本篇論文主要是運用CPLD (Complex Programmable Logic
Device)單晶片來實現所設計的模糊控制器，進而控制電腦直流風扇馬達轉速或者依循所設計的保護機制，以達到安全散熱的目的。透過溫度感測器以及類比數位轉換器，可以隨時偵測到所設計系統的溫度和輸出電壓變化情形，經由模糊控制晶片上的模糊化、規則庫、推論引擎以及解模糊化等模組執行模糊運算，產生所需的脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)訊號，來驅動直流風扇馬達的轉速以因應不同的溫度環境，達成散熱之目的。
本文提供一個完整的智慧型系統散熱及安全保護之設計，可使系統更穩定、有效率和安靜地工作。

This thesis, based on Complex Programmable Logic Device (CPLD), mainly concerns with the design and implementation of a Fuzzy Logic controller (FLC) so as to adjust the fan speed via controlling the fan out driving circuit of a dc motor or shut down the system for protection when necessary. The information of the temperature of the system and the output voltage of the dc-motor fan out driving circuit are acquired by a thermal sensor and analog to digital (A/D) sensors. The major modules included in the FLC chip are fuzzifier circuit, rule-based circuit,inference engine circuit, and defuzzifier circuit, which, in response to different levels of temperature, carries out the designated fuzzy operations. This in turn produces a pulse width modulation (PWM) signal to adjust the dc-motor fan speed so as to remove the heat.
This thesis presents a smart heat sink design for computer thermal fan speed control and system protection, which enables the system to work in a stable, efficient
and quiet manner.

目錄

中文摘要.................................................I
英文摘要................................................II
目錄...................................................III
圖目錄..................................................VI
表目錄...................................................X
第一章 緒論..............................................1
1.1 前言.................................................1
1.2 研究動機與目的.......................................2
1.3 論文綱要.............................................4
第二章 智慧型散熱風扇控制系統介紹........................5
2.1 系統功能說明.........................................5
2.2 系統設計概念.........................................6
2.3 系統電路圖和實體圖...................................9
第三章 模糊系統介紹.....................................11
3.1 模糊系統基本架構....................................11
3.1.1 模糊化模組........................................12
3.1.2 模糊推論的方式....................................15
3.1.3 解模糊化模組......................................16
3.1.4 知識庫............................................17
3.2 模糊控制晶片設計方法................................19
3.2.1 前件部、後件部與歸屬函數的定義....................19
3.2.2 模糊規則庫之建立..................................20
3.2.3 模糊推論..........................................22
3.2.4 解模糊化..........................................22
3.2.5 模糊系統晶片(FSC)內部架構.........................23
3.2.6 模糊系統晶片模擬..................................26
3.3 智慧型散熱控制晶片功能介紹..........................27
第四章 風扇馬達控制電路之設計...........................33
4.1 脈波寬度調變轉速控制方法............................33
4.2 風扇控制電路分析....................................37
4.2.1 反或閘元件功能介紹................................37
4.2.2 RC低通濾波器......................................39
4.2.3 RC主動式低通濾波器................................40
4.2.4 PWM duty 與DC level 轉換之計算與量測..............42
4.2.5 定電流電路原理分析................................44
第五章 系統周邊電路介紹.................................46
5.1 溫度感知器及監控器..................................46
5.1.1 DS1821 工作原理...................................46
5.1.2 電路佈局注意事項（PCB Layout Guideline）..........53
5.2系統溫度保護.........................................55
5.2.1 系統保護機制......................................55
5.2.2 正常系統關機順序..................................57
5.3 風扇電壓偵測........................................61
5.3.1 類比轉數位IC 介紹.................................61
5.3.2 TLV1572 接腳圖與腳位說明..........................62
5.3.3 TLV1572 傳輸協定..................................63
5.3.4 TLV1572 之特性....................................66
5.3.5 如何計算出類比電壓轉數位值........................67
第六章 實驗結果.........................................69
第七章 結論與未來研究方向...............................90
參考文獻................................................91
作者簡歷................................................94

