AT89S52單片機的計算機散熱系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

自控課程設(shè)計基于 AT89S52 單片機的計算機散熱系統(tǒng)設(shè)計一、引言眾所周知，電子元器件的工作溫度直接決定其使用壽命和穩(wěn)定性，要讓 PC 各部件的工作溫度保持在合理的范圍內(nèi)，除了保證 PC 工作環(huán)境的溫度在合理范圍內(nèi)之外，還必須要對其進行散熱處理。而隨著 PC 計算能力的增強，功耗與散熱問題日益成為不容回避的問題。一般說來，PC 內(nèi)的熱源大戶包括 CPU、主板(南橋、北橋及 VRM 部分)、顯卡以及其他部件如硬件、光驅(qū)等，它們工作時消耗的電能會有相當一部分轉(zhuǎn)化為熱量。尤其對 CPU 而言，如果用戶進行了超頻，其內(nèi)部元件的發(fā)熱量更是不可小覷，要保證其穩(wěn)定地工作更必須有效地散熱。否則，除了影響我們電腦的正常使用外，還可能讓硬件出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源如 CPU 產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因為是自然散發(fā)熱量，效果當然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設(shè)備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如部分普及型主板在北橋上也采取被動式散熱。對于個人使用的 PC 機來說，絕大多數(shù)采取主動式散熱方式，主動式散熱就是通過風扇等散熱設(shè)備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。主動式散熱，從散熱方式上細分，可以分為風冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導體制冷、化學制冷等等。風冷風冷散熱是最常見的散熱方式，相比較而言，也是較廉價的方式。風冷散熱從2實質(zhì)上講就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低，安裝方便等優(yōu)點。但對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。水冷水冷散熱是通過水在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對環(huán)境依賴小等等優(yōu)點。一套水冷散熱系統(tǒng)是由散熱器、 水管及一個水泵組成。 散熱器內(nèi)部有多條水道, 這樣可以充分發(fā)揮水冷的優(yōu)勢, 能帶走更多的熱量。但是水冷散熱器所需的外圍“ 支持系統(tǒng)” 非常龐大,價格要比風冷式散熱系統(tǒng)要貴。而且安裝也相對麻煩一些，同時安裝時盡量按照說明書指導的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。熱管熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點。其導熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導熱能力。半導體制冷半導體制冷就是利用一種特制的半導體制冷片在通電時產(chǎn)生溫差來制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個半導體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風冷/水冷對高溫端進行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點，冷面溫度可以達到零下 10 以下，但是成本太高，而且可能會因溫度過低導致 CPU 結(jié)露造成短路，而且現(xiàn)在半導體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱谩；瘜W制冷所謂化學制冷，就是使用一些超低溫化學物質(zhì)，利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比如使用干冰可以將溫度降低到零下 20以下，還有一些更“變態(tài)”的玩家利用液氮將 CPU 溫度降到零3下 100以下（理論上） ，當然由于價格昂貴和持續(xù)時間太短，這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。散熱材料的選擇：一般說來，普通風冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對所選用的材料，希望其同時具有高比熱和高熱傳導系數(shù)，從上可以看出，銀和銅是最好的導熱材料，其次是金和鋁。但是金、銀太過昂貴，所以，目前散熱片主要由鋁和銅制成。相比較而言，銅和鋁合金二者同時各有其優(yōu)缺點：銅的導熱性好，但價格較貴，加工難度較高，重量過大，且銅制散熱器熱容量較小，而且容易氧化。另一方面純鋁太軟，不能直接使用，都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優(yōu)點是價格低廉，重量輕，但導熱性比銅就要差很多。二、系統(tǒng)的工作原理一般來說，在 CPU 的外部溫度上升到 50時，系統(tǒng)就會極其的不穩(wěn)定, 而Windows 系統(tǒng)的穩(wěn)定性就更差。而此時 CPU 內(nèi)部的溫度一般已經(jīng)達到了 80的高溫，這個溫度可以說是個警戒線了，如果溫度在升高的話是比較危險的，此時如果是散熱不當?shù)脑?，很有可能造?CPU 燒毀，因此加強散熱是很必要的。本設(shè)計是把風冷式散熱和水冷式散熱兩者結(jié)合起來，用一個封閉的水盒和一個銅制的風扇，希望可以達到兩者皆優(yōu)的目的。首先是 CPU 把熱量傳給銅制水盒進行散熱，在水盒來不急散熱的情況下在用銅制的風扇進行散熱，這樣能夠更好的散熱。工作原理：首先利用固定在水盒上的集成溫度傳感器 DS18B20 檢測 CPU 散熱片的溫度。當測得溫度值達到預設(shè)上限溫度(45)時,AT89S52 單片機控制的散熱片上的風扇(接在繼電器常開端 )會啟動，開始降溫。如果溫度不能降下來時則重起計算機。當溫度下降到下限溫度(20) 時， 繼電器斷開，風扇停止， 同時工作的 CPU 開始升溫， DS18B20 測得溫度達到上限值時啟動風扇 如此反復進行。三、系統(tǒng)的硬件構(gòu)成41系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)的硬件包括水盒(就是在 CPU 上面加一個密封的蓋子,其主要材料是銅，里面裝有水) , 溫度采集電路 (DS18B20) , AT89S52 主控制電路。2.系統(tǒng)的主要部件(1).水盒銅制四方形的封閉盒子里面裝有水，四周有固定的支架可以加固在機箱上，大小適中，可以和 CPU 緊密相連，主要是為了固定 CPU。