AT89S52单片机的计算机散热系统设计毕业论文

自控课程设计基于 AT89S52 单片机的计算机散热系统设计一、引言众所周知，电子元器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性，要让 PC 各部件的工作温度保持在合理的范围内，除了保证 PC 工作环境的温度在合理范围内之外，还必须要对其进行散热处理。而随着 PC 计算能力的增强，功耗与散热问题日益成为不容回避的问题。一般说来，PC 内的热源大户包括 CPU、主板(南桥、北桥及 VRM 部分)、显卡以及其他部件如硬件、光驱等，它们工作时消耗的电能会有相当一部分转化为热量。尤其对 CPU 而言，如果用户进行了超频，其内部元件的发热量更是不可小觑，要保证其稳定地工作更必须有效地散热。否则，除了影响我们电脑的正常使用外，还可能让硬件出现损坏现象。一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源如 CPU 产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热。对于个人使用的 PC 机来说，绝大多数采取主动式散热方式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。主动式散热，从散热方式上细分，可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。风冷风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。风冷散热从2实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装方便等优点。但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。水冷水冷散热是通过水在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。一套水冷散热系统是由散热器、 水管及一个水泵组成。 散热器内部有多条水道, 这样可以充分发挥水冷的优势, 能带走更多的热量。但是水冷散热器所需的外围“ 支持系统” 非常庞大,价格要比风冷式散热系统要贵。而且安装也相对麻烦一些，同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。热管热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。半导体制冷半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下 10 以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致 CPU 结露造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。化学制冷所谓化学制冷，就是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下 20以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将 CPU 温度降到零3下 100以下（理论上） ，当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室或极端的超频爱好者。散热材料的选择：一般说来，普通风冷散热器自然要选择金属作为散热器的材料。对所选用的材料，希望其同时具有高比热和高热传导系数，从上可以看出，银和铜是最好的导热材料，其次是金和铝。但是金、银太过昂贵，所以，目前散热片主要由铝和铜制成。相比较而言，铜和铝合金二者同时各有其优缺点：铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大，且铜制散热器热容量较小，而且容易氧化。另一方面纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。二、系统的工作原理一般来说，在 CPU 的外部温度上升到 50时，系统就会极其的不稳定, 而Windows 系统的稳定性就更差。而此时 CPU 内部的温度一般已经达到了 80的高温，这个温度可以说是个警戒线了，如果温度在升高的话是比较危险的，此时如果是散热不当的话，很有可能造成 CPU 烧毁，因此加强散热是很必要的。本设计是把风冷式散热和水冷式散热两者结合起来，用一个封闭的水盒和一个铜制的风扇，希望可以达到两者皆优的目的。首先是 CPU 把热量传给铜制水盒进行散热，在水盒来不急散热的情况下在用铜制的风扇进行散热，这样能够更好的散热。工作原理：首先利用固定在水盒上的集成温度传感器 DS18B20 检测 CPU 散热片的温度。当测得温度值达到预设上限温度(45)时,AT89S52 单片机控制的散热片上的风扇(接在继电器常开端 )会启动，开始降温。如果温度不能降下来时则重起计算机。当温度下降到下限温度(20) 时， 继电器断开，风扇停止， 同时工作的 CPU 开始升温， DS18B20 测得温度达到上限值时启动风扇 如此反复进行。三、系统的硬件构成41系统的硬件结构系统的硬件结构框图本系统的硬件包括水盒(就是在 CPU 上面加一个密封的盖子,其主要材料是铜，里面装有水) , 温度采集电路 (DS18B20) , AT89S52 主控制电路。2.系统的主要部件(1).水盒铜制四方形的封闭盒子里面装有水，四周有固定的支架可以加固在机箱上，大小适中，可以和 CPU 紧密相连，主要是为了固定 CPU。