毕业设计39东华理工学院电脑温控器设计

东华理工学院 电子 CAD 课程设计 电 脑 温 控 器 设 计 专业：自动化 学号： 02312220 姓名：卢红平 指导：黄 河 日期： 2004-12-10 2 电脑温控器设计 高温是电子器件的大敌。 CPU 和电源盒是电脑的主要热源，因此，近来新上市的电脑主板都添加了一个很重要的功能，即温度监控功能，用以完成对 CPU和系统的温度检测和报警等。具体地说，电脑主板一般采用 LM75 和 LM78 两种芯片来完成温控功能。 LM75 固定在 CPU 下方，紧贴着 CPU，可测定 CPU 的工作温度 ，完成过热报警，实现自动降频，还可以与电脑通讯，在 BIOS 中实现有关参数的显示和设定。 LM78 的作用是监视系统温度，监视各组电源的电压，控制并显示电源风扇和 CPU 风扇的转动与否，实现转速调整，达到节能降噪目的。 遗憾的是，该技术普及应用仅一年左右，而一年之前出售的大量电脑，包括奔腾系统在内，都没有这一功能。正是这些较早期的电脑，是不少电脑爱好者 “改频升级 ”的主要对象。改频升级是以冒险高温使用 CPU 为前提的，没有这一功能的保护，改频升级 “如履薄冰 ”，即使跳线成功，也不敢放心使用。为此，笔者设计了一个简易的 温度监控系统来实现以上主要功能，收到了很好的效果。当然，这一系统的设计思路也是可以推广到其它应用领域的。 工作原理 电脑温控器的框图和电原理图分别如图 1和图 2所示。总的看来，它是一种监测温度、控制风扇、超高温报警的电路。它可用在 CPU上，又可用在电源盒上进行温度监控，只要把温度传感器（ BT）粘贴在 CPU或电源开关管的表面即可。电脑温控器以 40 和 80 作为两个温度界限。 40 是启动风扇的阈值点，低于40 时风扇不转，既节能又降噪，特别是在冬季，效果甚佳。 80 是为保险起见而设置的超高温报警点，超过此温度，喇 叭鸣响报警，这是电脑爱好者 “ 超频 ”使用 CPU所必不可少的。 电脑温控器的工作原理如下。集成温度传感器 BT 将 0 100 的温度量按 10mV度，线性地转换为 0 1V 的电压量。 0 1V 的电压量又经 IC1 的压频转换成 0 100Hz 的频率量送给后续的 2 位十进制计数电路 IC4。 IC4 的计数操作受它的 R 和 EN 两个控制端子的控制， 而这两个端子有受 ICB3 的 Q 和 的 控制。和 这两个端子在 2 秒的周期内交替输出各1 秒的高电平，这使得计数器也是以 2 秒为一个循环工作的，其中 =EN=1，在完整的 1 秒内进行计数并同时显示不断更新的数据，这个 1 秒结束， =EN=0，计数结束，跳变的数据停止跳变，保留为 1 秒终了时的最终值。而随着 Q 变为低电平， 端立即跳变为高电平，但是， 由于 R8C9 和 D 构成的 “单向延时积分环节 ”（取 =R8C90 8 秒）的存在， R 端仍要保持 约 0.5 秒的低电平时段才能升为高电平。在这个时段内， IC4 输出的 8421 码仍保留刚才 3 那个 1 秒终了时的值，因而数码管仍为原数据。这个 0.5 秒延时时段就用于读取数据，读完数据， R 升为高电平，计数器 IC4 被清零。等这个 1 秒结束时， Q 端重新跳变为低电平，由于二极管 D1 对 C9 电荷的泄放作用，导致 R 端电平迅速跟随 Q 端的跌落而变为低电平，使得下一个计数周期的 1 秒时段长度不受影响。这一过程的时序表达见图 3，这是整个电路的关键环节，它以最简洁的方式实现了一般频率计上必备的计数闸门控制、封锁双稳、显示单稳、复原单稳和辅助单稳的 功能 。 