面向便携式计算机的外置智能散热器控制系统设计文献综述
- 引言
随着时代的发展，便携式计算机越来越广泛和深入地渗透到了人们的日常生活中， 越来越多的人将便携式计算机应用于工作和生活中, 并已覆盖到了几乎所有的领域。随着移动芯片技术及其性能的提升，便携式计算机多采用高频率双核CPU处理器、大容量高转速硬盘、高显存显卡、大容量内存等，电子元件的工作频率及功耗也随之上升，这就导致了电子元件在工作中释放出比以往更多的热量，而热量的产生和释放，关系到整个计算机系统的稳定性及产品的使用寿命[1]。在电子设备中，每一个运行的具有一定电阻值的元件都是一个内部的发热源，元件产生的热量会导致整个系统的温度升高及热应力的增加，进而影响到元件、主板及组件设备在高温下的可靠性，甚至会影响到设备的使用寿命，即产生所谓的“热致失效”[2]。因此对便携式计算机来说，在性能与体积的矛盾中，散热成为非常关键的一环，便携式计算机的散热性能一直是人们重点关注的项目同时也是一个瓶颈[3]。便携式计算机内部虽然配备了散热装置，但在现今市场便携性及高性能的趋势之下，单靠内部散热系统已然不够，因此稳定而又有效的外置散热系统势必会是一个非常关键的技术问题。
- 便携式计算机外置散热器国内外研究
早期，为了弥补便携式计算机内置风扇散热能力的不足，防止内部系统因温度过高而出现问题，人们设计了笔记本散热底座，然而这种散热底座几乎全都致力于散热材料以及形状的设计，是被动散热型机器，属于“傻瓜型”机器，这种散热系统功能单一，上电后风扇始终保持最高转速并伴有持续的噪音，不但浪费能源，而且无法直观的衡量散热效果的好坏[3]。近年来开始出现的智能外置散热系统较为妥善的解决了上述问题，该系统能够在检测到计算机核心元件温度超过预设值时启动散热风扇，在温度低于预设值时自动关闭散热风扇，这样不但节约能源，直观显示出散热性能的好坏，还可以通过设定温度预设值人为的控制散热系统的工作触发条件。
由于智能外置散热系统是由原本的被动式外置散热器发展而来，那么概述下便携式计算机的外置散热器的发展着实是很有必要的。早期国内外普遍的外置散热产品主要利用金属网格和吸风装置散热，其散热性能较差，并且噪音和安全问题也令人堪忧。伍开瑞根据笔记本电脑散热特点，给出了一种外置翅片散热器，针对不同尺寸、材料的笔记本电脑外置翅片散热器的散热过程进行了数值仿真。理论与实验结果表明，笔记本电脑外置翅片散热效果良好，翅片的高度和个数是决定翅片散热效果的主要因素，传统的铜制翅片较铝制翅片散热效果更好。伍开瑞的设计将笔记本电脑与外置翅片底板相接触，并将普通的散热器风扇集成于翅片散热器中，以加强翅片主体与空气的对流换热。热量先传导至翅片底板，再通过基板传至翅片，最终将电脑产生的热量散发到环境中[4]。当然还有许多学者在外置散热器的研究中做出了尝试，这里就不一一详述。下面将着重介绍外置散热器向智能化、自动化方面发展的历程。国内的研究中，有几种方式值得借鉴。肖红生在基于MCU笔记本散热底座智能温控系统设计与研究中，提出了以USB形态的电源模块、温度数据收集、微处理装置、PC通信程序和电机驱动控制中心来做出一套智能散热系统[5]。刘猛, 李斌在基于 STC89C52RC 的笔记本电脑智能散热系统的研究中进一步利用DS18B20热传感器测量笔记本出风口处的温度，采用STC89C52RC单片机作为控制核心，再利用PWM调制技术，根据单片机的输出来控制散热器风扇的转速，从而达到控制风扇的目的[1]。叶璐，胥杭军，吴宽宽，吴江梅，周巧扬在新型笔记本电脑散热器设计中采用STC89C52芯片为控制核心来达到智能控制的目的[6]。以上学者的研究均为以单片机为核心来进行自动化处理。而陈春雄，黄超，黄宇翔，张显飞则在此基础上开发了一套新的散热器系统。