專利名稱：一種基于電腦硬件監(jiān)控電路的自動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括個人電腦或電腦服務(wù)器(下面統(tǒng)稱電腦)的自動控制系統(tǒng)，特別是基于現(xiàn)有的具有可編程硬件監(jiān)控集成電路、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口的電腦主板的自動控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我們知道，一個自動控制系統(tǒng)包括以下幾個基本部分被控對象、傳感器(變送器)、控制器和執(zhí)行器。被控對象——需要調(diào)節(jié)其參數(shù)的設(shè)備或環(huán)境，傳感器——用來感受參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成一種特定信號的裝置，控制器——把傳感器送來的測量信號與參數(shù)需要保持的給定信號進(jìn)行比較，得到偏差信號，并按照預(yù)先設(shè)計好的某種調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算之后，輸出相應(yīng)的控制信號去指揮執(zhí)行器，執(zhí)行器——包括伺服機(jī)構(gòu)或調(diào)節(jié)閥等。
現(xiàn)在，電腦技術(shù)的發(fā)展日新月異，其中中央處理器CPU和集成電路的主頻和集成度在不斷提高，因此會產(chǎn)生大量的熱量，使器件和機(jī)箱內(nèi)部溫度上升，通常使用風(fēng)扇來通風(fēng)散熱，多數(shù)電腦的主板上都帶有硬件監(jiān)控電路，實(shí)時監(jiān)測和控制電腦的運(yùn)行狀況，例如監(jiān)控CPU溫度、電腦機(jī)箱內(nèi)的溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和工作電壓。在這些監(jiān)控電路中廣泛應(yīng)用了脈沖寬度調(diào)制(PWM)和自動控制技術(shù)，電腦運(yùn)行過程中監(jiān)控電路會根據(jù)被測元件的溫度或風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，電腦采用靈巧風(fēng)扇(Smart fan)技術(shù)，電腦硬件監(jiān)控電路會根據(jù)設(shè)定溫度或設(shè)定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，給電腦器件散熱，溫度下降或轉(zhuǎn)速偏高時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速自動降低，溫度上升或轉(zhuǎn)速偏低時，風(fēng)速轉(zhuǎn)速自動上升，目的是降低風(fēng)扇噪聲，節(jié)約電量使用，延長風(fēng)扇壽命，保證系統(tǒng)有效工作。
通常，電腦的監(jiān)控電路提供2-8個風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)(fan speed count)輸入端口和2-4個風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制(fan speed control)輸出端口，這些風(fēng)扇端口及其監(jiān)控電路的用途專一，只用于電腦主板直流風(fēng)扇的連接，不方便與其它冷卻設(shè)備連接，且多數(shù)情況只使用CPU風(fēng)扇，常有1個以上輸入/輸出冗余風(fēng)扇端口，使電腦的資源閑置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于電腦硬件監(jiān)控電路的自動控制系統(tǒng)，它可利用現(xiàn)有電腦的閑置資源，達(dá)到自動監(jiān)測和控制更廣泛被控對象(如電腦內(nèi)部和外部外的器件、設(shè)備)的目的。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是它由電腦、執(zhí)行器、被控對象、傳感器組成；電腦的主板上具有電腦硬件監(jiān)控電路及其風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與執(zhí)行器輸入連接；傳感器為用來測量被控對象參數(shù)的傳感器，傳感器輸出的信號為頻率信號，它的輸出端與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口連接。
傳感器為模擬傳感器，它通過參數(shù)/頻率轉(zhuǎn)換器輸出頻率信號。
傳感器為溫度傳感器或水位傳感器或濕度傳感器。
硬件監(jiān)控電路的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與執(zhí)行器輸出電隔離。
硬件監(jiān)控電路的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口與傳感器輸出信號電隔離。
電腦硬件監(jiān)控電路的被控參數(shù)定值和允許區(qū)間通過電腦的基本輸入輸出系統(tǒng)設(shè)置。
執(zhí)行器為固態(tài)繼電器或風(fēng)扇或伺服器或電動機(jī)。
