智能控制的筆記本外置散熱器

0 引言

筆記本的硬件設(shè)計(jì)趨向于集成、輕薄，而越來越緊密的物理結(jié)構(gòu)使得內(nèi)部空間更加狹小。在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量的熱量，使得筆記本內(nèi)部即使配備了風(fēng)扇、散熱器等散熱裝置，也不能夠達(dá)到很好的散熱效果。并且使用長時(shí)間后內(nèi)部灰塵堆積，更加影響散熱能力。而過高的內(nèi)部溫度可能導(dǎo)致筆記本死機(jī)或器件損壞、影響使用壽命。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能控制的筆記本外置散熱系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、溫度傳感器模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、上位機(jī)通信模塊及渦輪分散散熱模塊組成。如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)通過溫度傳感器DS18B20獲取周圍環(huán)境溫度并送到單片機(jī)，并通過單片機(jī)與上位機(jī)筆記本通信，獲取計(jì)算機(jī)WMI(Windows Management Instrumentation，Windows管理規(guī)范)中CPU工作溫度。

三種工作模式的工作過程，模式一：對比兩種溫度信息，當(dāng)CPU工作溫度超過周圍環(huán)境溫度30攝氏度時(shí)，啟動(dòng)散熱器;模式二：當(dāng)CPU工作溫度達(dá)到70攝氏度時(shí)，啟動(dòng)散熱器;另外，系統(tǒng)可以交由用戶控制強(qiáng)制啟動(dòng)散熱器，以達(dá)到去除灰塵和降溫目的。系統(tǒng)工作模式、CPU工作溫度及周圍環(huán)境溫度等信息都可以顯示在顯示屏上。當(dāng)啟動(dòng)散熱器時(shí)，系統(tǒng)必須由單片機(jī)控制，當(dāng)單片機(jī)接到命令后，輸出PWM控制信號(hào)使L298N驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)渦輪風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 主要模塊介紹

3.1 單片機(jī)介紹及外圍電路

STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用ARM Correx—M332位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含多種通信接口：2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。

I/O口中把GPIOA.3作為DS18B20數(shù)據(jù)采集端口。如圖2所示，PA9(USART1 TX)、PA10(USART1 RX)做上位機(jī)通信口分別接MAX232芯片的IN輸入與OUT輸出引腳。PA、PB、PD、PE等端口部分引腳連接TFT液晶屏。

3. 2 驅(qū)動(dòng)電路

L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。本設(shè)計(jì)中使用12V電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使其能夠達(dá)到較大功率，增強(qiáng)散熱能力。其中單片機(jī)GPIOA.0連接L298N使能端ENA，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān);GPIOA.1復(fù)用PWM輸出，連接L298N輸入端IN1，輸入端IN2接地，通過改變PWM輸出的占空比從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件模塊較多，主要包括主程序、單片機(jī)與筆記本通信子程序、溫度傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、液晶顯示子程序等。

4.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)及界面

本設(shè)計(jì)中的上位機(jī)通過Visual Basic編寫完成，Visual Basic是一種由微軟公司開發(fā)的包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動(dòng)編程語言。程序員可以輕松的使用VB提供的組件快速建立一個(gè)應(yīng)用程序。

4.2 CPU溫度獲取

WMI，是Windows 2K/XP管理系統(tǒng)的核心，是一個(gè)描述操作系統(tǒng)構(gòu)成單元的對象數(shù)據(jù)庫，為MMC和腳本程序提供了一個(gè)訪問操作系統(tǒng)構(gòu)成單元的公共接口。

VB中通過檢索WMI中的MSAcpi_Thermal ZoneTemperature類，查找其中數(shù)據(jù)成員CurrentTemperature，隨后通過公式CPU_Temperature=(CltItem.CurrentTemperature-2732)/10計(jì)算得出當(dāng)前CPU溫度。但由于該數(shù)據(jù)更新只發(fā)生在開機(jī)時(shí)，而開啟SpeedFan軟件可以使得WMI中CPU溫度數(shù)據(jù)不斷被刷新。在VB中運(yùn)用Timer定時(shí)器定時(shí)讀取該數(shù)據(jù)從而獲取實(shí)時(shí)CPU溫度。

