微处理器及周边的时脉不断提升的结果，固然使得电脑系统的整体性能较以往大幅增加，但也使得电脑系统的散热问题较以往更为严重。当电脑系统的温度过高时，将使其无法在额定的温度范围内工作，而造成电脑系统的不稳定或当机的现象发生，如此将大幅降低电脑系统的可靠度（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晶片上线路的损​​害，进而缩短电脑系统的寿命。

上述电脑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。所以不论是伺服器、个人电脑，或是即将兴起的资讯家电，都必须考量到散热的问题。尤其是以性能导向的伺服器级电脑以及设计日益精巧的个人电脑，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电脑作为解决散热问题的对象，故在此以个人电脑为主要的讨论重点。以往个人电脑的散热考量，大多著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；但是随着个人电脑速度的提升，先前所述的问题已经随之发生。因此在现在的个人电脑中，需要进行散热考量的除了中央处理器外，可能还包括系统晶片组（Chipset），图形处理器（Graphics Processing Unit），主记忆体甚至硬式磁碟机等周边装置。

所以在现今的个人电脑中，散热的问题已经不若以往那样单纯。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。

现在对于个人电脑的散热问题，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晶片供个人电脑制造商使用，然而这些晶片在目前的应用上，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，但却需要个人电脑的介入，消耗个人电脑的运算资源，且于实际使用时亦需要安装驱动程式方可与使用者达到互动的动作。最后，这些晶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，对于现在的个人电脑系统，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借以控制个人电脑中各风扇的强弱，以达到有效的散热，同时降低个人电脑中因风扇而造成不必要的噪音。

作品架构

为了提供个人电脑一个完整的温度监控方案，所以设计一套由个人电脑供应电源，但独立于个人电脑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温度感测器直接与个人电脑中的主要发热源接触，以量测发热源之温度；LM35所量测到的值经过国家半导体的资料撷取晶片（LM12454）量化后，送至89C51处理；89C51会将温度感测器所感测的值显示于LCD模组，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　电脑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模组的显示上。在本系统中，温度感应器（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为电脑中发热最高之元件，如中央处理器及系统晶片组；S2及S3为电脑中发热次高之元件，如显示晶片及硬式磁碟机。如此一来，89C51就可以依照所得到的状态，以脉波宽度调变（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模组将在显示约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，以避免风扇无法启动的情形发生。当系统运作时，LCD模组的第一行会显示目前系统的整体状态（normal/warm/hot），而LCD模组的第二行会由左至右显示目前四颗温度感测器（SENSOR1 ～SENSOR4）所感测到发热源的温度。使用者可以针对每个发热源设定其个别之临界温度，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模组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量测发热源温度、独立于个人电脑之外，且提供良好使用者介面的电脑温度监控系统。此外，于前文曾经讨论到，现在的个人电脑中，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，使用以下的电脑进行测试：

《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晶片组中央；SENSOR3与SENSOR4亦分别以导热胶固定于硬式磁碟机之外壳及显示卡上的显示晶片中央。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，各量测点的临界温度设定为未使用监控系统时各感测点所感测到的最高温度减2.5℃。量测的结果如(表一)所示。

在表一中可以发现，当个人电脑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，各量测点的温度皆相当接近，故可以有效的将个人电脑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电脑中各风扇的转速，故使用监控系统的温度较未使用监控系统来的高出少许，但此时电脑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。

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式撰写方面，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的输出入埠，以减少其他元件的使用，而达到简化电路的目的。但由于89C51的输出入埠是以8位元为一组，且每组输出入埠都有其特性，故如此的设计使得程式的撰写复杂化，且需要考虑在相同输出入埠上的不同元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模组及控制按键，当撰写处理控制按键的程式时，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模组部分的信号造成干扰。

在撰写此种直接控制硬体的程式时，必须要对系统中所有元件的时序（Timing）规格完全了解。这原本应当是设计数位电路时的基本常识，但由于一时大意，忽略了LCD模组运作速度较慢，而造成程式无法成功的将LCD模组初始化（Initialize）的情况发生。

由于LM12454是一颗包含了类比与数位信号，亦即混合模式（Mixed-Mode）的晶片，故在设计此晶片周边的类比电路时需要将电源部分以及参考电压部分的高低频杂讯尽可能的清除及保持稳定的电压，以避免感测到的温度有不正确的现象发生。

高速的电脑系统如果缺乏良好的散热机制，将导致电脑系统的可靠性降低及元件寿命缩短。因此，需要有一套完整的方案以解决现代电脑系统的散热问题。本作品成功的解决了电脑系统的散热问题，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元件，发挥想像的空间并制成完整的成品。（作者就读于国立台湾科技大学电机工程博士班一年级）