東華理工學(xué)院 電子 CAD 課程設(shè)計(jì) 電 腦 溫 控 器 設(shè) 計(jì) 專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化 學(xué)號(hào)： 02312220 姓名：盧紅平 指導(dǎo)：黃 河 日期： 2004-12-10 2 電腦溫控器設(shè)計(jì) 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(lái)新上市的電腦主板都添加了一個(gè)很重要的功能，即溫度監(jiān)控功能，用以完成對(duì) CPU和系統(tǒng)的溫度檢測(cè)和報(bào)警等。具體地說(shuō)，電腦主板一般采用 LM75 和 LM78 兩種芯片來(lái)完成溫控功能。 LM75 固定在 CPU 下方，緊貼著 CPU，可測(cè)定 CPU 的工作溫度 ，完成過(guò)熱報(bào)警，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)降頻，還可以與電腦通訊，在 BIOS 中實(shí)現(xiàn)有關(guān)參數(shù)的顯示和設(shè)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(fēng)扇和 CPU 風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)與否，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整，達(dá)到節(jié)能降噪目的。 遺憾的是，該技術(shù)普及應(yīng)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(nèi)，都沒(méi)有這一功能。正是這些較早期的電腦，是不少電腦愛(ài)好者 “改頻升級(jí) ”的主要對(duì)象。改頻升級(jí)是以冒險(xiǎn)高溫使用 CPU 為前提的，沒(méi)有這一功能的保護(hù)，改頻升級(jí) “如履薄冰 ”，即使跳線成功，也不敢放心使用。為此，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易的 溫度監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)以上主要功能，收到了很好的效果。當(dāng)然，這一系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路也是可以推廣到其它應(yīng)用領(lǐng)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?lái)，它是一種監(jiān)測(cè)溫度、控制風(fēng)扇、超高溫報(bào)警的電路。它可用在 CPU上，又可用在電源盒上進(jìn)行溫度監(jiān)控，只要把溫度傳感器（ BT）粘貼在 CPU或電源開(kāi)關(guān)管的表面即可。電腦溫控器以 40 和 80 作為兩個(gè)溫度界限。 40 是啟動(dòng)風(fēng)扇的閾值點(diǎn)，低于40 時(shí)風(fēng)扇不轉(zhuǎn)，既節(jié)能又降噪，特別是在冬季，效果甚佳。 80 是為保險(xiǎn)起見(jiàn)而設(shè)置的超高溫報(bào)警點(diǎn)，超過(guò)此溫度，喇 叭鳴響報(bào)警，這是電腦愛(ài)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(zhuǎn)換為 0 1V 的電壓量。 0 1V 的電壓量又經(jīng) IC1 的壓頻轉(zhuǎn)換成 0 100Hz 的頻率量送給后續(xù)的 2 位十進(jìn)制計(jì)數(shù)電路 IC4。 IC4 的計(jì)數(shù)操作受它的 R 和 EN 兩個(gè)控制端子的控制， 而這兩個(gè)端子有受 ICB3 的 Q 和 的 控制。和 這兩個(gè)端子在 2 秒的周期內(nèi)交替輸出各1 秒的高電平，這使得計(jì)數(shù)器也是以 2 秒為一個(gè)循環(huán)工作的，其中 =EN=1，在完整的 1 秒內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)并同時(shí)顯示不斷更新的數(shù)據(jù)，這個(gè) 1 秒結(jié)束， =EN=0，計(jì)數(shù)結(jié)束，跳變的數(shù)據(jù)停止跳變，保留為 1 秒終了時(shí)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(gòu)成的 “單向延時(shí)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(shí)段才能升為高電平。在這個(gè)時(shí)段內(nèi)， IC4 輸出的 8421 碼仍保留剛才 3 那個(gè) 1 秒終了時(shí)的值，因而數(shù)碼管仍為原數(shù)據(jù)。這個(gè) 0.5 秒延時(shí)時(shí)段就用于讀取數(shù)據(jù)，讀完數(shù)據(jù)， R 升為高電平，計(jì)數(shù)器 IC4 被清零。等這個(gè) 1 秒結(jié)束時(shí)， Q 端重新跳變?yōu)榈碗娖?，由于二極管 D1 對(duì) C9 電荷的泄放作用，導(dǎo)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(gè)計(jì)數(shù)周期的 1 秒時(shí)段長(zhǎng)度不受影響。這一過(guò)程的時(shí)序表達(dá)見(jiàn)圖 3，這是整個(gè)電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它以最簡(jiǎn)潔的方式實(shí)現(xiàn)了一般頻率計(jì)上必備的計(jì)數(shù)閘門(mén)控制、封鎖雙穩(wěn)、顯示單穩(wěn)、復(fù)原單穩(wěn)和輔助單穩(wěn)的 功能 。 