该散热器系统上位机(即笔记本)通过串口与下位机(即单片机)通信。上位机采用VB编程自制软件系统，通过计算机管理系统WMI及时获取CPU温度，还可以对下位机及散热器进行控制；下位机通过与串口通信及时获取CPU及周围环境温度，并可单独对散热器电动机进行控制，达到最终降温的目的[7]。国外的学者在外置智能散热器方面也做出了研究。Frankel S, Hardt E，Martin P给出了风扇智能调速的方法[8-10]。Kavitha K V N在利用PWM控制电机转速上做出了研究[11]。Ghani A, Khairi M进一步利用微处理器进行了智能散热系统的研究[12]。
3 本课题对于外置智能散热器的研究计划
本课题研究的笔记本电脑外置智能散热器，包括电机和风扇之间的连接，还包括温度检测模块和控制模块，温度检测模块和电机分别连接在控制模块上，温度检测模块用于检测笔记本主要元件的温度，控制模块用于控制电机的开启。当温度超过设定第一阈值时，控制模块控制电机启动，风扇工作；当温度低于设定第一阈值时，控制模块控制电机关闭，风扇停止工作。设计的重点在于温度检测模块设计、上位机控制程序算法编写、串口通信设计、下位机驱动电机设计，以及整个系统的自动化处理。为了完成这些重点任务，需要有丰富的LabVIEW操作经验，单片机知识以及自动控制知识。通过查阅参考文献，了解温度检测模块的设计思路以及该模块的电路设计方法。了解与上位机（计算机）以及电机均能顺利进行串口通信的单片机类型。通过查阅文献资料，林科业在基于LabVIEW的实时温度测控实验中以温度测控为对象,在LabVIEW软件上设计温度监测和控制系统[13]。刘建河，赵玉丹，张玉强则介绍了以PC机为上位机,以变频器为下位机来驱动电机的控制模式下,在LabVIEW环境中对RS232串口进行编程,并将该串口输出信号转换成RS485信号后传送给变频器,实现了对电机的起动,停止,正反转,点动等的操作控制,同时通过以一定的频率对串口进行读写,实现了对变频器运行状态的实时查询功能[14]。王建勋, 陈红军, WangJianxun等在基于单片机和LabVIEW的串口控制系统设计中设计了一个基于单片机和LabVIEW的RS-232串口控制系统[15]。作者计划在设计中期先用软件进行单片机驱动风扇的仿真模拟，待结果较为理想后再着手做出实物。熊川, 覃远年编写的基于 PSpice 的直流无刷风扇数据建模方法给了我一些关于风扇仿真上的灵感[16]。方健, 雷霞, 刘君义研究的基于MATLAB仿真和单片机控制的直流脉宽调速系统也给了我用MATLAB进行仿真的想法[17]。在仿真结果取得令人较为满意的结果后，作者将进行硬件方面的设计。硬件设计的主体是单片机的选取与电机的选取。单片机方面AVR单片机具有存储器空间较大的优点，不需外接存储单元就可以完成LCD字库的存储[18]。步进电机是数字控制电机，非常适合于单片机控制，且成本低廉，也具有一定的工程应用价值[19]。
4 总结与展望
本文对基于LabVIEW软件和单片机进行设计的便携式计算机外置智能散热系统进行了综述。对终端用户来说，降低电脑的温度，意味着延长电脑使用寿命，而内置散热器会因为散热器件在使用过程中的退化而使得散热功能退化，因而使用外置散热器显得很有必要[20]。可以看出，传统的外置散热装置有一定的缺点，而智能外置散热系统能够很好的解决传统装置带来的问题，具有符合节能时代要求的合理性以及良好的可操作性，既能满足日益增加的散热需求，也能对能源节约做出一定的贡献。
在这样的智能散热系统面前，用户无需担心无穷尽的噪声以及资源的浪费，只有在计算机内部元件温度超过预设值时外部散热系统才会启动，并且本设计达成了用户可自己设置散热器启动预设值的功能。