附程序如下：

4.3 散熱模式設(shè)置

這一模塊設(shè)計(jì)中設(shè)有風(fēng)扇使能按鈕并有三種散熱模式，分別是1.手動(dòng)調(diào)節(jié)模式2.根據(jù)CPU溫度智能調(diào)節(jié)模式3.根據(jù)出分口溫度智能調(diào)節(jié)模式。

風(fēng)扇使能按鈕通過改變風(fēng)扇使能位，通過串口通信發(fā)送至單片機(jī)，改變GPIOA.0電平高低進(jìn)而改變L298N使能端電平，達(dá)到控制電機(jī)開關(guān)的效果。

通過單選按鈕可以切換三種散熱模式：1.手動(dòng)調(diào)節(jié)模式2.根據(jù)CPU溫度智能調(diào)節(jié)模式3.根據(jù)出分口溫度智能調(diào)節(jié)模式。

手動(dòng)調(diào)節(jié)模式可通過拉動(dòng)滾動(dòng)條改變風(fēng)扇速度值;根據(jù)CPU溫度智能調(diào)節(jié)模式將當(dāng)前CPU溫度與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相對應(yīng)，風(fēng)扇速度值等于CPU溫度值;根據(jù)出分風(fēng)溫度智能調(diào)節(jié)模式是通過獲取DS18B20傳感器所采集溫度，風(fēng)扇速度值等于該溫度乘上比例系數(shù)2;通過串口將風(fēng)扇速度發(fā)送至單片機(jī)并轉(zhuǎn)化為PWM占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4.4 串口通信

本設(shè)計(jì)中利用VB中MSComm控件可以很方便地與單片機(jī)進(jìn)行串口通信。對該控件的串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、驗(yàn)校位、停止位在VB界面中設(shè)計(jì)下拉選項(xiàng)就能快速進(jìn)行設(shè)置。下面列舉在本設(shè)計(jì)中涉及到的幾個(gè)常用屬性：

Commport：設(shè)置或返回串口號(hào)。

Settings：以字符串的形式設(shè)置或返回串口通信參數(shù)。

Portopen：設(shè)置或返回串口狀態(tài)。

Inputlen：設(shè)置或返回一次從接收緩沖區(qū)中讀取字節(jié)數(shù)。

InBufferSize：設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)的大小，缺省值為1024字節(jié)。

Rthreshold：該屬性為一閥值。

Output：向發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無效，運(yùn)行時(shí)只讀。

Inptut：從接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并清空該緩沖區(qū)，該屬性設(shè)計(jì)時(shí)無效，運(yùn)行時(shí)只讀。

在程序運(yùn)行中，通過定時(shí)器每隔1 s向單片機(jī)發(fā)送4項(xiàng)數(shù)據(jù)：風(fēng)扇使能，散熱模式，CPU溫度，風(fēng)扇速度。而單片機(jī)也每隔1 00ms向上位機(jī)發(fā)送DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)。

4.5 PWM輸出

在設(shè)計(jì)中使GPIOA.1輸出PWM波，借助庫函數(shù)對PWM初始化步驟包括：

1、開啟TIM2時(shí)鐘以及復(fù)用功能時(shí)鐘，配置PA1為復(fù)用輸出;

2、設(shè)置TIM2 CH2重映射到PA1上;

3、初始化TIM2，設(shè)置TIM2的ARR和PSC;

4、設(shè)置TIM2 CH2的PWM模式，使能TIM2的CH2輸出;

5 使能TIM2。

本設(shè)計(jì)中TIM TimeBaseStructure.TIM_Period=900;

TIM TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=0;使得GPIOA.1輸出頻率7200/900=8Khz;

在主函數(shù)中調(diào)用TIM_SetCompare2(TIM2，uint16_t Compare2)，改變Compare2值便可以控制PWM輸出頻率。

4.6 DS18B20溫度采集

DS18B20是DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器的“一線器件”。是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。