本發(fā)明由電腦、執(zhí)行器、被控對象、傳感器組成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，它利用電腦主板上現(xiàn)有的硬件監(jiān)控電路提供的既成控制器和控制算法，用監(jiān)控電路內(nèi)部已集成的PWM電路，完成數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換。自動控制系統(tǒng)從風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制端輸出模擬電壓，用風(fēng)扇輸出通道作為控制執(zhí)行器輸出通道；用風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入通道作為反饋信號通道，反饋信號由風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)端輸入硬件監(jiān)控電路。被控對象及其參數(shù)傳感器可以是任何電腦內(nèi)部或外部的被控對象和及其參數(shù)傳感器。
本發(fā)明用參數(shù)/頻率轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出的任何被調(diào)參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率信號，完成模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明可用固態(tài)繼電器(SSR)或風(fēng)扇或其它伺服器作執(zhí)行器等。
本發(fā)明用硬件監(jiān)控電路或電腦的CPU作控制器，完成監(jiān)控運(yùn)算。用電腦提供的既成方法——通過基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)設(shè)置被調(diào)參數(shù)定值和允許區(qū)間。
本發(fā)明的有益效果是充分利用電腦已有的硬件和軟件資源，將專一轉(zhuǎn)速信號測量通道變化成為多用途信號測量通道，將專一風(fēng)扇輸出通道擴(kuò)展成為執(zhí)行器輸出通道，將專一用途轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)演化成多用途閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，以達(dá)到自動監(jiān)測和控制更廣泛被控對象的目的。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔(比較使用通過電腦PCI插槽輸入/輸出信號)，即插即用，無須驅(qū)動程序，在不占用CPU和應(yīng)用程序的狀態(tài)下運(yùn)行，控制效果好(比較使用風(fēng)扇轉(zhuǎn)速開環(huán)控制)。


圖1是測速風(fēng)扇脈沖波形2是測速風(fēng)扇與電腦主機(jī)板連接原理3是監(jiān)控電路PWM控制電路原理4是風(fēng)扇插座與SSR、負(fù)載和反饋信號連接5是溫度巡環(huán)方式下PWM控制信號1和被調(diào)對象溫度過程曲線1圖6是溫度巡環(huán)方式下PR控制信號2和被調(diào)對象溫度過程曲線2圖7是轉(zhuǎn)速巡環(huán)方式下PWM控制信號和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速過程曲線圖8是現(xiàn)有的電腦系統(tǒng)轉(zhuǎn)速巡環(huán)組成方框9是電腦系統(tǒng)使用T/F轉(zhuǎn)換器時自動控制系統(tǒng)組成方框10是本發(fā)明實(shí)施例1自動控制系統(tǒng)組成方框11是電腦系統(tǒng)控制外部對象時自動控制系統(tǒng)組成方框12是溫度/頻率轉(zhuǎn)換器電路13是本發(fā)明實(shí)施例2——液位自動控制示意圖具體實(shí)施方案在現(xiàn)有的個人電腦和服務(wù)器中，盡管品牌、廠商和CPU主頻不同，電腦冷卻風(fēng)扇外型和轉(zhuǎn)速不一，但電腦主板上的風(fēng)扇接口和電氣參數(shù)卻是眾廠商共同遵守的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，一般采用3腳風(fēng)扇接口，3腳風(fēng)扇接口的定義和參數(shù)見表1。表1中插頭2是電源正極，為直流風(fēng)扇提供+12VMAX工作電源，用脈寬調(diào)制(PWM)輸出控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速時此端電壓可以調(diào)節(jié)(也可設(shè)為定值，電腦默認(rèn)12V)；插頭3是公共地(G)；插頭1是檢測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快慢的反饋信號輸入端，對于具有測速功能的風(fēng)扇，“風(fēng)扇每旋轉(zhuǎn)一周釋放兩個脈沖信號(下面均以此為分析依據(jù))，電腦系統(tǒng)監(jiān)控芯片就會據(jù)此計算出風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度”。
表1

風(fēng)扇廠商提供的資料和實(shí)際測量均表明，轉(zhuǎn)速信號的脈沖波形是矩形波，矩形波的信號頻率f與轉(zhuǎn)速N成線性關(guān)系見圖1，由圖1可見風(fēng)扇轉(zhuǎn)速脈沖與周期T相關(guān)周期T＝t1+t2轉(zhuǎn)速N＝60÷(2×T)(轉(zhuǎn)/分鐘)又頻率f與周期的關(guān)系是f＝1/T，f的單位是赫茲(Hz)，T的單位是秒(S)得N＝30×f(轉(zhuǎn)/分鐘)式1一般情況，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為n時，則轉(zhuǎn)速N＝60÷n×fn＝1、2、3、4等。