cpu风扇的控制毕业设计

cpu风扇的控制毕业设计内容摘要：

（ ） 其中 C 表示电路负 载大小， U 表示供电电压， f 为工作频率。 可见 f 与芯片的动态功耗成正比，频率越 高则消耗的功率也 越 高。 而处理器 (CPU)性能 为 主频 IPC 的乘积 ，IPC 就是每个时钟周期内可以执行的指令数 (IPC: Instruction Per Clock)。 由上可知，高温会影响 CPU 的工作频率 ,从而导致 CPU 性能的下降。 曾有一研究 Intel P4 核心温度对 CPU 性能的影响，选用的测试软件是 CPU RightMark 2 RC3。 这项基准可以实时显示 CPU 性能并可以记录下性能数据变化曲线即使当性能在试验过程中是呈下降趋势的。 在 CPU RightMark 软件中的曲线图变化太过迅速，为了使用 CPU RightMark 来监测 Pentium 4 处理器的性能的衰减过程，必须快速的升高 CPU 温度，但是不能超过临界点。 CPU 风扇 不能直接 摘除，否则温度会飞快的上升并超过临界值，而热量控制电路将立即削减 CPU 的性能，于是我们设计出另一种方案来 “ 加热 ” CPU： 将 CPU 风扇关闭。 这样一来， CPU 的温度上升速度足够满足 RightMark 显示基准测试数据，但是又不至于快的使系统马上死机。 结果得到了 图 所示 的性能变化曲线图。 武汉科技大学本科毕业设计 7 图 CPU 温度与性能之间的关系 由上面的曲线图看出，在一定温度下， CPU 性能不会随 CPU 温度的下降而降低，而超过一定温度时热量控制电路开始降低 CPU 的性能，但是之后某段时间当温度继续上升，但 CPU 性能却保持在同一个数值。 之后，我们重新开动 CPU 风扇来降温以避免CPU 宕机，而 CPU 性能随之回升到其最初的级别。 由此，当 CPU 温度超过一定时，热量控制电路会牺牲 CPU性能而保护 CPU 不被烧坏。 而 CPU风扇的散热性能好坏对 CPU性能有着直接影响。 电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性。 要让 CPU 的工作温度保持在合理的范 围内，出了保证 CPU 工作环境的温度在合理范围内之外，还必须要对其进行散热处理。 尤其对 CPU 而言，如果用户进行了超频，要保证其稳定地工作 更必须有效地散热。 通常，散热性能不好的原因涉及到很多因素。 例如散热器本身 散热效率不够 ，散热片和风扇上灰尘太多影响散热效率，风扇老化或者转数不够，导热硅脂变干、老化或者涂抹太厚，机箱风道不畅通，机箱内部热气不能时排出至机箱外等等方面。 通常，在开机那一刻，风扇会全速运转，接着减速到正常速度（在 BIOS 里可设置），风扇会维持这种状态直到 CPU 温度达到预警温度才会全速运转。 可以看到 ，这种模式不利于 CPU 充分发挥效率，于是，提出了微调控 CPU 风扇，提高 CPU 效率性能。 由此，可看出 CPU 风扇的散热性能好坏对 CPU 的性能有着很大的影响。 武汉科技大学本科毕业设计 8 3 CPU FAN的组成及特点 CPU FAN概述 随着 CPU 技术的发展，更多的晶体管和更高的主频，以及纳米级的工艺，都造成了 CPU 功率的飙升。 更高的功率，就需要更好的散热设备。 一般来说，我们可以采用风冷、水冷、半导体制冷和氟（氮）制冷等多种方法来降温，但由于这些方法实现成本比较高，而且还可能对电脑的安全构成威胁，因此这几种方式在国内并不是 十分流行。 与这些方法相比，另外一种最实效、最方便、最常用的方法就是使用风扇和散热片。 说到 CPU 的风扇和散热片，其实就是利用它们快速将 CPU 的热量传导出来并吹到附近的空气中去，降温效果的好坏直接与 CPU 散热风扇、散热片的品质有关。 CPU 风扇 (英文为 CPU FAN)的主要性能从以下几个方面体现：转速、扇叶形状、扇叶角度和轴承系统。 一般情况下，在散热器的说明书上都标明风扇的转速。 一般来说散热器的散热效果有 30%要取决于风扇的转速。 但风扇并不是转速越高越好。 正确的风扇转速应该根据 CPU 的发热量决定，不同规格的电机 转速选择都应该有所区分，基本的原则就是：在产生同等风量的前提下，电机越大转速就应该越低，噪音同样也会较小，一般在 3500r/min 至 5200r/min 之间的转速是比较合乎常规的。 功率越大，风扇风力越强劲，散热效果也就越好。 而风扇的功率与风扇的转速又是有直接联系的，也就是说风扇的转速越高，风扇也就越强劲有力。 目前一般电脑市场上出售的风扇都是直流 12V 的，功率则从 0 点几瓦 到 2 点几瓦 不等，那么功率的大小就需要 CPU 发热量来选择了。 