畢業(yè)設計39東華理工學院電腦溫控器設計

東華理工學院 電子 CAD 課程設計 電 腦 溫 控 器 設 計 專業(yè)：自動化 學號： 02312220 姓名：盧紅平 指導：黃 河 日期： 2004-12-10 2 電腦溫控器設計 高溫是電子器件的大敵。 CPU 和電源盒是電腦的主要熱源，因此，近來新上市的電腦主板都添加了一個很重要的功能，即溫度監(jiān)控功能，用以完成對 CPU和系統(tǒng)的溫度檢測和報警等。具體地說，電腦主板一般采用 LM75 和 LM78 兩種芯片來完成溫控功能。 LM75 固定在 CPU 下方，緊貼著 CPU，可測定 CPU 的工作溫度 ，完成過熱報警，實現(xiàn)自動降頻，還可以與電腦通訊，在 BIOS 中實現(xiàn)有關參數(shù)的顯示和設定。 LM78 的作用是監(jiān)視系統(tǒng)溫度，監(jiān)視各組電源的電壓，控制并顯示電源風扇和 CPU 風扇的轉動與否，實現(xiàn)轉速調整，達到節(jié)能降噪目的。 遺憾的是，該技術普及應用僅一年左右，而一年之前出售的大量電腦，包括奔騰系統(tǒng)在內，都沒有這一功能。正是這些較早期的電腦，是不少電腦愛好者 “改頻升級 ”的主要對象。改頻升級是以冒險高溫使用 CPU 為前提的，沒有這一功能的保護，改頻升級 “如履薄冰 ”，即使跳線成功，也不敢放心使用。為此，筆者設計了一個簡易的 溫度監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)以上主要功能，收到了很好的效果。當然，這一系統(tǒng)的設計思路也是可以推廣到其它應用領域的。 工作原理 電腦溫控器的框圖和電原理圖分別如圖 1和圖 2所示?？偟目磥?，它是一種監(jiān)測溫度、控制風扇、超高溫報警的電路。它可用在 CPU上，又可用在電源盒上進行溫度監(jiān)控，只要把溫度傳感器（ BT）粘貼在 CPU或電源開關管的表面即可。電腦溫控器以 40 和 80 作為兩個溫度界限。 40 是啟動風扇的閾值點，低于40 時風扇不轉，既節(jié)能又降噪，特別是在冬季，效果甚佳。 80 是為保險起見而設置的超高溫報警點，超過此溫度，喇 叭鳴響報警，這是電腦愛好者 “ 超頻 ”使用 CPU所必不可少的。 電腦溫控器的工作原理如下。集成溫度傳感器 BT 將 0 100 的溫度量按 10mV度，線性地轉換為 0 1V 的電壓量。 0 1V 的電壓量又經 IC1 的壓頻轉換成 0 100Hz 的頻率量送給后續(xù)的 2 位十進制計數(shù)電路 IC4。 IC4 的計數(shù)操作受它的 R 和 EN 兩個控制端子的控制， 而這兩個端子有受 ICB3 的 Q 和 的 控制。和 這兩個端子在 2 秒的周期內交替輸出各1 秒的高電平，這使得計數(shù)器也是以 2 秒為一個循環(huán)工作的，其中 =EN=1，在完整的 1 秒內進行計數(shù)并同時顯示不斷更新的數(shù)據(jù)，這個 1 秒結束， =EN=0，計數(shù)結束，跳變的數(shù)據(jù)停止跳變，保留為 1 秒終了時的最終值。而隨著 Q 變?yōu)榈碗娖剑?端立即跳變?yōu)楦唠娖?，但是?由于 R8C9 和 D 構成的 “單向延時積分環(huán)節(jié) ”（取 =R8C90 8 秒）的存在， R 端仍要保持 約 0.5 秒的低電平時段才能升為高電平。在這個時段內， IC4 輸出的 8421 碼仍保留剛才 3 那個 1 秒終了時的值，因而數(shù)碼管仍為原數(shù)據(jù)。這個 0.5 秒延時時段就用于讀取數(shù)據(jù)，讀完數(shù)據(jù)， R 升為高電平，計數(shù)器 IC4 被清零。等這個 1 秒結束時， Q 端重新跳變?yōu)榈碗娖?，由于二極管 D1 對 C9 電荷的泄放作用，導致 R 端電平迅速跟隨 Q 端的跌落而變?yōu)榈碗娖?，使得下一個計數(shù)周期的 1 秒時段長度不受影響。