圖目錄
圖2.1 系統功能說明.......................................5
圖2.2 模糊控制系統方塊圖.................................7
圖2.3 溫度和PWM訊號的對應關係............................8
圖2.4 智慧型散熱控制暨保護系統電路圖....................10
圖2.5 智慧型散熱控制暨保護系統實體圖....................10
圖3.1 模糊系統基本架構..................................12
圖3.2 溫度的模糊集合....................................13
圖3.3 典型的歸屬函數....................................14
圖3.4 Mamdani的Min-Max模糊推論法........................16
圖3.5 模糊系統..........................................19
圖3.6 T的歸屬函數值.....................................19
圖3.7 dT的歸屬函數值....................................20
圖3.8 f之模糊單點值.....................................20
圖3.9 模糊規則編輯器....................................21
圖3.10 模糊規則瀏覽器...................................23
圖3.11 模糊系統晶片(FSC)內部架構........................25
圖3.12 模糊晶片電路圖...................................25
圖3.13 模糊系統晶片模擬圖...............................26
圖3.14 智慧型散熱控制晶片功能圖.........................28
圖3.15 智慧型散熱控制晶片接腳圖.........................29
圖4.1 低轉速時之PWM訊號.................................35
圖4.2 高轉速時之PWM訊號.................................35
圖4.3 一個週期的PWM脈寬調變.............................36
圖4.4 PWM平均電壓輸出結果...............................36
圖4.5 風扇控制電路......................................37
圖4.6 實際量測經過反或閘訊號波形比較....................38
(a)未經過反或閘的波形...................................38
(b)經過反或閘之後的波形.................................38
圖4.7 RC低通濾波電路....................................40
圖4.8 RC主動式低通濾波器................................41
圖4.9 RC低通濾波電路之輸出訊號振幅與頻率的關係..........42
圖4.10 主動式低通濾波器增益.............................42
圖4.11 主動式低通濾波器輸出電壓值.......................43
圖4.12 風扇控制電路中輸出電壓值.........................44
圖4.13 電晶體特性曲線 Ic-Vce ...........................45
圖5.1 DS1821 接腳圖.....................................47
圖5.2 有方向性 I/O 腳的線路接法.........................48
圖5.3 溫度開關模式輸出特性..............................49
圖5.4 DS-1821 初始化時序圖..............................51
圖5.5 讀取 DS-1821 資料的時序圖.........................52
圖5.6 電源降壓電路......................................55
圖5.7 系統保護工作原理流程圖............................56
圖5.8 SB600 晶片在AMD 電腦平台的開機/關機順序...........60
圖5.9 TLV1572 接腳圖....................................62
圖5.10 TLV1572 功能示意圖...............................62
圖5.11 TL1572 在 DSP 模式下的轉換時序圖.................65
圖5.12 TL1572 在微處理器模式下的轉換時序圖..............65
圖6.1 智慧型散熱控制暨保護系統的測試環境................73
圖6.2 溫度監控晶片......................................73
圖6.3 模糊控制晶片......................................73
圖6.4 風扇控制電路模組..................................73
圖6.5 12吋直流散熱風扇..................................73
圖6.6 8吋鼓型散熱風扇...................................73
圖6.7 TLV1572 風扇電壓偵測模組..........................74
圖6.8 DS1821 溫度感測器模組.............................74
圖6.9 數位示波器........................................74
圖6.10 電源供應器.......................................74
圖6.11 噪音測試計.......................................74
圖6.12 測速計...........................................74
圖6.13 溫度跟轉速測試結果圖.............................76
圖6.14 PWM duty 為 48 %.................................78
圖6.15 電壓輸出為6.01V..................................78
圖6.16 ISO7779 測試規範示意圖...........................80
圖6.17 溫度跟噪音測試結果...............................82
圖6.18 使用CPUMon 測試系統8個小時後的結果...............85
圖6.19 使用Hot CPU Test pro 測試系統8個小時後的結果.....86