另一方面，不能片面的强调大功率，只需要与 CPU 本身的功率要相匹配就好，如果功率过 大，不单冷却效果没有多大增强，反而可能会加重计算机的工作负荷，最终缩短 CPU 和风扇的寿命。 因此，在选择 CPU 功率大小的同时，应该量 “ 热 ” 而行。 在以往， CPU 风扇有 3 个引脚，分别为电源、地 和信号线。 信号线是用来向主板发送风扇转速的信息。 随着技术发展， CPU 风扇加多了一个引脚，这根线就是 Intel 在 soket T 架构的原包风扇中采用的 PWM 智能温控风扇的 PWM 信号线。 分析可知，三芯风扇确实可以实现自动调整转速的功能，但具备这个功能的是主板而不是风扇。 它的具体工作步骤是这样的：首先主板通过监控芯片了解到当前 CPU 的工作温度，如果在一定正常范围之内，则不执行任何操作，但需要注意的是，此时风扇并不是工作在最高转速下的，大约只有这个数值的 60%。 比如一款最高转速 4500r/min 的风扇，在系统温度较低的情况下转速只有 2700r/min，这样的好处是减少噪音和延长风扇寿命。 随着处理器的工作温度的提高，并超过一定警戒线的时候，主板开始为风扇提速。 这个数值大约是以 10%的幅度提升的，也就是从 2700r/min 逐步增为 3150r/min，然后再武汉科技大学本科毕业设计 9 到 3600 转 /4050 转 /4500 转。 这个变化的过程中， CPU 风扇并不参与工作，而 是通过主板自动调整对风扇供电电压来实现的。 比如风扇标准的工作电压是 12V，标准转速为4500r/min，但一开始主板只给风扇提供 电压，那风扇的转速只有标准数值的 60%，即 2700r/min，之后主板随着 CPU 的温度提升，以 10%的幅 度增加电压，表现在风扇的转速上就是越来越快，逐渐达到了最高速度。 所以总结来说，三芯风扇是不具备速度调整功能的。 而 四线 风扇的特殊之处 在于 可以控制转速。 和上面有所区别，四 线 风扇的工作方式就完全独立了，首先风扇内部会有一个单独的供电管理芯片，它会通过增加的第四颗线缆，随时监控 处理器的温度和转速，然后回馈给 PWM 芯片，再由控制芯片调整转速，这样风扇就完成了自动调整 转速的功能，中间不需要主板参与任何的工作，因此从根本上来说，四线 风扇控速技术是通过自身实现的，它应用单独芯片进行监控，风扇在变速的时候，无论从反应灵敏度还是准确性上来看，应该都有一定的提升。 CPU FAN组成及工作原理 CPU FAN电机 根据供电方式的不同，电机有直流电机和交流电机两种类型。 电脑中使用的风扇电机为直流电机，供电电压为＋ 12V，转速在 1000～ 10000r/min 之间。 直流电机是 将直流电能转 换为机械能的旋转机械。 它由定子、转子和换向器三个部分组成，如图 所示。 图 有刷直流电机的构造 定子（即主磁极）被固定在风扇支架上，是电机的非旋转部分。 转子中有两组以上的线圈，由漆包线绕制而成，称之为绕组。 当绕组中有电流通过时产生磁场，该磁场与定子的磁场产生力 的作用。 由于定子是固定不动的，因此转子在力的作用下转动。 换向器是直流电动机的一种特殊装置，由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。 在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。 当转子转过一定角度后，换向器将供电电压接入另一对绕组，并在该绕组中继续产生磁场。 可见，由于换向器的存在，使电枢线 圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作武汉科技大学本科毕业设计 10 用下使电枢得以旋转 [2]。 如前所述，直流电机是利用碳刷实现换向的。 由于碳刷存在摩擦，使得电刷乃至电机的寿命减短。 同时，电刷在高速运转过程中会产生 火花，还会对周围的电子线路形成干扰。 为此，人们发明了一种无需碳刷的直流电机，通常也称作无刷电机（ brushless motor）。 目前为计算机配备的散热风扇大多是直流无刷电机。 无刷电机将绕组作为定子，而永久磁铁作为转子（如图 ），结构上与有刷电机正好相反。 无刷电机采用电子线路切换绕组的通电顺序，产生旋转磁场，推动转子做旋转运动。 图 直流无刷电机原理图 无刷电机由于没有碳刷，无需维护寿命长，速度调节精度高。 因此，无刷电机正在迅速取代传统的有刷电机，带变频技术的家用电器（如变频空调、变频电冰箱等）就是使用了无刷电机，目前 主板的 散热风扇中几乎全部使用无刷电机。 霍尔传感器 为了对风扇电机的运行状况进行监控，需要从风扇电机向主板输出速度信号，实现风扇运行情况的监控。 监控电路用来显示风扇转速，并可实现报警和电脑的自动停机，以防止因风扇停转而烧毁 CPU 或其它器件的情况出 现。 