使得 CPU 基本不受到风扇振动的影响，同时加大了散热面积，使得 CPU 更好的散热。(2).DS18B20 智能温度传感器DS18B20 温度传感器是美国 DALLAS 半导体公司推出一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程读取 912 位数字温度值。DS18B20 的性能特点如下： 适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5 V，在寄生电源方式下可由数据线供电； 独特的单线接口方式。与微处理器连接时仅需要一条线即可实现双向通讯； DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温； DS18B20 在使用中不需要任何外围元件， 全部传感元件及转换电路集成在一只形如三极管的集成电路内； 温范围55125，在-10+85时精度为0.5； 可编程的分辨率为 912 位，对应的分辨率分别为 0.5、0.25、0.125 5和 0.062 5，可实现高精度测温； 转换时间为 93.75 ms（9 位）和 750 ms（12 位） ，对于一般的实时测温系统已经足够了；测量结果直接输出数字温度信号，以单总线串行传送给 CPU，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力； 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。(3).AT89S52 单片机AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。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 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52 的性能特点如下： 与 MCS-51 单片机产品兼容； 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； 1000 次擦写周期； 全静态操作：0Hz-33MHz； 三级加密程序存储器； 32 个可编程 I/O 口线； 三个 16 位定时器/计数器 ； 六个中断源； 全双工 UART 串行通道； 低功耗空闲和掉电模式； 掉电后中断可唤醒； 看门狗定时器； 双数据指针； 掉电标识符 。3.系统的硬件设计(1).主控电路、时钟及复位电路由 AT89S52 单片机的 I/O 口控制继电器的吸合与断开，12V 风扇接在继电器的6常开端。当温度值达到预设上限温度(45) 时, 启动风扇，开始降温。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST 上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。将晶振和匹配电容连接到单片机的晶振引脚上即构成单片机的时钟电路。(2).温度采集电路 在设计电路时，要想使 DS18B20 能够进行精确的温度转换，I/0 线必须在转换期间保证供电。由于 DS18B20 的工作电流达到了 1 mA，所以仅靠 4.7 K 上拉电阻提供电源是不行的，当几只 DS18B20 挂在同一根 I/0 线上并同时想进行温度转换时，这个问题变得更加尖锐。考虑到本系统只进行单点测量，故采用从 VDD 引脚接入一个外部电源的方法。(3).硬件电路图系统整体硬件电路包括主控电路、时钟电路、复位电路、温度采集电路四部分。具体如下图所示。系统硬件电路图本电路先由 DS18B20 进行温度的测量, 经过 DS18B20 进行转换后将温度信号(数7字信号)传给 AT89S52 单片机。单片机经过分析处理后把要执行的指令传给风扇, 由风扇执行命令进行操作。四、系统的软件设计AT89S52 是该散热系统的核心部分，控制着温度数据的读取、继电器的断开与闭合以及指示灯的闪烁。DS18B20 负责温度的转换，在对其读写编程的时，必须严格地按照芯片手册给出的时序图，保证读写时间的顺序，否则将无法读取检测的结果。其工作时序包括复位时序、 写时序、 读时序。若要读出当前的温度数据，则需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过 ROM 指令、执行温度转换存储器操作指令、等待 500uS 温度转换时间。紧接着执行第二个周期，依次为复位、跳过 ROM 指令、执行读 RAM 的存储器操作指令、读数据。系统的程序流程图为：8程序设计流程图程序如下：#include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit LED = P00;sbit DQ = P17;9sbit RELAY = P24;uchar TPH;/存放温度值的高字节uchar TPL;/存放温度值的低字节float t; int Temp;/*毫秒级延时函数*/void DelayMS(uint ms)uchar t;while(ms-)for(t=0;t0;t-)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();10/*复位 DS18B20，读取存在脉冲*/void DS18B20_Reset() bit ret=1;DQ=0;/拉低总线 Delayxus_DS18B20(32);/为保险起见，延时 495us DQ=1;/释放总线 ，DS18B20 检测到上升沿后会发送存在脉冲Delayxu