AT89S52單片機(jī)的計(jì)算機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

自控課程設(shè)計(jì)基于 AT89S52 單片機(jī)的計(jì)算機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)其進(jìn)行散熱處理。而隨著 PC 計(jì)算能力的增強(qiáng)，功耗與散熱問(wèn)題日益成為不容回避的問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，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(shí)消耗的電能會(huì)有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為熱量。尤其對(duì) CPU 而言，如果用戶進(jìn)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(shuō)來(lái)，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱。所謂的被動(dòng)式散熱，是指通過(guò)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?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量，效果當(dāng)然大打折扣，常常用在那些對(duì)空間沒(méi)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(dòng)式散熱。對(duì)于個(gè)人使用的 PC 機(jī)來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)采取主動(dòng)式散熱方式，主動(dòng)式散熱就是通過(guò)風(fēng)扇等散熱設(shè)備強(qiáng)迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點(diǎn)是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。主動(dòng)式散熱，從散熱方式上細(xì)分，可以分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷、化學(xué)制冷等等。風(fēng)冷風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的散熱方式，相比較而言，也是較廉價(jià)的方式。風(fēng)冷散熱從2實(shí)質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)環(huán)境依賴(lài)比較高，例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。水冷水冷散熱是通過(guò)水在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境依賴(lài)小等等優(yōu)點(diǎn)。一套水冷散熱系統(tǒng)是由散熱器、 水管及一個(gè)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(shì), 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(jià)格要比風(fēng)冷式散熱系統(tǒng)要貴。而且安裝也相對(duì)麻煩一些，同時(shí)安裝時(shí)盡量按照說(shuō)明書(shū)指導(dǎo)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(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)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(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷就是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時(shí)產(chǎn)生溫差來(lái)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(gè)半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個(gè)制冷片由幾十個(gè)這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個(gè)表面形成一個(gè)溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對(duì)高溫端進(jìn)行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導(dǎo)體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，冷面溫度可以達(dá)到零下 10 以下，但是成本太高，而且可能會(huì)因溫度過(guò)低導(dǎo)致 CPU 結(jié)露造成短路，而且現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱??；瘜W(xué)制冷所謂化學(xué)制冷，就是使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)，利用它們?cè)谌诨臅r(shí)候吸收大量的熱量來(lái)降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見(jiàn)。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(dāng)然由于價(jià)格昂貴和持續(xù)時(shí)間太短，這個(gè)方法多見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)室或極端的超頻愛(ài)好者。散熱材料的選擇：一般說(shuō)來(lái)，普通風(fēng)冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對(duì)所選用的材料，希望其同時(shí)具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù)，從上可以看出，銀和銅是最好的導(dǎo)熱材料，其次是金和鋁。但是金、銀太過(guò)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(shí)各有其優(yōu)缺點(diǎn)：銅的導(dǎo)熱性好，但價(jià)格較貴，加工難度較高，重量過(guò)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(diǎn)是價(jià)格低廉，重量輕，但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。二、系統(tǒng)的工作原理一般來(lái)說(shuō)，在 CPU 的外部溫度上升到 50時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)極其的不穩(wěn)定, 而Windows 系統(tǒng)的穩(wěn)定性就更差。而此時(shí) CPU 內(nèi)部的溫度一般已經(jīng)達(dá)到了 80的高溫，這個(gè)溫度可以說(shuō)是個(gè)警戒線了，如果溫度在升高的話是比較危險(xiǎn)的，此時(shí)如果是散熱不當(dāng)?shù)脑挘苡锌赡茉斐?CPU 燒毀，因此加強(qiáng)散熱是很必要的。本設(shè)計(jì)是把風(fēng)冷式散熱和水冷式散熱兩者結(jié)合起來(lái)，用一個(gè)封閉的水盒和一個(gè)銅制的風(fēng)扇，希望可以達(dá)到兩者皆優(yōu)的目的。首先是 CPU 把熱量傳給銅制水盒進(jìn)行散熱，在水盒來(lái)不急散熱的情況下在用銅制的風(fēng)扇進(jìn)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(cè) CPU 散熱片的溫度。當(dāng)測(cè)得溫度值達(dá)到預(yù)設(shè)上限溫度(45)時(shí),AT89S52 單片機(jī)控制的散熱片上的風(fēng)扇(接在繼電器常開(kāi)端 )會(huì)啟動(dòng)，開(kāi)始降溫。