圖1中輸出信號的高電平Voh，即電壓幅值由主板電路決定，輸出信號的低電平Voh由風(fēng)扇內(nèi)置測速信號電路決定，其原理如圖2，風(fēng)扇內(nèi)置測速信號電路輸出采用集電極開路型式，外接上拉負(fù)載電阻，Q導(dǎo)通時I＝10mAmax輸出電壓Vo1＝0.4伏(典型值)Q斷開時I≈0mAmin輸出電壓Voh＝Ec(主板監(jiān)控電路工作電壓)因?yàn)檩敵鯲o是取自主板監(jiān)控電路電源，所以電扇測速信號發(fā)生電路自動適應(yīng)主板芯片的工作電壓，通常是+5V(或+3.3V)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在電腦的基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)中可見，使用應(yīng)用軟件(程序)在操作系統(tǒng)下也可監(jiān)測風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，BIOS和應(yīng)用程序可以根據(jù)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速輸入的不同數(shù)值作顯示和調(diào)節(jié)。
反饋測量通道實(shí)施例本實(shí)施例采用轉(zhuǎn)速信號測量通道來測量溫度，用溫度/頻率(T/F)轉(zhuǎn)換器的輸出替代風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速反饋，溫度/頻率(T/F)轉(zhuǎn)換器的電路圖如圖12，T/F轉(zhuǎn)換的工作原理如下，在圖12中使用LM35作溫度傳感器，LM35是高精度集成電路溫度傳感器，LM35將驅(qū)動電路、信號處理電路以及必要的邏輯控制電路集成在單片IC上，有使用方便、尺寸小等特點(diǎn)，傳感器的輸出電壓與溫度的變化呈線性關(guān)系，其主要特性是當(dāng)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(shí)現(xiàn)溫度到電壓的轉(zhuǎn)換，按圖12的單電源接法，它可以實(shí)現(xiàn)0～+150℃的測溫，對應(yīng)的輸出電壓是0～1.5V，該集成電路的檢測精度可達(dá)±0.5℃，而且不需要對它自身作任何校準(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60μA，這使得它因電流熱效應(yīng)而產(chǎn)生的自身溫升可以忽略不計，它的輸出電阻一般低達(dá)0.1Ω，有很好的帶負(fù)載能力。LM35常見的封裝形式為TO-92塑料封裝，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(測量零下溫度時，接地端要加上負(fù)電源)，這種封裝的LM35可以很方便地裝在電腦發(fā)熱體上，只要將它的字符所在的平面緊貼發(fā)熱體上，用膠粘緊即可。圖12中R1、C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾信號，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。電路中LM331是電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器，LM331作為電壓/頻率轉(zhuǎn)換器是一種常見電路，適于作A/D轉(zhuǎn)換器，LM331接受LM35的電壓信號并將電壓轉(zhuǎn)換成頻率信號，從7端輸入0～1.5V的電壓量經(jīng)LM331的電壓/頻率轉(zhuǎn)換成頻率量送給后續(xù)電腦監(jiān)控電路計數(shù)，這里T/F轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行了兩次轉(zhuǎn)換，即溫度/電壓(T/V)轉(zhuǎn)換和電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換。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)，允許單電源使用，V/F轉(zhuǎn)換范圍寬(1Hz～100kHz)，溫度穩(wěn)定性好，輸出驅(qū)動管采用集電極開路形式，因而可以適配TTL和CMOS等不同的邏輯電路。按圖12所示電路，選取合適的電路參數(shù)就可用溫度/頻率曲線擬合轉(zhuǎn)速/頻率曲線。電路中，R4和可調(diào)電位器Rw1的作用是調(diào)整LM331的增益偏差和由R2、R5及C3引起的偏差，R6的大小根據(jù)工作電壓調(diào)整以適合4N28輸入電流要求。
已知LM35的輸出Vo＝(10mv/℃×t)式2又根據(jù)LM331資料輸出頻率fout＝(R4+Rw1)Vi/(2.09R2R5C3)根據(jù)圖12中的參數(shù)計算得 fout＝256Vi 式3將式2代入得fout＝2.56t 式4這樣將溫度以頻率信號的形式輸入至風(fēng)扇脈沖計數(shù)端，完成了T/F轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入電壓為0～1.5V時，輸出頻率為0～384Hz，可見整個電路在溫度為0～150℃變化時，電腦顯示數(shù)是與之對應(yīng)的0～11520轉(zhuǎn)/分鐘，計數(shù)非常方便。在溫度是55±3度時，輸出頻率是141±9Hz，轉(zhuǎn)速在4219轉(zhuǎn)/分鐘上下，這些數(shù)據(jù)在見下文表2中會用到。
