智能控制的笔记本外置散热器

 0 引言

笔记本的硬件设计趋向于集成、轻薄，而越来越紧密的物理结构使得内部空间更加狭小。在运行过程中产生大量的热量，使得笔记本内部即使配备了风扇、散热器等散热装置，也不能够达到很好的散热效果。并且使用长时间后内部灰尘堆积，更加影响散热能力。而过高的内部温度可能导致笔记本死机或器件损坏、影响使用寿命。

1 系统总体设计

本文设计的智能控制的笔记本外置散热系统包括单片机控制模块、温度传感器模块、显示模块、电机驱动控制模块、上位机通信模块及涡轮分散散热模块组成。如图1所示。

2 系统工作原理

该系统通过温度传感器DS18B20获取周围环境温度并送到单片机，并通过单片机与上位机笔记本通信，获取计算机WMI(Windows Management Instrumentation，Windows管理规范)中CPU工作温度。

三种工作模式的工作过程，模式一：对比两种温度信息，当CPU工作温度超过周围环境温度30摄氏度时，启动散热器;模式二：当CPU工作温度达到70摄氏度时，启动散热器;另外，系统可以交由用户控制强制启动散热器，以达到去除灰尘和降温目的。系统工作模式、CPU工作温度及周围环境温度等信息都可以显示在显示屏上。当启动散热器时，系统必须由单片机控制，当单片机接到命令后，输出PWM控制信号使L298N驱动电路驱动涡轮风扇电机的转动。

3 主要模块介绍

3.1 单片机介绍及外围电路

STM32F103xx增强型系列使用ARM Correx—M332位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含多种通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。

I/O口中把GPIOA.3作为DS18B20数据采集端口。如图2所示，PA9(USART1 TX)、PA10(USART1 RX)做上位机通信口分别接MAX232芯片的IN输入与OUT输出引脚。PA、PB、PD、PE等端口部分引脚连接TFT液晶屏。

3. 2 驱动电路

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。本设计中使用12V电压驱动电机，使其能够达到较大功率，增强散热能力。其中单片机GPIOA.0连接L298N使能端ENA，控制电机转动开关;GPIOA.1复用PWM输出，连接L298N输入端IN1，输入端IN2接地，通过改变PWM输出的占空比从而控制电机转速。

4 程序设计

该系统软件模块较多，主要包括主程序、单片机与笔记本通信子程序、温度传感器模块、电机驱动子程序、液晶显示子程序等。

4.1 上位机程序设计及界面

本设计中的上位机通过Visual Basic编写完成，Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。

4.2 CPU温度获取

WMI，是Windows 2K/XP管理系统的核心，是一个描述操作系统构成单元的对象数据库，为MMC和脚本程序提供了一个访问操作系统构成单元的公共接口。

VB中通过检索WMI中的MSAcpi_Thermal ZoneTemperature类，查找其中数据成员CurrentTemperature，随后通过公式CPU_Temperature=(CltItem.CurrentTemperature-2732)/10计算得出当前CPU温度。但由于该数据更新只发生在开机时，而开启SpeedFan软件可以使得WMI中CPU温度数据不断被刷新。在VB中运用Timer定时器定时读取该数据从而获取实时CPU温度。

附程序如下：

4.3 散热模式设置

这一模块设计中设有风扇使能按钮并有三种散热模式，分别是1.手动调节模式2.根据CPU温度智能调节模式3.根据出分口温度智能调节模式。

风扇使能按钮通过改变风扇使能位，通过串口通信发送至单片机，改变GPIOA.0电平高低进而改变L298N使能端电平，达到控制电机开关的效果。

通过单选按钮可以切换三种散热模式：1.手动调节模式2.根据CPU温度智能调节模式3.根据出分口温度智能调节模式。

手动调节模式可通过拉动滚动条改变风扇速度值;根据CPU温度智能调节模式将当前CPU温度与风扇转速相对应，风扇速度值等于CPU温度值;根据出分风温度智能调节模式是通过获取DS18B20传感器所采集温度，风扇速度值等于该温度乘上比例系数2;通过串口将风扇速度发送至单片机并转化为PWM占空比，进而控制电机的转速。

4.4 串口通信

本设计中利用VB中MSComm控件可以很方便地与单片机进行串口通信。对该控件的串口号、波特率、数据位、验校位、停止位在VB界面中设计下拉选项就能快速进行设置。下面列举在本设计中涉及到的几个常用属性：