STM32讀取DS18B20溫度數(shù)據(jù)過程中，首先將GPIOA.3端口時(shí)鐘使能并配置為推挽輸出。根據(jù)DS18B20的協(xié)議規(guī)定，微控制器控制DS18B20完成溫度的轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過以下4個(gè)步驟：DS18B20初始化、ROM操作命令、存儲(chǔ)器操作命令、處理數(shù)據(jù)。

初始化過程中，總線主機(jī)發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道DS1820在總線上且己準(zhǔn)備好操作。

初始化過后，當(dāng)需要讀取DS18B20內(nèi)溫度信息時(shí)，按照以下操作：

1、主機(jī)發(fā)出復(fù)位操作并接收DS18B20的應(yīng)答(存在)脈沖

2、主機(jī)發(fā)出跳過ROM操作命令(CCH)

3、主機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)換溫度操作命令(44H)

4、主機(jī)發(fā)出復(fù)位操作并接收DS18B20的應(yīng)答(存在)脈沖

5、主機(jī)發(fā)出跳過ROM操作命令(CCH)

6、主機(jī)發(fā)出讀取RAM的命令(BEH)

先讀取低字節(jié)后讀取高字節(jié)，按照高字節(jié)最高位判斷溫度正負(fù)，若最高位為1溫度為負(fù)，對兩個(gè)字節(jié)做取反操作，為0保持不變，隨后進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換公式為：實(shí)際溫度=(float)16位數(shù)據(jù)*0.625。

4.7 LCD液晶顯示

TFT—LCD即薄膜晶體管液晶顯示器。(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)。TFT-LCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個(gè)象素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管(TFT)，可有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。

本設(shè)計(jì)中TFT模塊采用16位的并行方式與外部連接，相對8位的并行方式速度快一倍。在控制TFT液晶顯示時(shí)，采用STM32的FSMC接口。

FSMC，即靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，能夠與同步或異步存儲(chǔ)器和16位PC存儲(chǔ)器卡接口，STM32的FSMC接口支持包括SRAM、NAND FLASH、NORFLASH和PSRAM等存儲(chǔ)器。在本設(shè)計(jì)中用到的TFT液晶顯示就是將TFTLCD當(dāng)成SRAM來控制。通過對FSMC中寄存器的配置，可以在對TFT進(jìn)行讀寫時(shí)自行模擬時(shí)序，從而大大簡化了程序。

在程序運(yùn)行中，TFTLCD每隔100ms刷新顯示數(shù)據(jù)，包括散熱模式、風(fēng)扇使能、風(fēng)扇速度、CPU溫度、出風(fēng)口溫度等信息，讓用戶直觀地了解散熱情況。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用Keil-MDK集成編譯環(huán)境進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，MDK是一個(gè)集代碼編輯，編譯，鏈接和下載于一體的集成開發(fā)環(huán)境(KDE)，并且運(yùn)用STM32庫函數(shù)能使編程設(shè)計(jì)更加方便快捷。

STM32庫是由ST公司針對STM32提供的函數(shù)接口，即API(Application Program Interface)，開發(fā)者可調(diào)用這些函數(shù)接口來配置STM32的寄存器，使開發(fā)人員得以脫離最底層的寄存器操作，有開發(fā)快速，易于閱讀，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)在實(shí)際散熱測試中，最多能達(dá)到降溫15度的效果，并可選擇多種模式靈活適應(yīng)不同環(huán)境的需要。并采用抽風(fēng)式散熱，有力減少筆記本內(nèi)部的灰層堆積，減少高溫對筆記本內(nèi)部器件的損壞。

同時(shí)該智能散熱系統(tǒng)還存在不足。主要有三方面，第一方面，風(fēng)扇散熱期間響聲較大，造成噪聲污染，可以考慮改進(jìn)渦輪風(fēng)扇物理結(jié)構(gòu)或添加潤滑劑減少噪音;第二方面，成本較高，在推廣成商品時(shí)，可以適當(dāng)降低硬件配置，例如采用較為便宜的單片機(jī)以及液晶顯示;第三方面，在采集CPU溫度時(shí)，依賴第三方軟件，可改進(jìn)為C#編譯上位機(jī)，獨(dú)立從硬件中讀取溫度信息。