本實(shí)施例使用電腦主板風(fēng)扇接口為三腳，從這里輸出控制電壓和輸入經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化后的頻率信號。為了減少電源干擾，電路工作電源12V由隔離型DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器從電腦的12V電源取得或者由電腦外部電路提供。為了減少通道干擾，LM331的頻率輸出采用光電隔離，使T/F轉(zhuǎn)換器與電腦無電聯(lián)系，由LM331的3端輸出信號通過光耦合器4N28的輸出傳輸至轉(zhuǎn)速反饋的測量端。4N28是一種光電結(jié)合器件，具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。使用其它形式的溫度/頻率轉(zhuǎn)換器，如數(shù)字溫度傳感器，電路可更為簡化。
反饋信號的計數(shù)和運(yùn)算由硬件監(jiān)控電路完成，硬件監(jiān)控電路以可編程集成電路為核心組成。硬件監(jiān)控電路多采用高度集成的集成電路如W83782D、W83792D、W83627HF、W83637HF、ADM1031等，這些芯片的共有基本特性是1.均為可編程器件，2.均用PWM占空比調(diào)節(jié)電壓控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，3.均提供風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)和溫度測量通道，這三點(diǎn)是組成電腦監(jiān)控電路自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。下面以W83637HF為例進(jìn)行論述說明，該系列產(chǎn)品在市場上有較廣的應(yīng)用，具有典型性和代表性，其它芯片原理類似。硬件監(jiān)控電路在控制系統(tǒng)中的既成控制功能主要完成溫度和轉(zhuǎn)速的設(shè)定、調(diào)節(jié)區(qū)間的設(shè)定、溫度和轉(zhuǎn)速的檢測，以及溫度和轉(zhuǎn)速偏差的形成和控制運(yùn)算。W83637HF是一種通用接口電路，提供輸入輸出設(shè)備連接，具有驅(qū)動器接口、串行接口、并行接口、鍵盤和鼠標(biāo)接口、紅外口、智能卡接口、系統(tǒng)電源管理等等。與本文相關(guān)的主要功能有W83637HF提供的電腦硬件狀態(tài)監(jiān)視，能測量多組電腦系統(tǒng)參數(shù)，如工作電壓、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、CPU溫度。W83637HF支持靈巧風(fēng)扇(Smart fan)控制系統(tǒng)，包括溫度巡環(huán)(ThermalCruise)和轉(zhuǎn)速巡環(huán)(Speed Cruise)這兩種自動方式。W83637HF的主要性能(僅列舉與本文相關(guān)部分)W83637HF是可編程器件，時鐘頻率24或48MHZ支持LPC總線3路溫度測量，支持熱敏電阻、二極管和CPU內(nèi)置PN結(jié)測量方式內(nèi)置8位A/D轉(zhuǎn)換器5路電壓監(jiān)視(+5V、+3.3V、Vcoro、Vbat、+5VSB)40端可編程通用輸入/輸出口3路風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)3路風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制超溫輸出中斷信號OVT#系統(tǒng)管理中斷信號SMI#可編程中斷保護(hù)信號有效/無效可編程所有監(jiān)視參數(shù)的設(shè)定值和區(qū)間支持應(yīng)用軟件測量電腦系統(tǒng)監(jiān)控參數(shù)(Intel、Acer和Winbond等公司程序)帶自動檢測電源電壓聲響遵從Microsofe電腦2000/電腦2001硬件設(shè)計指南支持ACPI和DPM電源管理片內(nèi)8位寄存器和總線配置128腳封裝硬件監(jiān)控電路具有風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制功能，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速使用調(diào)節(jié)風(fēng)扇工作電壓的方法，調(diào)節(jié)風(fēng)扇工作電壓是通過調(diào)節(jié)PWM占空比(Duty cycle)實(shí)現(xiàn)。PWM輸出經(jīng)平滑濾波后變?yōu)槟M電壓，調(diào)節(jié)PWM占空比使輸出電壓的擺幅(調(diào)節(jié)范圍)是0-12伏(對12V直流電源)，其實(shí)質(zhì)是一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。簡單說來，PWM原理就是對脈沖寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供PWM輸出的方法有如下兩種，一種是通過脈沖寬度調(diào)制法提供周期固定，占空比可變，分辯率為1/256(8位)的PWM信號；另一種是通過脈沖頻率可變，而占空比固定，電腦監(jiān)控電路通常使用前一種方法，在W83637HF中提供了3路基于脈沖寬度調(diào)制的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制，脈沖寬度的占空比能夠用程序控制，默認(rèn)占空比是100％，對應(yīng)12V輸出電壓，不調(diào)速風(fēng)扇則運(yùn)行在這個狀態(tài)下。PWM應(yīng)用電路原理圖如圖3，電路包括了PWM控制信號輸入，濾波、隔離放大和輸出驅(qū)動，通常電腦風(fēng)扇端口能夠輸出電流Io達(dá)300~1000mA，可直接驅(qū)動固態(tài)繼電器和其它伺服器，筆記本電腦風(fēng)扇端口能夠輸出電流Io典型值也在150mA。電路輸出電壓與PWM占空比成線性關(guān)系，因此輸出電壓Vo＝Vcc×PWM Duty cycle 式5最小輸出電壓Vomin＝Vcc×0％＝0V最大輸出電壓Vomin＝Vcc×100％＝Vcc＝12V輸出電壓在0~12V連接可調(diào)。在不同電腦和電子設(shè)備中的電路中也有直流+5V、+24V、+48V等電壓等級，同樣適用上述分析結(jié)果。
