计算机温度监控系统

随着半导体技术的持续进步及使用者不间断的需求，微处理器中单位面积所能容纳的元件数大幅增加，且微处理器的时钟也不断地向上提升，以提高其运算速度。而在微处理器运算速度提高的同时，若是与微处理器连接的周边在数据传输的速度上无法配合，将成为系统的瓶颈。如此，将使得微处理器的闲置时间（Idle time）增加，而造成微处理器运算资源的浪费。因此，为了降低微处理器与周边芯片间数据传输的瓶颈问题，微处理器周边的芯片组及高速缓存，甚至主存储器的时钟亦必须不断地向上提升。

微处理器及周边的时钟不断提升的结果，固然使得计算机系统的整体性能较以往大幅增加，但也使得计算机系统的散热问题较以往更为严重。当计算机系统的温度过高时，将使其无法在额定的温度范围内工作，而造成计算机系统的不稳定或死机的现象发生，如此将大幅降低计算机系统的可靠度（Reliability）。此外，过高的温度也会造成所谓电子迁移（Electro-migration）现象的产生，电子迁移现象的发生会造成半导体芯片上线路的损害，进而缩短计算机系统的寿命。

上述计算机系统温度过高所产生的效应，可能在任何包含高速微处理机的系统中发生。所以不论是服务器、个人计算机，或是即将兴起的信息家电，都必须考虑到散热的问题。尤其是以性能导向的服务器级计算机以及设计日益精巧的个人计算机，更是需要注意散热问题。

散热问题的解决

任何包含高速微处理器的系统，都需要考虑到散热的问题。本作品是以桌上型个人计算机作为解决散热问题的对象，故在此以个人计算机为主要的讨论重点。以往个人计算机的散热考虑，大多着重于降低中央处理器及电源供应器内部的温度，使其能够在额定的温度下工作；但是随着个人计算机速度的提升，先前所述的问题已经随之发生。因此在现在的个人计算机中，需要进行散热考虑的除了中央处理器外，可能还包括系统芯片组（Chipset），图形处理器（Graphics Processing Unit），主存储器甚至硬式磁盘驱动器等外围装置。

所以在现今的个人计算机中，散热的问题已经不如以往那样单纯。在许多系统中，需要安装多个风扇以解决散热问题。然而，若无法依照发热源的温度对这些风扇达到有效的管理，可能使得热量累积在机壳内，造成机壳内的温度持续上升。对于此种问题，使用高出风量的机壳风扇是必须的，但此种风扇带来大量的噪音，将造成使用者相当程度的不适感。

现在对于个人计算机的散热问题，已经有了一些简单的解决方案。目前有厂商提供监督系统状态的芯片供个人计算机制造商使用，然而这些芯片在目前的应用上，皆是被中央处理器所控制。如此的做法可以达到监视系统温度的目的，但却需要个人计算机的介入，消耗个人计算机的运算资源，且于实际使用时亦需要安装驱动程序方可与使用者达到互动的动作。最后，这些芯片在实际被使用时并没有与各主要发热源接触，且无法动态的调整各系统风扇的强弱。

基于上述的分析，我们可以知道，对于现在的个人计算机系统，需要有一套完整的温度监控方案以监视各主要发热源之温度并藉以控制个人计算机中各风扇的强弱，以达到有效的散热，同时降低个人计算机中因风扇而造成不必要的噪音。

作品架构

为了提供个人计算机一个完整的温度监控方案，所以设计一套由个人计算机供应电源，但独立于个人计算机系统之外的温度监控系统。本系统的方块图如(图一)，在(图一)中，四颗国家半导体的LM35温度传感器直接与个人计算机中的主要发热源接触，以测量发热源的温度；LM35所测量到的值经过国家半导体的数据采集芯片（LM12454）量化后，送至89C51处理；89C51会将温度传感器所检测的值显示于LCD模块，并与控制按键及EEPROM连接，让使用者得以设定每个发热源的临界温度，以及将临界温度储存于EEPROM中。而最重要的是，89C51会持续的将各发热源的温度与储存于EEPROM中的临界温度相比较，以决定目前每个发热源的温度状态（normal/warm/hot），进而控制各风扇的运转强弱。在决定温度状态时，将温度上升时的状态及下降时的状态设定不同的比较标准，如此可以避免风扇在不同的温度状态间发生震荡的现象。比较的规则如下：

《公式一》

《图一 计算机温度监控系统方块图》

系统在得到每个发热源的温度状态后，随即将目前的状况反映到风扇的运转及LCD模块的显示上。在本系统中，温度传感器（SENSOR）的温度状态与风扇（FAN）强弱的对应关系如下：
《公式二》