這一過程的時序表達見圖 3，這是整個電路的關鍵環(huán)節(jié)，它以最簡潔的方式實現(xiàn)了一般頻率計上必備的計數(shù)閘門控制、封鎖雙穩(wěn)、顯示單穩(wěn)、復原單穩(wěn)和輔助單穩(wěn)的 功能 。 由以上分析可見，這里的 1秒脈沖的寬度是測量和控制精度的根本保證。因此，我們采用鐘表內的 32768Hz的晶振，經過 IC2的 14級 2分頻，然后再經過IC3的 2級 2分頻，總計 216分頻，獲得頻率為 0.5Hz、周期為 2秒的矩形波。這樣，電路的測控精度將能得到充分保證。當然，因電路進行了數(shù)字化處理，對應的 “ 量化誤差 ” 還是存在的。 電腦溫控器電路的另一個重要環(huán)節(jié)是兩個溫度控制點的取出。由于計數(shù)電路IC4輸出的 8421碼每 2秒刷新一次，這給我們帶來了很大方便。對于 40 閾值點，在 0 99 的計數(shù)范圍內，只要取 出 IC4B 的 Q2位開始跳變?yōu)楦唠娖降臅r刻即可，此時的十位上的 8421碼是 “0100” ，對應的十進制數(shù)是 “4” 。由圖 2可見，實際電路是用 IC7A來檢測此跳變，并把它反相為負跳變后，送給后續(xù)的可重復單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 IC8。 IC8接到這一跳變后 ， 3腳將能輸出一個寬度略大于 2 秒的高電平 ， 接近 12V的直流電壓被加給風扇 M1，驅動風扇運轉降溫。這里必須注意，利用三極管 T等元件把 IC8接成為 “ 輸出脈寬大于 2秒的可重復式單穩(wěn)態(tài) ” 是大有用意的。由于 IC4的輸出每秒刷新一次，若下一個 2秒到來時溫度仍超過 40 ，該單穩(wěn) 態(tài)電路仍能被觸發(fā)，保持風扇的運轉，直到某個時候，溫度確實低于 40 了，風扇才會停轉。至于危險溫度點 80 的取出原理，與 40的相同，不再贅述。但取出 80 跳變后的高電平信號被用作閘門控制信號加到IC7B的一個端子 (5 腳 )，控制其另一個端子 (6腳 )上所接收到的 1kHz 信號能否通過 IC7B到達 BZ。由圖 2可見， IC7B的 3 腳與是與 IC2的 Q5端子相接，得到的將是 32768/25=10241kHz 的音頻信號。這樣一來，一旦溫度超過 80 ， 1kHz音頻信號到達蜂鳴器 BZ，使其發(fā)出被 2Hz低頻所調制的高頻（ 1kHz）振蕩聲，表明監(jiān)控對象已處于高溫危險狀態(tài)。 溫度電壓 (T V)轉換器件與電壓頻率(V F)轉換器件 電腦溫控器電路中絕大部分元件采用的是各類資料上常見的廉價數(shù)字集成電路，本文不再贅述，只對進行 T V、 V F變換時所用到的 LM35D 和 LM331這兩個器件作一介紹。 LM35D 由美國國家半導體公司開發(fā)的高精度集成電路溫度傳感器，價格低廉，已得到廣泛應用。其主要原理是：當溫度在 50 150 變化時，它能以 10mV 的線性變化率輸出與攝氏溫度成正比的電壓量，實現(xiàn)溫度到電壓的轉換。按圖 2的單電源 接法，它可以實現(xiàn) 0 150 的測溫，對應的輸出電壓是 0 1.5V，實際能被后級電路使用的輸出電壓范圍約為 0.2 0.99V。該集成電路的檢測精度可達 0.4 ，而且不需要對它自身作任何校準。它的電源適應性強，能在 4 30V范圍內工作，所需的電流僅僅 60A ，這使得它因電流熱效應 4 而產生的自身溫升可以忽略不計。它的輸出電阻一般低達 0 1 ，有很好的帶負載能力。 LM35D常見的封裝形式為 TO 92塑料封裝，與三極管 9013類似。引腳向下，從字符面看自左至右各引腳依次為正電源端、輸出端和接地端（測零下溫度時 ，接地端要加上負電源），這種封裝的 LM35D 可以很方便地裝在發(fā)熱體上，只要將它的字符所在的平面緊貼發(fā)熱體上，用膠粘或彈簧鋼片壓緊即可。 LM331 是一個在電腦顯示器上廣泛應用的廉價精密型電壓頻率轉換電路。相似的工控用芯片有 AD650等，后者價格要高得多。 