電腦硬件監(jiān)控電路具有靈巧風(fēng)扇自動控制系統(tǒng)，靈巧風(fēng)扇自動控制系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)組成方式和返回信號是溫度或是轉(zhuǎn)速之分有2種，一種是溫度巡環(huán)(Thermal Cruise)自動控制系統(tǒng)，另一種是轉(zhuǎn)速巡環(huán)(Speed Cruise)自動控制系統(tǒng)。在溫度巡環(huán)方式下，有3路溫度/PWM電壓控制系統(tǒng)溫度/PWM1電壓控制、CPU溫度/PWM2電壓控制、機(jī)箱溫度/PWM3電壓控制，PWM電壓控制通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制端輸出。由集成電路W83637HF提供的靈巧風(fēng)扇自動控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)設(shè)定的溫度自動控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，保持溫度在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。電腦運(yùn)行前，通過BIOS設(shè)定溫度和溫度允許區(qū)間(例如55±3度)，運(yùn)行中只要溫度在設(shè)定區(qū)間內(nèi)，風(fēng)扇處于停止?fàn)顟B(tài)，一旦溫度超出設(shè)定溫度的上限值(58度)，風(fēng)扇將開起以設(shè)定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此開起轉(zhuǎn)速對應(yīng)的開起PWM占空比由BIOS設(shè)定(例如設(shè)置占空比為80％)，然后硬件監(jiān)控電路根據(jù)溫度的改變自動控制PWM占空比改變風(fēng)扇電壓，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，對照圖5、圖6，討論下面3種情況(1)如果溫度仍然超出上限設(shè)定T(例如58度)，PWM占空比將會緩慢增加，如果風(fēng)扇已經(jīng)是最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行(占空比最大)，而溫度仍超出設(shè)定上限(例如58度)，系統(tǒng)將產(chǎn)生一警告信息，以保護(hù)電腦系統(tǒng)。
(2)如果溫度在充定上限之下(例如58度)，但在設(shè)定下限之上(例如52度)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速將保持在當(dāng)前轉(zhuǎn)速不變，只要溫度在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)(52-58度)都如此。
(3)如果溫度在設(shè)定下限(例如52度)，PWM占空系比將會緩慢減少，直至轉(zhuǎn)速為零，只要溫度在52度以下，風(fēng)扇就不運(yùn)轉(zhuǎn)。
在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速巡環(huán)方式下，系統(tǒng)提供了3路轉(zhuǎn)速/PWM電壓控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1/PWM1電壓控制、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2/PWM2電壓控制、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速3/PWM3電壓控制，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速通過風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)端輸入。由W83637HF根據(jù)設(shè)置的預(yù)定轉(zhuǎn)速(常用轉(zhuǎn)速因子Count表示，以方便分析，Count與轉(zhuǎn)速的關(guān)系見式6)控制靈巧風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在一定區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。通過BIOS設(shè)定需要的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速因子Count(設(shè)定轉(zhuǎn)速)，例如設(shè)定Count為160±10，只要風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速在設(shè)定范圍內(nèi)，輸出PWM占空比將保持不變，風(fēng)扇工作電壓則不變；如果當(dāng)前風(fēng)扇轉(zhuǎn)速因子高于設(shè)定的上限，例如160+10，則PWM占空比將增加，輸出電壓增加以保持轉(zhuǎn)速因子小于設(shè)定上限，另一種情況，如果當(dāng)前風(fēng)扇轉(zhuǎn)速常數(shù)低于設(shè)定的下限160-10，則PWM占空比將減小，輸出電壓減小以保持轉(zhuǎn)速因子在設(shè)定下限之上。表2是Count、轉(zhuǎn)速、溫度、輸入頻率的對照表。表中Count和轉(zhuǎn)速由式6計算得來，頻率由式1計算得來，溫度由式4計算得來。表2和表中溫度欄在下文中還將會用到。