其中S1及S4为计算机中发热最高的器件，如中央处理器及系统芯片组；S2及S3为计算机中发热次高的器件，如显示芯片及硬式磁盘驱动器。如此一来，89C51就可以依照所得到的状态，以脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation；PWM）的方式控制风扇的强弱。当风扇得到的温度状态为normal时，风扇以全速的3/8运转；当风扇得到的温度状况为warm时，风扇以全速的5/8运转；当风扇得到的温度状况为hot时，风扇以全速运转。
实际应用
当本系统接上电源后，LCD模块将在显示约2秒的欢迎画面后开始运作，而在此2秒中，各风扇也将全速运转，以避免风扇无法激活的情形发生。当系统运作时，LCD模块的第一行会显示目前系统的整体状态（normal/warm/hot），而LCD模块的第二行会由左至右显示目前四颗温度传感器（SENSOR1～SENSOR4）所检测到发热源的温度。使用者可以针对每个发热源设定其个别的临界温度，以控制系统中风扇的转速，而达到完整监控系统温度的目的。
使用者在系统运作时按下Mode键即可进入温度设定模式。此时，LCD模块的第一行会出现闪烁的箭头以指示目前正在针对那一个发热源进行设定，而按Left/Right可切换欲设定的发热源，按Up/Down可设定临界温度。当设定完成后，按下Mode键即可返回运作画面并将设定值储存至EEPROM，而89C51也立即依照新的设定值进行监控的动作。此外，当使用者于设定模式时，89C51依然会依照未储存的设定值进行监控的动作，不会因为使用者进入设定模式造成而停止监控的现象发生。
作品效能
本作品的主要目标是发展一套可以确实测量发热源温度、独立于个人计算机之外，且提供良好用户接口的计算机温度监控系统。此外，于前文曾经讨论到，现在的个人计算机中，必需使用高出风量的风扇，方可满足散热的需求，然而此种风扇带来大量的噪音，造成使用者产生相当的不适感。因此，降低风扇所产生的噪音亦为本作作品的目标之一。本作品在约21度的室温下，使用以下的计算机进行测试：
《公式三》

而SENSOR1以导热胶固定于与中央处理器的散热片中央；SENSOR2以导热胶固定于主机板芯片组中央；SENSOR3与SENSOR4亦分别以导热胶固定于硬式磁盘驱动器之外壳及显示卡上的显示芯片中央。未使用本系统控制风扇时，皆令所有风扇全速运转。且在使用监控系统的状况下，各测量点的临界温度设定为未使用监控系统时各检测点所检测到的最高温度减2.5℃。测量的结果如(表一)所示。
在表一中可以发现，当个人计算机进行大量的数值运算时，不论是否使用监控系统控制风扇强弱，各测量点的温度皆相当接近，故可以有效的将个人计算机的温度维持在安全的范围内，这是因为此时风扇为全速运转的缘故。而当进行单纯的文书处理等工作时，由于监控系统会主动降低个人计算机中各风扇的转速，故使用监控系统的温度较未使用监控系统来的高出少许，但此时计算机因风扇所发出的噪音大幅降低，成功的减少了使用者因风扇而造成的不适感，且此时各发热点的温度依然在相当安全的工作范围。
表一 计算机温度测量的结果

技术瓶颈与解决方法
在制作这件作品时，不论是在电路设计或是程序撰写方面，都曾经遇到问题，其中比较主要的问题是在设计电路时，主要的目标是希望在预定的功能范围内，尽量使用89C51的输出入端口，以减少其它器件的使用，而达到简化电路的目的。但由于89C51的输出入端口是以8位为一组，且每组输出入端口都有其特性，故如此的设计使得程序的撰写复杂化，且需要考虑在相同输出入端口上的不同器件所可能发生信号干扰的问题。例如，在本系统中89C51的Port1上是同时连接LCD模块及控制按键，当撰写处理控制按键的程序时，必须将整个Port一次读入后加以处理，而不是将每个控制按键分别读入后处理，如此才不会对LCD模块部分的信号造成干扰。
在撰写此种直接控制硬件的程序时，必须要对系统中所有器件的时序（Timing）规格完全了解。这原本应当是设计数字电路时的基本常识，但由于一时大意，忽略了LCD模块运作速度较慢，而造成程序无法成功的将LCD模块初始化（Initialize）的情况发生。
由于LM12454是一颗包含了模拟与数字信号，亦即混合模式（Mixed-Mode）的芯片，故在设计此芯片外围的模拟电路时需要将电源部分以及参考电压部分的高低频噪声尽可能的清除及保持稳定的电压，以避免检测到的温度有不正确的现象发生。
高速的计算机系统如果缺乏良好的散热机制，将导致计算机系统的可靠性降低及器件寿命缩短。因此，需要有一套完整的方案以解决现代计算机系统的散热问题。本作品成功的解决了计算机系统的散热问题，并降低了风扇运转所造成的大量噪音。同时，我要感谢陪伴我制作此作品的家人以及指导我的师长们，更要感谢美国国家半导体提供了这个难得的机会，让我们这些学子们能够利用国家半导体优异的器件，发挥想象的空间并制成完整的成品。