LM331的主要特點有：V F的非線性誤差?。?0.01），電源適應能力強，允許單 5V使用， V F轉換范圍寬（ 1Hz 100kHz），溫度穩(wěn)定性好，輸出負載能力強，能同時兼容 CMOS和TTL邏輯電平。 按圖 2所示電路，當輸入電壓為 0.2 0.99V時，輸出頻率為 20 99Hz，可見整個電路在溫度為 20 99 變化時，數(shù)碼管示數(shù)是與之一一對應的 20 99，使用和讀數(shù)都非常方便。 考慮到風扇的工作需要較大電流，其驅動用 555電路要選用雙極型的。電路中 IC2是帶振蕩器的多級二進制分頻器， C8 和 R7擔負得電復位任務。由于 4066的分頻級數(shù)仍嫌不夠，因而用雙 D觸發(fā)器 4013 來接續(xù)分頻，達到 216 分頻的目的。計數(shù)部分采用了雙十進制計數(shù)器 4518，它輸出的個位和十位 8421 碼由 IC5和 IC6譯成為七段字符碼，最終由簡化接法的數(shù)碼管顯示出溫度數(shù)值。 安裝調試要 點 本電路可安裝在電腦原有的顯示主頻值（或高低速 HI、 LO）的位置上。由于這一功能對現(xiàn)今的高主頻電腦已經毫無意義了，所以現(xiàn)在的機箱上已不再配套這一電路。因此，我們正好可以直接從原電腦上此處拆下這一對數(shù)碼管，用于本電路。原電腦的主頻跳線可固定接成為高速狀態(tài)。 電路大量采用了數(shù)字集成電路，需調試的地方很少。調試時，先取較多的熱水（至少 1升），把 LM35D密封后置于水中，加熱到 50多度后自然冷卻，用精度較高的溫度計監(jiān)視水溫的降落，到 50 瞬間，調整 VR1，使 IC1的 3腳電位為0 50V即可。然后，接通其他電 路，用該遙控器的數(shù)碼顯示進一步驗證。如果出現(xiàn)數(shù)碼跳動頻繁，保持穩(wěn)定讀數(shù)的時間太短，則可以適當加大 R8或 C9的數(shù)值，但不可加大太多，否則會出現(xiàn)低溫下示數(shù)卻為 99的現(xiàn)象。最后調整 VR2，把水溫降到 40 附近，在 40 稍偏低時，風扇應及時停轉，反之，稍高于 40 時應啟動，而且不得有轉轉停停的間歇現(xiàn)象。 最后，把電腦內多出的供硬盤使用的那種電源插頭插到本電路的供電端 XS處，把溫度傳感器 LM35D布置妥當，把風扇的供電線接在本電路板上后，通電試機，您會驚訝地發(fā)現(xiàn)，開機后風扇不轉了，可能要等老半天才有反應，而在冬 天，短時的開機根本就不再有那討厭的風扇 “ 嗡嗡 ” 聲，一個低噪、節(jié)能、安全的 “ 新電腦 ” 出現(xiàn)了。 5 設計總結 通過這次設計原理圖和 PCB印制板的設計進一步加深了對 PROTEL DXP 的掌握和認識 ，但在設計中也出現(xiàn)了一些問題。在做原理的過程中，大部分元件可以從元件庫中直接調用，有幾個元件需要找到相似的，然自己改裝或完全自己畫出來才可以使用，例如： IC2 4060、 IC6 4511、尤其是 SMG、 BT、 BZ 元件。有些元件在原理圖中可以改裝，但有些不能，這就需要建立自己的元器件庫才可用，為了調用元件的方便，就把需要改裝 和制作的元件都集中到自己建的元器件庫里面。還有在選用封裝的時候要注意，我們知道一個元件在不同條件下可以使用不同的封裝 ，根據(jù)本課題指定的 PCB板子小、元件多，所以應盡量使用占地面積較小的封裝，找到所有元器件并指定了封裝后，就可以畫線了。 在畫線完成原理圖后，就需要分析原理圖有無錯誤，對元件、網(wǎng)絡進行分析、編譯可以看到有提示錯誤和警告的信息，據(jù)此進行更正。我們還以指定錯誤的等級參數(shù)，例如分析后出現(xiàn) 4511 元件 3、 4PIN 的錯誤，但我們在原理圖看到他們懸空的，類似的問題我們可以進行設定。在原理圖分析更正無誤后 就可以上傳到PCB板子上了，上傳過程看到沒有錯誤提示，但是轉換到 PCB上可以看到有些元件的引腳沒有連到線，如： SMG元件，返回到原理圖看到用總線連接的元件沒有放置網(wǎng)絡標號，改正后更新，可以看到出