如果溫度不能降下來(lái)時(shí)則重起計(jì)算機(jī)。當(dāng)溫度下降到下限溫度(20) 時(shí)， 繼電器斷開(kāi)，風(fēng)扇停止， 同時(shí)工作的 CPU 開(kāi)始升溫， DS18B20 測(cè)得溫度達(dá)到上限值時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇 如此反復(fù)進(jìn)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(gè)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(jī)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(fēng)扇振動(dòng)的影響，同時(shí)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(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司推出一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程讀取 912 位數(shù)字溫度值。DS18B20 的性能特點(diǎn)如下： 適應(yīng)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(dú)特的單線接口方式。與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊； DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)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(shí)精度為0.5； 可編程的分辨率為 912 位，對(duì)應(yīng)的分辨率分別為 0.5、0.25、0.125 5和 0.062 5，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫； 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 93.75 ms（9 位）和 750 ms（12 位） ，對(duì)于一般的實(shí)時(shí)測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠了；測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以單總線串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力； 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。(3).AT89S52 單片機(jī)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(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。AT89S52 的性能特點(diǎn)如下： 與 MCS-51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器； 1000 次擦寫(xiě)周期； 全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz； 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器； 32 個(gè)可編程 I/O 口線； 三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 ； 六個(gè)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(mén)狗定時(shí)器； 雙數(shù)據(jù)指針； 掉電標(biāo)識(shí)符 。3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)(1).主控電路、時(shí)鐘及復(fù)位電路由 AT89S52 單片機(jī)的 I/O 口控制繼電器的吸合與斷開(kāi)，12V 風(fēng)扇接在繼電器的6常開(kāi)端。當(dāng)溫度值達(dá)到預(yù)設(shè)上限溫度(45) 時(shí), 啟動(dòng)風(fēng)扇，開(kāi)始降溫。單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳 RST 上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)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(jī)的晶振引腳上即構(gòu)成單片機(jī)的時(shí)鐘電路。(2).溫度采集電路 在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要想使 DS18B20 能夠進(jìn)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(dá)到了 1 mA，所以僅靠 4.7 K 上拉電阻提供電源是不行的，當(dāng)幾只 DS18B20 掛在同一根 I/0 線上并同時(shí)想進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，這個(gè)問(wèn)題變得更加尖銳。考慮到本系統(tǒng)只進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，故采用從 VDD 引腳接入一個(gè)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(shí)鐘電路、復(fù)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(jìn)行溫度的測(cè)量, 經(jīng)過(guò) DS18B20 進(jìn)行轉(zhuǎn)換后將溫度信號(hào)(數(shù)7字信號(hào))傳給 AT89S52 單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析處理后把要執(zhí)行的指令傳給風(fēng)扇, 由風(fēng)扇執(zhí)行命令進(jìn)行操作。四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(kāi)與閉合以及指示燈的閃爍。DS18B20 負(fù)責(zé)溫度的轉(zhuǎn)換，在對(duì)其讀寫(xiě)編程的時(shí)，必須嚴(yán)格地按照芯片手冊(cè)給出的時(shí)序圖，保證讀寫(xiě)時(shí)間的順序，否則將無(wú)法讀取檢測(cè)的結(jié)果。其工作時(shí)序包括復(fù)位時(shí)序、 寫(xiě)時(shí)序、 讀時(shí)序。若要讀出當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)，則需要執(zhí)行兩次工作周期，第一個(gè)周期為復(fù)位、跳過(guò) ROM 指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器操作指令、等待 500uS 溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間。緊接著執(zhí)行第二個(gè)周期，依次為復(fù)位、跳過(guò) ROM 指令、執(zhí)行讀 RAM 的存儲(chǔ)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(jì)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(jí)延時(shí)函數(shù)*/void DelayMS(uint ms)uchar t;while(ms-)for(t=0;t0;t-)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();10/*復(fù)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(xiǎn)起見(jiàn)，延時(shí) 495us DQ=1;/釋放總線 ，DS18B20 檢測(cè)到上升沿后會(huì)發(fā)送存在脈沖Delayxu