语句简单灵活,编写的函数模块可移植性强,因而易学易用,效率高。
随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也在不断发展,Keil软件是目前使用较多的MCS-51系列单片机开发的软件。
臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。
KeilC51软件不仅提供了丰富的库函数,而且它强大的集成开发调试工具为程序编辑调试带来便利,在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
在使用时要先建立一个工程,然后添加文件并编写程序,编写好后再编辑调试。
鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。
5.2系统软件调试
用KEIL编译器编程调试,初步调试的程序一般按照以下方法调试:
1单步:
一次只执行一条指令,在每步执行后,返回监控调试程序。
2行:
可以从程序的任何一条地址处启动,然后全速运行。
3点运行:
可任意设置断点,当程序执行到此时控制返回到监控调试程序。
4查和修改存储器单元的内容。
5查和修改寄存器的内容。
程序调试可以逐个模块进行,一个一个子程序的调试,从而发现程序中的死循环、机器码及转移地址错误,也能发现待测系统中算法和硬件设计错误。
穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。
5.3PROTEUS软件简介
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
它是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。
利用KeilC51软件对源程序进行编译,编译成功后保存编译结果。
然后在PROTEUS中设计出相应的硬件电路,最后将程序装载到单片机中,通过PROTEUS仿真,看程序是否能够实现预想的功能。
浹繢腻叢着駕骠構砀湊。
5.4PROTEUS电路原理图设计
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- 基于 单片机 智能 散热器 设计 本科 毕业设计