现在变频电机普遍采用集成功率器件来实现这一功能，使控制线路大为简化。 为了实现精确控制效果，必须向集成功率器件输入反映转子位置的信号，因此变频电机必须具有电机位置反馈机制。 目前通常使用霍尔元件或和光电传感器两种手段进行位置和转速检测。 霍尔器件是一种基于霍尔效应的磁传感器，霍尔效应是美国科学家爱德文 霍尔于1879 年发现的。 目前，使用霍尔效应的磁传感器产品已得到广泛的应用。 下图为霍尔效应原理图。 在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场 B，在薄片的横向两侧会出现一个电压 [3]（图中的 Vh 称为霍尔 电压）。 武汉科技大学本科毕业设计 11 图 霍尔效应原理图 变频电机利用霍尔器件测量转子的相对位置，所获得的信号输入到控制芯片中，驱动电机旋转。 同时，还可将该信号通过主板输出，作为测速信号使用，可谓一箭双雕。 由于换向脉冲为方波信号，在主板上经过简单处理便可输送给主板进行显示和控制。 由于电机的相数一般在 2 个以上，换向信号的频率为电机的转速的若干倍，因此，如果利用换向脉冲作为测速信号，必须经过除法运算才能得到真实的电机转速。 风扇电机的转子有永磁磁铁，风扇每转一圈就有一次切割磁力线现象，那么这个磁力线被霍尔器件感应到，就向 PC 主板发送一个电脉冲信号，主板按照记数器可以算出一分钟转多少圈。 也就是说主板按照一秒钟收到多少个电脉冲然后自动乘以 60 就可以得 出此电机一分钟转多少圈。 这电脉冲信号就是原来三芯的信号线。 而四线 多出的一根线就是 PWM 控制 方波，用于调频。 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电 机定子旋转磁场的速度及转子极数 (P)影响： pfn 120 （ ） 在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。 直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制 (驱动器 )，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回传 至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。 也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。 图 是直流无刷电机的控制原理图。 电源部提供三相电源给电机，控制部则根据需求转换输入电源频率。 武汉科技大学本科毕业设计 12 图 直流无刷电机控制原理图 电源部 分 可以直接以直流电输入 (一般为 24V)或以交流电输入 (110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器 (converter)转成直流。 不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压换流器 (inverter)转成 3 相电压来驱动电机。 换流器 (inverter)一般由 6 个功率晶体管 (Q1～ Q6)分为上臂 (Q Q Q5)/下臂 (Q Q Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。 控制部则提供 PWM(脉冲宽度调制 )决定功率晶体管开关频度及换流器 (inverter)换相的时机。 直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器 (hallsensor)，作为速度之闭回路控制，同时也作 为相序控制的依据。 但这只是用来 作为速度控制 并不能拿来 作 为定位控制。 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据 hallsensor 感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启 (或关闭 )换流器 (inverter)中功率晶体管的顺序，使电流依序流经电机线圈产生顺向 (或逆向 )旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时 /逆时转动。 当电机转子转动到 hallsensor 感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管 (或只开下臂功率晶体管 )；要电机转子 反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： Q Q4 为。