表2 轉(zhuǎn)速N與轉(zhuǎn)速因子Count的關(guān)系由集成電路W83637HF說明書給出N＝K/Count 式6可見轉(zhuǎn)速因子Count與N是反比關(guān)系，默認(rèn)常數(shù)K＝1.35×106/2。較大Count對應(yīng)較小N，當(dāng)N＝1000時，Count＝675；較小Count對應(yīng)較大N，設(shè)BIOS中轉(zhuǎn)速計數(shù)為5位數(shù)字，則當(dāng)N＝99999時，Count＝6.7。
在溫度巡環(huán)和轉(zhuǎn)速巡環(huán)系統(tǒng)中，都要接受硬件監(jiān)控電路W87637HF的指令，因此硬件監(jiān)控電路W87637HF是實(shí)際上的控制器，是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心。
在電腦的溫度巡環(huán)方式運(yùn)行時結(jié)構(gòu)框圖如圖9，只是圖中的反饋環(huán)節(jié)是用A/D代替了T/F這時使用半導(dǎo)體溫度傳感器，傳感器輸出到電腦監(jiān)控電路的是模擬信號，經(jīng)監(jiān)控電路內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號。硬件監(jiān)控電路W83637HF起著控制器的作用，把溫度傳感器送來的測量信號與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，得到偏差信號，并按照預(yù)先設(shè)計好的控制算法進(jìn)行運(yùn)算之后，通過調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)輸出電壓信號，風(fēng)扇起著執(zhí)行器的作用，被調(diào)對象即電腦部件，在這種運(yùn)行方式下，電腦部件溫度的高低決定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的大小，這是一個閉環(huán)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)系統(tǒng)。
在電腦的轉(zhuǎn)速巡環(huán)方式運(yùn)行時結(jié)構(gòu)如圖8，硬件監(jiān)控電路W83637HF也起著控制器的作用，通過調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)輸出電壓信號，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，同時監(jiān)控電路接受風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速信號，而與實(shí)際被控對象——電腦部件之間沒有直接信號聯(lián)系，在這種運(yùn)行方式下，冷卻對象溫度的高低與控制器沒有關(guān)系。改進(jìn)方法是，按圖9結(jié)構(gòu)，使用圖12所示T/F轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)，在電腦部件表面安裝測溫元件LM35，將溫度信號轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號，由風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)端輸入反饋信號，即可計算出對應(yīng)的溫度，如式4，這樣結(jié)構(gòu)有幾大優(yōu)點(diǎn)(1)冷卻對象(被控對象)與電腦硬件監(jiān)控電路(控制器)有信號聯(lián)系，冷卻對象溫度(被控參數(shù))的高低與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速(執(zhí)行器輸出)相關(guān)，組成了閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
(2)傳感器線性好，誤差小(3)頻率信號易于遠(yuǎn)傳，易于隔離(4)不用A/D轉(zhuǎn)換器(5)可利用電腦主板上提供的既成風(fēng)扇插座做接口，連接方便此時原轉(zhuǎn)速巡環(huán)已成為一種閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，上面對圖5和圖6的分析同樣適用用此時的情況，表2列出了T/F轉(zhuǎn)換電路設(shè)定溫度在55±3度時，頻率、Count和轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系，按表2轉(zhuǎn)速因子Count對應(yīng)的溫度的設(shè)定值和允許區(qū)間。因此可見，Count能夠?qū)?yīng)轉(zhuǎn)換為頻率量的參數(shù)，而不僅僅是對應(yīng)轉(zhuǎn)速。
電腦中除主板提供受控風(fēng)扇插座之外，還有交流電源風(fēng)扇、顯卡風(fēng)扇等，只有所有風(fēng)扇噪聲減小，環(huán)境噪聲才會有效減小；只有電腦所有風(fēng)扇中功耗較大的風(fēng)扇節(jié)約電量，電腦系統(tǒng)節(jié)約電量的效果才會更好。