由以上分析可见，这里的 1秒脉冲的宽度是测量和控制精度的根本保证。因此，我们采用钟表内的 32768Hz的晶振，经过 IC2的 14级 2分频，然后再经过IC3的 2级 2分频，总计 216分频，获得频率为 0.5Hz、周期为 2秒的矩形波。这样，电路的测控精度将能得到充分保证。当然，因电路进行了数字化处理，对应的 “ 量化误差 ” 还是存在的。 电脑温控器电路的另一个重要环节是两个温度控制点的取出。由于计数电路IC4输出的 8421码每 2秒刷新一次，这给我们带来了很大方便。对于 40 阈值点，在 0 99 的计数范围内，只要取 出 IC4B 的 Q2位开始跳变为高电平的时刻即可，此时的十位上的 8421码是 “0100” ，对应的十进制数是 “4” 。由图 2可见，实际电路是用 IC7A来检测此跳变，并把它反相为负跳变后，送给后续的可重复单稳态触发器 IC8。 IC8接到这一跳变后 ， 3脚将能输出一个宽度略大于 2 秒的高电平 ， 接近 12V的直流电压被加给风扇 M1，驱动风扇运转降温。这里必须注意，利用三极管 T等元件把 IC8接成为 “ 输出脉宽大于 2秒的可重复式单稳态 ” 是大有用意的。由于 IC4的输出每秒刷新一次，若下一个 2秒到来时温度仍超过 40 ，该单稳 态电路仍能被触发，保持风扇的运转，直到某个时候，温度确实低于 40 了，风扇才会停转。至于危险温度点 80 的取出原理，与 40的相同，不再赘述。但取出 80 跳变后的高电平信号被用作闸门控制信号加到IC7B的一个端子 (5 脚 )，控制其另一个端子 (6脚 )上所接收到的 1kHz 信号能否通过 IC7B到达 BZ。由图 2可见， IC7B的 3 脚与是与 IC2的 Q5端子相接，得到的将是 32768/25=10241kHz 的音频信号。这样一来，一旦温度超过 80 ， 1kHz音频信号到达蜂鸣器 BZ，使其发出被 2Hz低频所调制的高频（ 1kHz）振荡声，表明监控对象已处于高温危险状态。 温度电压 (T V)转换器件与电压频率(V F)转换器件 电脑温控器电路中绝大部分元件采用的是各类资料上常见的廉价数字集成电路，本文不再赘述，只对进行 T V、 V F变换时所用到的 LM35D 和 LM331这两个器件作一介绍。 LM35D 由美国国家半导体公司开发的高精度集成电路温度传感器，价格低廉，已得到广泛应用。其主要原理是：当温度在 50 150 变化时，它能以 10mV 的线性变化率输出与摄氏温度成正比的电压量，实现温度到电压的转换。按图 2的单电源 接法，它可以实现 0 150 的测温，对应的输出电压是 0 1.5V，实际能被后级电路使用的输出电压范围约为 0.2 0.99V。该集成电路的检测精度可达 0.4 ，而且不需要对它自身作任何校准。它的电源适应性强，能在 4 30V范围内工作，所需的电流仅仅 60A ，这使得它因电流热效应 4 而产生的自身温升可以忽略不计。它的输出电阻一般低达 0 1 ，有很好的带负载能力。 LM35D常见的封装形式为 TO 92塑料封装，与三极管 9013类似。引脚向下，从字符面看自左至右各引脚依次为正电源端、输出端和接地端（测零下温度时 ，接地端要加上负电源），这种封装的 LM35D 可以很方便地装在发热体上，只要将它的字符所在的平面紧贴发热体上，用胶粘或弹簧钢片压紧即可。 LM331 是一个在电脑显示器上广泛应用的廉价精密型电压频率转换电路。相似的工控用芯片有 AD650等，后者价格要高得多。 