由以上分析可見(jiàn)，這里的 1秒脈沖的寬度是測(cè)量和控制精度的根本保證。因此，我們采用鐘表內(nèi)的 32768Hz的晶振，經(jīng)過(guò) IC2的 14級(jí) 2分頻，然后再經(jīng)過(guò)IC3的 2級(jí) 2分頻，總計(jì) 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(cè)控精度將能得到充分保證。當(dāng)然，因電路進(jìn)行了數(shù)字化處理，對(duì)應(yīng)的 “ 量化誤差 ” 還是存在的。 電腦溫控器電路的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)是兩個(gè)溫度控制點(diǎn)的取出。由于計(jì)數(shù)電路IC4輸出的 8421碼每 2秒刷新一次，這給我們帶來(lái)了很大方便。對(duì)于 40 閾值點(diǎn)，在 0 99 的計(jì)數(shù)范圍內(nèi)，只要取 出 IC4B 的 Q2位開(kāi)始跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)刻即可，此時(shí)的十位上的 8421碼是 “0100” ，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)是 “4” 。由圖 2可見(jiàn)，實(shí)際電路是用 IC7A來(lái)檢測(cè)此跳變，并把它反相為負(fù)跳變后，送給后續(xù)的可重復(fù)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(gè)寬度略大于 2 秒的高電平 ， 接近 12V的直流電壓被加給風(fēng)扇 M1，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)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(fù)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(gè) 2秒到來(lái)時(shí)溫度仍超過(guò) 40 ，該單穩(wěn) 態(tài)電路仍能被觸發(fā)，保持風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)，直到某個(gè)時(shí)候，溫度確實(shí)低于 40 了，風(fēng)扇才會(huì)停轉(zhuǎn)。至于危險(xiǎn)溫度點(diǎn) 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(hào)被用作閘門(mén)控制信號(hào)加到IC7B的一個(gè)端子 (5 腳 )，控制其另一個(gè)端子 (6腳 )上所接收到的 1kHz 信號(hào)能否通過(guò) IC7B到達(dá) BZ。由圖 2可見(jiàn)， 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(hào)。這樣一來(lái)，一旦溫度超過(guò) 80 ， 1kHz音頻信號(hào)到達(dá)蜂鳴器 BZ，使其發(fā)出被 2Hz低頻所調(diào)制的高頻（ 1kHz）振蕩聲，表明監(jiān)控對(duì)象已處于高溫危險(xiǎn)狀態(tài)。 溫度電壓 (T V)轉(zhuǎn)換器件與電壓頻率(V F)轉(zhuǎn)換器件 電腦溫控器電路中絕大部分元件采用的是各類(lèi)資料上常見(jiàn)的廉價(jià)數(shù)字集成電路，本文不再贅述，只對(duì)進(jìn)行 T V、 V F變換時(shí)所用到的 LM35D 和 LM331這兩個(gè)器件作一介紹。 LM35D 由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的高精度集成電路溫度傳感器，價(jià)格低廉，已得到廣泛應(yīng)用。其主要原理是：當(dāng)溫度在 50 150 變化時(shí)，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(shí)現(xiàn)溫度到電壓的轉(zhuǎn)換。按圖 2的單電源 接法，它可以實(shí)現(xiàn) 0 150 的測(cè)溫，對(duì)應(yīng)的輸出電壓是 0 1.5V，實(shí)際能被后級(jí)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(cè)精度可達(dá) 0.4 ，而且不需要對(duì)它自身作任何校準(zhǔn)。它的電源適應(yīng)性強(qiáng)，能在 4 30V范圍內(nèi)工作，所需的電流僅僅 60A ，這使得它因電流熱效應(yīng) 4 而產(chǎn)生的自身溫升可以忽略不計(jì)。它的輸出電阻一般低達(dá) 0 1 ，有很好的帶負(fù)載能力。 LM35D常見(jiàn)的封裝形式為 TO 92塑料封裝，與三極管 9013類(lèi)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(cè)零下溫度時(shí) ，接地端要加上負(fù)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(gè)在電腦顯示器上廣泛應(yīng)用的廉價(jià)精密型電壓頻率轉(zhuǎn)換電路。相似的工控用芯片有 AD650等，后者價(jià)格要高得多。 