本發(fā)明自動控制系統(tǒng)實(shí)施例1該基于電腦硬件監(jiān)控電路的自動控制系統(tǒng)為電腦部件溫度自動控制系統(tǒng)，它由電腦、執(zhí)行器——固態(tài)繼電器(SSR)控制的風(fēng)扇、被控對象——電腦部件、溫度傳感器組成；電腦的主板上具有電腦硬件監(jiān)控電路及其風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與風(fēng)扇的固態(tài)繼電器(SSR)控制輸入連接；溫度傳感器為用來測量電腦部件溫度參數(shù)的傳感器，溫度傳感器輸出的信號通過溫度/頻率(T/F)轉(zhuǎn)換器為頻率信號，參數(shù)/頻率轉(zhuǎn)換器的輸出端與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口連接。電腦硬件監(jiān)控電路的被控參數(shù)定值和允許區(qū)間通過電腦的基本輸入輸出系統(tǒng)設(shè)置。硬件監(jiān)控電路的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與固態(tài)繼電器輸出電隔離，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口與溫度傳感器電路輸出電隔離。
本發(fā)明實(shí)施例1，為擴(kuò)大自動控制系統(tǒng)的使用范圍，做到既能控制多種電壓等級直流風(fēng)扇也能控制更大功率的交流風(fēng)扇，使用T/F轉(zhuǎn)換器和固態(tài)繼電器(SSR)后的轉(zhuǎn)速巡環(huán)組成方框圖如圖10，它是對圖9的改進(jìn)，在SSR后接風(fēng)扇，當(dāng)然也可用電磁繼電器和其它伺服裝置代替SSR，組成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。
PC工作時除了對溫度有要求外，根據(jù)使用場合也有對濕度、振動、輻射、氣壓等其它環(huán)境要求，這些量均可由傳感器或變送器轉(zhuǎn)換為電量后再轉(zhuǎn)換為頻率信號或直接轉(zhuǎn)換為頻率信號，通過PC轉(zhuǎn)速反饋端測量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。這樣也就均可利用PC為轉(zhuǎn)速信號設(shè)置的報警和中斷信號。例如通過測量濕度信號，構(gòu)成濕度自動控制系統(tǒng)，加濕或去濕。
靈巧風(fēng)扇系統(tǒng)除了工作在上述自動控制方式下，也能夠工作在BIOS手動控制方式下。此外，因?yàn)橛布O(jiān)控電路的可編程集成電路具有與CPU連接的內(nèi)部總線如LPC總線、ISA總線、SMbus總線，所以監(jiān)控電路也可以與CPU通信交換數(shù)據(jù)，許多應(yīng)用程序也是這樣做的如speedfan.exe和英特爾(INTEL)LDCM軟件，在這種情況下，用CPU做控制器，在應(yīng)用程序中編寫控制算法，用轉(zhuǎn)速信號測量通道作為反饋信號測量通道，用風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出通道作為執(zhí)行器輸出通道，連接被控對象也能夠組成閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。
除了監(jiān)控電腦內(nèi)參數(shù)外，根據(jù)控制系統(tǒng)的組成原理，同樣能適用電腦外部過程控制，組成自動控制系統(tǒng)，圖11中作進(jìn)一步擴(kuò)展，在SSR后接入執(zhí)行機(jī)構(gòu)或調(diào)節(jié)閥，被控對象可以是生產(chǎn)過程，同時通過傳感器轉(zhuǎn)換被控參數(shù)信號，再經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換，用頻率信號作反饋的最后輸出，這樣就構(gòu)成了一閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。一個自動控制系統(tǒng)，除了上述幾部分之外，設(shè)有輔助裝置。例如給定裝置、顯示裝置、轉(zhuǎn)換裝置等，這些在電腦上通過鍵盤、顯示器和電腦外部器件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明自動控制系統(tǒng)實(shí)施例2它為一種閉環(huán)自動控制系統(tǒng)——料罐液位自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)組成示意見圖13，它由電腦主機(jī)、電腦主板上的硬件監(jiān)控電路(控制器)、執(zhí)行器——具有SSR的電動調(diào)節(jié)閥、被控對象——料罐、用來測量被控對象內(nèi)液位的液位傳感器組成，液位傳感器通過電壓/頻率(V/F)轉(zhuǎn)換器輸出頻率信號。
SSR和V/F轉(zhuǎn)換器設(shè)置在電腦機(jī)箱內(nèi)，液位傳感器的輸出連接圖12電路的V/F轉(zhuǎn)換器，SSR的輸出控制電動調(diào)節(jié)閥。電腦機(jī)箱內(nèi)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與SSR輸入連接；V/F輸出端與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口連接，如圖11原理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組成。如果料罐高1000mm，要求罐內(nèi)液位在500mm±50mm，構(gòu)成液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，qi表示物料的流入量，q0表示物料的流出量，h表示貯罐的液位；hs表示生產(chǎn)需要的貯罐液位高度。在穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)單位時間的流入量和流出量相符時，液位高度恰好維持在所需要的液位高度上。液位傳感器把料罐內(nèi)液位的變化情況(被控參數(shù))送到電腦控制器，電腦硬件監(jiān)控電路W87637HF則根據(jù)液位傳感器送來的被調(diào)參數(shù)h與給定的液位高度hs(給定信號)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較所得的偏差信號發(fā)出相應(yīng)的控制信號，控制進(jìn)口閥的開度，以改變液體的流入量，使液位保持在給定值hs附近。注意本例須將執(zhí)行器按反作用方式連接，既水位上升時，執(zhí)行器向關(guān)小方向動作，用傳感器遷移也能做到。