LM331的主要特点有：V F的非线性误差小（ 0.01），电源适应能力强，允许单 5V使用， V F转换范围宽（ 1Hz 100kHz），温度稳定性好，输出负载能力强，能同时兼容 CMOS和TTL逻辑电平。 按图 2所示电路，当输入电压为 0.2 0.99V时，输出频率为 20 99Hz，可见整个电路在温度为 20 99 变化时，数码管示数是与之一一对应的 20 99，使用和读数都非常方便。 考虑到风扇的工作需要较大电流，其驱动用 555电路要选用双极型的。电路中 IC2是带振荡器的多级二进制分频器， C8 和 R7担负得电复位任务。由于 4066的分频级数仍嫌不够，因而用双 D触发器 4013 来接续分频，达到 216 分频的目的。计数部分采用了双十进制计数器 4518，它输出的个位和十位 8421 码由 IC5和 IC6译成为七段字符码，最终由简化接法的数码管显示出温度数值。 安装调试要 点 本电路可安装在电脑原有的显示主频值（或高低速 HI、 LO）的位置上。由于这一功能对现今的高主频电脑已经毫无意义了，所以现在的机箱上已不再配套这一电路。因此，我们正好可以直接从原电脑上此处拆下这一对数码管，用于本电路。原电脑的主频跳线可固定接成为高速状态。 电路大量采用了数字集成电路，需调试的地方很少。调试时，先取较多的热水（至少 1升），把 LM35D密封后置于水中，加热到 50多度后自然冷却，用精度较高的温度计监视水温的降落，到 50 瞬间，调整 VR1，使 IC1的 3脚电位为0 50V即可。然后，接通其他电 路，用该遥控器的数码显示进一步验证。如果出现数码跳动频繁，保持稳定读数的时间太短，则可以适当加大 R8或 C9的数值，但不可加大太多，否则会出现低温下示数却为 99的现象。最后调整 VR2，把水温降到 40 附近，在 40 稍偏低时，风扇应及时停转，反之，稍高于 40 时应启动，而且不得有转转停停的间歇现象。 最后，把电脑内多出的供硬盘使用的那种电源插头插到本电路的供电端 XS处，把温度传感器 LM35D布置妥当，把风扇的供电线接在本电路板上后，通电试机，您会惊讶地发现，开机后风扇不转了，可能要等老半天才有反应，而在冬 天，短时的开机根本就不再有那讨厌的风扇 “ 嗡嗡 ” 声，一个低噪、节能、安全的 “ 新电脑 ” 出现了。 5 设计总结 通过这次设计原理图和 PCB印制板的设计进一步加深了对 PROTEL DXP 的掌握和认识 ，但在设计中也出现了一些问题。在做原理的过程中，大部分元件可以从元件库中直接调用，有几个元件需要找到相似的，然自己改装或完全自己画出来才可以使用，例如： IC2 4060、 IC6 4511、尤其是 SMG、 BT、 BZ 元件。有些元件在原理图中可以改装，但有些不能，这就需要建立自己的元器件库才可用，为了调用元件的方便，就把需要改装 和制作的元件都集中到自己建的元器件库里面。还有在选用封装的时候要注意，我们知道一个元件在不同条件下可以使用不同的封装 ，根据本课题指定的 PCB板子小、元件多，所以应尽量使用占地面积较小的封装，找到所有元器件并指定了封装后，就可以画线了。 在画线完成原理图后，就需要分析原理图有无错误，对元件、网络进行分析、编译可以看到有提示错误和警告的信息，据此进行更正。我们还以指定错误的等级参数，例如分析后出现 4511 元件 3、 4PIN 的错误，但我们在原理图看到他们悬空的，类似的问题我们可以进行设定。在原理图分析更正无误后 就可以上传到PCB板子上了，上传过程看到没有错误提示，但是转换到 PCB上可以看到有些元件的引脚没有连到线，如： SMG元件，返回到原理图看到用总线连接的元件没有放置网络标号，改正后更新，可以看到出