使得 CPU 基本不受到風扇振動的影響，同時加大了散熱面積，使得 CPU 更好的散熱。(2).DS18B20 智能溫度傳感器DS18B20 溫度傳感器是美國 DALLAS 半導體公司推出一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程讀取 912 位數(shù)字溫度值。DS18B20 的性能特點如下： 適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5 V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電； 獨特的單線接口方式。與微處理器連接時僅需要一條線即可實現(xiàn)雙向通訊； DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫； DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件， 全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一只形如三極管的集成電路內(nèi)； 溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5； 可編程的分辨率為 912 位，對應的分辨率分別為 0.5、0.25、0.125 5和 0.062 5，可實現(xiàn)高精度測溫； 轉(zhuǎn)換時間為 93.75 ms（9 位）和 750 ms（12 位） ，對于一般的實時測溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠了；測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以單總線串行傳送給 CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力； 負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。(3).AT89S52 單片機AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。AT89S52 的性能特點如下： 與 MCS-51 單片機產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器； 1000 次擦寫周期； 全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz； 三級加密程序存儲器； 32 個可編程 I/O 口線； 三個 16 位定時器/計數(shù)器 ； 六個中斷源； 全雙工 UART 串行通道； 低功耗空閑和掉電模式； 掉電后中斷可喚醒； 看門狗定時器； 雙數(shù)據(jù)指針； 掉電標識符 。3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(1).主控電路、時鐘及復位電路由 AT89S52 單片機的 I/O 口控制繼電器的吸合與斷開，12V 風扇接在繼電器的6常開端。當溫度值達到預設(shè)上限溫度(45) 時, 啟動風扇，開始降溫。單片機復位電路原理是在單片機的復位引腳 RST 上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復位。當復位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復位有效。復位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。將晶振和匹配電容連接到單片機的晶振引腳上即構(gòu)成單片機的時鐘電路。(2).溫度采集電路 在設(shè)計電路時，要想使 DS18B20 能夠進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/0 線必須在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于 DS18B20 的工作電流達到了 1 mA，所以僅靠 4.7 K 上拉電阻提供電源是不行的，當幾只 DS18B20 掛在同一根 I/0 線上并同時想進行溫度轉(zhuǎn)換時，這個問題變得更加尖銳?？紤]到本系統(tǒng)只進行單點測量，故采用從 VDD 引腳接入一個外部電源的方法。(3).硬件電路圖系統(tǒng)整體硬件電路包括主控電路、時鐘電路、復位電路、溫度采集電路四部分。具體如下圖所示。系統(tǒng)硬件電路圖本電路先由 DS18B20 進行溫度的測量, 經(jīng)過 DS18B20 進行轉(zhuǎn)換后將溫度信號(數(shù)7字信號)傳給 AT89S52 單片機。單片機經(jīng)過分析處理后把要執(zhí)行的指令傳給風扇, 由風扇執(zhí)行命令進行操作。四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計AT89S52 是該散熱系統(tǒng)的核心部分，控制著溫度數(shù)據(jù)的讀取、繼電器的斷開與閉合以及指示燈的閃爍。DS18B20 負責溫度的轉(zhuǎn)換，在對其讀寫編程的時，必須嚴格地按照芯片手冊給出的時序圖，保證讀寫時間的順序，否則將無法讀取檢測的結(jié)果。其工作時序包括復位時序、 寫時序、 讀時序。若要讀出當前的溫度數(shù)據(jù)，則需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個周期為復位、跳過 ROM 指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待 500uS 溫度轉(zhuǎn)換時間。緊接著執(zhí)行第二個周期，依次為復位、跳過 ROM 指令、執(zhí)行讀 RAM 的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的程序流程圖為：8程序設(shè)計流程圖程序如下：#include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit LED = P00;sbit DQ = P17;9sbit RELAY = P24;uchar TPH;/存放溫度值的高字節(jié)uchar TPL;/存放溫度值的低字節(jié)float t; int Temp;/*毫秒級延時函數(shù)*/void DelayMS(uint ms)uchar t;while(ms-)for(t=0;t0;t-)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();10/*復位 DS18B20，讀取存在脈沖*/void DS18B20_Reset() bit ret=1;DQ=0;/拉低總線 Delayxus_DS18B20(32);/為保險起見，延時 495us DQ=1;/釋放總線 ，DS18B20 檢測到上升沿后會發(fā)送存在脈沖Delayxu