如果貯罐液位傳感器輸出0~5V對應(yīng)0~1000mm液位，則傳感器輸出Vo＝5h，又由圖12電路和式3，得f＝1280h 式7根據(jù)式6和式1有轉(zhuǎn)速因子Count＝K/N＝K/30f計算出不同頻率下的Count值，給定Count和允許變化區(qū)間，計算得Count＝35±4，通過BIOS鍵入數(shù)值，則料罐液位在500±50mm自動調(diào)節(jié)液位。
表3 在圖4中給出了通過風(fēng)扇插座連接反饋環(huán)節(jié)、SSR和負(fù)載的接法，圖4中的“負(fù)載”既可以是風(fēng)扇，也可以是其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)如電動執(zhí)行器等，圖4中的電源既可以是交流電源，也可以是直流電源，根據(jù)系統(tǒng)需要選擇。
用本發(fā)明組成自動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)充分利用電腦既成資源，無須編程，應(yīng)用面廣，是低成本閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。按圖11構(gòu)成的閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)尤其適合定值調(diào)節(jié)，只要根據(jù)傳感器與V/F轉(zhuǎn)換器輸出的頻率信號關(guān)系，計算出相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速因子Count和允許變化區(qū)間，設(shè)定被調(diào)參數(shù)和允許變化區(qū)間，列出類似表3的表格通過BIOS鍵入數(shù)值即可，控制器的算法無須普通用戶參入。
權(quán)利要求
1.一種基于電腦硬件監(jiān)控電路的自動控制系統(tǒng)，它由電腦、執(zhí)行器、被控對象、傳感器組成；電腦的主板上具有電腦硬件監(jiān)控電路及其風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口，其特征是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與執(zhí)行器輸入連接；傳感器為用來測量被控對象參數(shù)的傳感器，傳感器輸出的信號為頻率信號，它的輸出端與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動控制系統(tǒng)，其特征是傳感器為模擬傳感器，它通過參數(shù)/頻率轉(zhuǎn)換器輸出頻率信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動控制系統(tǒng)，其特征是傳感器為溫度傳感器或水位傳感器或濕度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動控制系統(tǒng)，其特征是硬件監(jiān)控電路的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與執(zhí)行器輸出電隔離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動控制系統(tǒng)，其特征是硬件監(jiān)控電路的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口與傳感器輸出信號電隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動控制系統(tǒng)，其特征是電腦硬件監(jiān)控電路的被控參數(shù)定值和允許區(qū)間通過電腦的基本輸入輸出系統(tǒng)設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動控制系統(tǒng)，其特征是執(zhí)行器為固態(tài)繼電器或風(fēng)扇或伺服器或電動機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電腦硬件監(jiān)控電路的自動控制系統(tǒng)，它由電腦、執(zhí)行器、被控對象、傳感器組成；電腦的主板上具有電腦硬件監(jiān)控電路及其風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制輸出端口與執(zhí)行器輸入連接；傳感器為用來測量被控對象參數(shù)的傳感器，傳感器輸出的信號為頻率信號，它的輸出端與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速計數(shù)輸入端口連接。本發(fā)明利用電腦主板上硬件監(jiān)控電路的既成控制器和控制算法，以達(dá)到自動監(jiān)測和控制更廣泛被控對象的目的。
文檔編號G06F11/30GK1547122SQ200410004190
公開日2004年11月17日 申請日期2004年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月8日
發(fā)明者李謙, 李 謙 申請人:李謙, 李 謙