表目錄

表2.1 溫度跟風扇轉速關係.................................9
表3.1 溫度的模糊集合....................................13
表3.2 模糊系統規則庫....................................21
表3.3 智慧型散熱控制晶片接腳功能描述....................29
表5.1 TLV1572 接腳功能說明..............................63
表5.2 TLV1572 特性說明..................................66
表6.1 溫度跟轉速測試結果................................76
表6.2 PWM 跟輸出電壓測試結果............................78
表6.3 ISO7779 測試規格..................................82
表6.4 使用 CPUMon 燒機8小時的統計結果...................86
表6.5 使用 Hot CPU Test pro 燒機8小時的統計結果........ 87

[1] Becker, M. Oestreich, D. Hasse, H. and Litz, L., “Fuzzy Control for Temperature and Humidity in Refrigeration Systems”, Proceedings of the Third IEEE Conference on Control Applications, Vol.2,pp.1607-1612,1994.
[2] Takushima, A. Shinobu, Y. Tanaka, S. Eguchi, M and Matsuki, K., “Fan Noise Reduction of Household Refrigerator”, Proceedings of the Third IEEE Conference on Control Applications, Vol.28, pp.287-292, 1992.
[3] Harahan, D., Applications Engineer, “Thermal Management Solutions”,presentation paper of Analog Devices Inc, 1999.
[4] Jones, J. D. and Hua, Y., “A Fuzzy Knowledge Base to Routine Engineering Design”, Fuzzy Sets and Systems,1998.
[5] 王文俊，認識Fuzzy”，全華科技圖書股份有限公司，民91年。
[6] Klir, G. J. and Yuan, B., “Fuzzy Sets and Fuzzy Logic Theory and Applications”, Prentice-Hall, 1995.
[7] Mendel, J.M.,“Fuzzy Logic Systems for Engineering: A Tutorial”,Proceedings of the IEEE, Vol.83, No.3, March 1995.
[8] 吳明宗，“以模糊邏輯設計交換式直流電源轉換器”，逢甲大學電機工程學系碩士班碩士論文，民93 年。
[9] 莊鈞閔，“模糊控制系統設計與實現”，淡江大學電機工程學系碩士班碩士論文，民91年。
[10] 谷腰欣司，“馬達驅動電路技術”,建興出版社，2003。
[11] Sedra, A. S. and Smith, K. C., “Microelectronic Circuits”, Fourth edition,1998.
[12] 張碩，“自動控制系統”，鼎茂圖書出版有限公司，民90 年。
[13] 江炫樟，“電力電子學”，全華科技圖書股份有限公司，民86 年。
[14] TLV1572,“Serial Analog-To-Digital Converter with Auto-Power down datasheet”,Texas Instruments Incorporated,1998.
[15] 盧明智、盧鵬任，“感測器應用與線路分析”，全華科技圖書股份有限公司，民國94年。
[16] DS1821, “Programmable Digital Thermostat and Thermometer”, Dallas Semiconductor datasheet, 2005.
[17] AMD., “SB600 Databook”, Rev. 3.02, pp.34-37, 2007.
[18] AMD.,”BIOS and Kernel Developer's Guide (BKDG) for AMD Family 11h Processors”, Chap 2.10.4.3 of THERTRIP, 2007.
[19] HP and Microsoft., “ ADVANCED CONFIGURATION AND POWER INTERFACE SPECIFICATION,ACPI”, Rev. 3.0b,PP.402-408,2006.
http://www.acpi.info/DOWNLOADS/ACPIspec30b.pdf
[20] ISO7779，桌上型個人電腦環保標章規格標準(請參考中華民國行政院環境保護署環保噪音規格標準網站
http://greenmark.epa.gov.tw/greenmark/criteria_show.asp?C_no=66).
[21] Fahy, F. J., “Measurement of acoustic intensity using the cross-spectral density of two microphone signals”, J. Acoust. Soc. Amer. , vol. 62, no. 4,
pp. 1057-1059, 1977.
[22] Mike Chin, “What’s sound? What’s noise? ”, www.silentpcreview.com.
[23] 台灣電力公司，電力公司電價表計算方式（詳細內容請參考台灣電力公司網址：http://www.taipower.com.tw/#）