Commport：设置或返回串口号。

Settings：以字符串的形式设置或返回串口通信参数。

Portopen：设置或返回串口状态。

Inputlen：设置或返回一次从接收缓冲区中读取字节数。

InBufferSize：设置或返回接收缓冲区的大小，缺省值为1024字节。

Rthreshold：该属性为一阀值。

Output：向发送缓冲区发送数据，该属性设计时无效，运行时只读。

Inptut：从接收缓冲区中读取数据并清空该缓冲区，该属性设计时无效，运行时只读。

在程序运行中，通过定时器每隔1 s向单片机发送4项数据：风扇使能，散热模式，CPU温度，风扇速度。而单片机也每隔1 00ms向上位机发送DS18B20采集的温度数据。

4.5 PWM输出

在设计中使GPIOA.1输出PWM波，借助库函数对PWM初始化步骤包括：

1、开启TIM2时钟以及复用功能时钟，配置PA1为复用输出;

2、设置TIM2 CH2重映射到PA1上;

3、初始化TIM2，设置TIM2的ARR和PSC;

4、设置TIM2 CH2的PWM模式，使能TIM2的CH2输出;

5 使能TIM2。

本设计中TIM TimeBaseStructure.TIM_Period=900;

TIM TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=0;使得GPIOA.1输出频率7200/900=8Khz;

在主函数中调用TIM_SetCompare2(TIM2，uint16_t Compare2)，改变Compare2值便可以控制PWM输出频率。

4.6 DS18B20温度采集

DS18B20是DALLAS最新单线数字温度传感器的“一线器件”。是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。

STM32读取DS18B20温度数据过程中，首先将GPIOA.3端口时钟使能并配置为推挽输出。根据DS18B20的协议规定，微控制器控制DS18B20完成温度的转换必须经过以下4个步骤：DS18B20初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、处理数据。

初始化过程中，总线主机发出一个复位脉冲，接着由从属器件送出存在脉冲。存在脉冲让总线控制器知道DS1820在总线上且己准备好操作。

初始化过后，当需要读取DS18B20内温度信息时，按照以下操作：

1、主机发出复位操作并接收DS18B20的应答(存在)脉冲

2、主机发出跳过ROM操作命令(CCH)

3、主机发出转换温度操作命令(44H)

4、主机发出复位操作并接收DS18B20的应答(存在)脉冲

5、主机发出跳过ROM操作命令(CCH)

6、主机发出读取RAM的命令(BEH)

先读取低字节后读取高字节，按照高字节最高位判断温度正负，若最高位为1温度为负，对两个字节做取反操作，为0保持不变，随后进行温度转换。转换公式为：实际温度=(float)16位数据*0.625。

4.7 LCD液晶显示

TFT—LCD即薄膜晶体管液晶显示器。(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)。TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管(TFT)，可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。

本设计中TFT模块采用16位的并行方式与外部连接，相对8位的并行方式速度快一倍。在控制TFT液晶显示时，采用STM32的FSMC接口。

FSMC，即灵活的静态存储控制器，能够与同步或异步存储器和16位PC存储器卡接口，STM32的FSMC接口支持包括SRAM、NAND FLASH、NORFLASH和PSRAM等存储器。在本设计中用到的TFT液晶显示就是将TFTLCD当成SRAM来控制。通过对FSMC中寄存器的配置，可以在对TFT进行读写时自行模拟时序，从而大大简化了程序。

在程序运行中，TFTLCD每隔100ms刷新显示数据，包括散热模式、风扇使能、风扇速度、CPU温度、出风口温度等信息，让用户直观地了解散热情况。

本设计运用Keil-MDK集成编译环境进行单片机程序设计，MDK是一个集代码编辑，编译，链接和下载于一体的集成开发环境(KDE)，并且运用STM32库函数能使编程设计更加方便快捷。

STM32库是由ST公司针对STM32提供的函数接口，即API(Application Program Interface)，开发者可调用这些函数接口来配置STM32的寄存器，使开发人员得以脱离最底层的寄存器操作，有开发快速，易于阅读，维护成本低等优点。

5 结束语

本设计在实际散热测试中，最多能达到降温15度的效果，并可选择多种模式灵活适应不同环境的需要。并采用抽风式散热，有力减少笔记本内部的灰层堆积，减少高温对笔记本内部器件的损坏。

同时该智能散热系统还存在不足。主要有三方面，第一方面，风扇散热期间响声较大，造成噪声污染，可以考虑改进涡轮风扇物理结构或添加润滑剂减少噪音;第二方面，成本较高，在推广成商品时，可以适当降低硬件配置，例如采用较为便宜的单片机以及液晶显示;第三方面，在采集CPU温度时，依赖第三方软件，可改进为C#编译上位机，独立从硬件中读取温度信息。