LM331的主要特點(diǎn)有：V F的非線性誤差小（ 0.01），電源適應(yīng)能力強(qiáng)，允許單 5V使用， V F轉(zhuǎn)換范圍寬（ 1Hz 100kHz），溫度穩(wěn)定性好，輸出負(fù)載能力強(qiáng)，能同時(shí)兼容 CMOS和TTL邏輯電平。 按圖 2所示電路，當(dāng)輸入電壓為 0.2 0.99V時(shí)，輸出頻率為 20 99Hz，可見(jiàn)整個(gè)電路在溫度為 20 99 變化時(shí)，數(shù)碼管示數(shù)是與之一一對(duì)應(yīng)的 20 99，使用和讀數(shù)都非常方便。 考慮到風(fēng)扇的工作需要較大電流，其驅(qū)動(dòng)用 555電路要選用雙極型的。電路中 IC2是帶振蕩器的多級(jí)二進(jìn)制分頻器， C8 和 R7擔(dān)負(fù)得電復(fù)位任務(wù)。由于 4066的分頻級(jí)數(shù)仍嫌不夠，因而用雙 D觸發(fā)器 4013 來(lái)接續(xù)分頻，達(dá)到 216 分頻的目的。計(jì)數(shù)部分采用了雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 4518，它輸出的個(gè)位和十位 8421 碼由 IC5和 IC6譯成為七段字符碼，最終由簡(jiǎn)化接法的數(shù)碼管顯示出溫度數(shù)值。 安裝調(diào)試要 點(diǎn) 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(duì)現(xiàn)今的高主頻電腦已經(jīng)毫無(wú)意義了，所以現(xiàn)在的機(jī)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(duì)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(diào)試的地方很少。調(diào)試時(shí)，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(jì)監(jiān)視水溫的降落，到 50 瞬間，調(diào)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(jìn)一步驗(yàn)證。如果出現(xiàn)數(shù)碼跳動(dòng)頻繁，保持穩(wěn)定讀數(shù)的時(shí)間太短，則可以適當(dāng)加大 R8或 C9的數(shù)值，但不可加大太多，否則會(huì)出現(xiàn)低溫下示數(shù)卻為 99的現(xiàn)象。最后調(diào)整 VR2，把水溫降到 40 附近，在 40 稍偏低時(shí)，風(fēng)扇應(yīng)及時(shí)停轉(zhuǎn)，反之，稍高于 40 時(shí)應(yīng)啟動(dòng)，而且不得有轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)停停的間歇現(xiàn)象。 最后，把電腦內(nèi)多出的供硬盤(pán)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(dāng)，把風(fēng)扇的供電線接在本電路板上后，通電試機(jī)，您會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，開(kāi)機(jī)后風(fēng)扇不轉(zhuǎn)了，可能要等老半天才有反應(yīng)，而在冬 天，短時(shí)的開(kāi)機(jī)根本就不再有那討厭的風(fēng)扇 “ 嗡嗡 ” 聲，一個(gè)低噪、節(jié)能、安全的 “ 新電腦 ” 出現(xiàn)了。 5 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)這次設(shè)計(jì)原理圖和 PCB印制板的設(shè)計(jì)進(jìn)一步加深了對(duì) PROTEL DXP 的掌握和認(rèn)識(shí) ，但在設(shè)計(jì)中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題。在做原理的過(guò)程中，大部分元件可以從元件庫(kù)中直接調(diào)用，有幾個(gè)元件需要找到相似的，然自己改裝或完全自己畫(huà)出來(lái)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(kù)才可用，為了調(diào)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(kù)里面。還有在選用封裝的時(shí)候要注意，我們知道一個(gè)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(yīng)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(huà)線了。 在畫(huà)線完成原理圖后，就需要分析原理圖有無(wú)錯(cuò)誤，對(duì)元件、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析、編譯可以看到有提示錯(cuò)誤和警告的信息，據(jù)此進(jìn)行更正。我們還以指定錯(cuò)誤的等級(jí)參數(shù)，例如分析后出現(xiàn) 4511 元件 3、 4PIN 的錯(cuò)誤，但我們?cè)谠韴D看到他們懸空的，類(lèi)似的問(wèn)題我們可以進(jìn)行設(shè)定。在原理圖分析更正無(wú)誤后 就可以上傳到PCB板子上了，上傳過(guò)程看到?jīng)]有錯(cuò)誤提示，但是轉(zhuǎn)換到 PCB上可以看到有些元件的引腳沒(méi)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(méi)有放置網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，改正后更新，可以看到出