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慧速控风

申报人：郑传有 申报日期：2024-06-01

基本情况

2024年批次
慧速控风 学生申报
创新训练项目
工学
测绘类
学生自主选题
一年期
慧速控风,一个旨在满足新时代下人民日益增长的对美好生活的需求的散热器项目.信息时代的基础在于发明了能高速计算的芯片,而芯片高度集成带来了高热量.慧速控风正是以给电脑散热为基点,逐步扩散到工业设备散热市场.在硬件方面我们采用了PWM控速电机,感温模块感知环境温度,蓝牙和WiFi模块连接电脑手机,实时读取设备CPU温度,支持语音识别与播报,人机交互更加轻松,搭配显示屏,实时显示播报内容和设备数据.软件方面采用应用加小程序的的连接方式读取设备数据,搭配机器学习算法和多功能调控,解决软需求.
曾参与全国大学生数学建模大赛获得省二,华数杯获得国二,星湖杯(成绩未出),汇川杯省二,CMAU市策大赛省三
 教育部产学合作协同育人项目221004090141236，面向光电行业工程师培养的实验实践体系建设；
2. 广西自然科学基金面上项目，2018GXNSFAA138066，锆钛酸钡钙基铁电薄膜取向生长与高压电活性的构效关系；
3. 广西自然科学基金青年项目，2015GXNSFBA139006，锆钛酸钡钙基无铅压电陶瓷晶粒定向生长机制研究；
4. 国家自然科学基金地区项目，FDLC薄膜-金属界面微纳米结构复合层的构筑及其应力释放机制研究。 
1. 技术方面：给予充分的高校技术指导；
2. 经费方面：依托自然科学基金和横向企业项目，给予配套1:1的经费支持；
3. 设备方面：提供实验及测试平台。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
郑传有 测绘地理信息学院 测绘工程 2022 总体规划项目仿真热传导和风洞模拟
陆锦 机械与控制工程学院 机械电子工程 2022 产品完善及功能数据核对
韦旭全 机械与控制工程学院 自动化 2022 硬件设计及硬件功能开发
宁家息 机械与控制工程学院 机械电子工程 2023 对产品3D建模及外观设计
莫刚舒 机械与控制工程学院 机器人工程 2022 软件设计及软件功能开发

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
马家峰 物理与电子信息工程学院 否
卢献健 测绘地理信息学院 否

立项依据

（一）研究目的
本项目的主要目的是针对当前高性能设备散热需求的快速增长以及绿色智能生活理念的普及，研发一款创新性的智能散热解决方案，以满足绿色制造和可持续发展的要求。我们旨在通过改变传统散热技术，融合尖端科技与人性化设计，实现设备散热的智能化、高效化和绿色化，从而推动散热设备行业的转型升级。
研究内容涵盖散热片设计与材质优化、硬件集成、软件系统开发、功能实现等多个方面。具体包括：
1.采用具有高热导率 ≥600W/m·K(纯铝散热仅为237W/m·K)、低密度（3.0-7.0g/cm3）、热膨胀系数可 调等特点，能够形成较大尺寸的金刚石基材料做为散热片,使用ANSYS-WorkBench软件模拟仿真热传导过程优化散热鳍片形状和间距并使用实验室采用点温测试实验测试.为项目应用到大型工业设备上提供更优散热方案.
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                        实验流程图
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                   模拟散热片部分
温测试实验测试
点温测试是用热电偶接触式测温，热电偶为美国 OMG T 分度热电偶，其测温
范围为-40~125℃，误差在±0.5℃，测点布置如图 4-11 所示。数据采集采用日本
HIOKI 多点数据采集仪如图 4-12 所示。测试数据采集仪软件界面见图 。
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      HIOKI 多点数据采集仪                            数据采集界面
2.风扇布局与外壳设计，实现轻便携与低噪音；风扇布局经过精心设计,通过CFD风洞模拟软件(creo)模拟调整实现了气流的均匀分布.
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3.集成温度感应模块与PWM控制电路，实现智能调速；
集成温度感应模块，通常简称为集成温度传感器，是一种设计用于直接检测并转换环境温度变化为电信号的电子组件。广泛应用于各种设备中，包括消费电子、汽车、工业控制以及医疗设备等，以实现精确的温度监测和控制功能。PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制直流电机转速,通过精确地调节PWM信号的占空比，可以有效地控制直流电机的转速，这种方法既灵活又高效，广泛应用于各种需要速度调节的电机控制系统中。
温度感应模块：集成高精度传感器于关键位置，75000毫秒级捕捉实时设备与环境温度变化，为智能调速提供数据，保障散热效率与精准度。
PWM控制电路：设计支持智能调速技术，基于温度数据自动调速电路，通过PWM信号调整风扇转速，低负载时低速静音，高负载时高，保证散热效率与低噪音平衡。
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4.集成语音识别与蓝牙通信，提升人机交互；
语音识别技术：项目集成先进的语音识别模块，利用高精度识别技术，支持用户语音指令，实现操作散热器的控制，无需触碰触控，提升便利性。
语音播报功能：集成语音播报模块，不仅识别还能实时反馈操作状态与温度、错误提示，例如过热警告，提升交互直观性，用户能专注工作或娱乐时无需频繁查看屏幕。
蓝牙通信：集成低功耗蓝牙通信模块，与手机或电脑，支持UART串口协议，信息传输快且稳定，实现远程控制与实时同步，数据查看与设置，方便用户随时随地掌握散热情况。
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5.软件系统开发，提供实时监控与智能调速；
实时监控：通过APP与微信小程序，用户可以定制个性化偏好设置风扇模式，根据习惯，语音指令自定义操作习惯，比如“开启节能模式”或“风扇全速”，系统智能响应，人机互动性更强。
智能休眠模式：当设备处于非活跃状态，如长时间未检测到用户操作，自动切换低功耗电模式，减低速或暂停风扇，降低能耗，实现绿色节能，延长电池使用时间。
节能优化：采用机器学习算法，学习用户习惯，智能调整风扇转速，自动适应使用周期，减少不必要能耗，优化能源使用，实现绿色节能，支持循环经济。
环境光感应：集成环境光感应器，实时捕捉周围光线强度，自动调节LED亮度，夜间降低亮度，保护视力，避免刺眼疲劳，白天保持适中，提升体验。
健康提醒：检测高强度使用，如长时间工作或游戏，语音播报提醒休息，防止过度劳累，结合光感应与环境，如光线暗调亮度过低，温馨提醒保护，引导休息。
（三）国、内外研究现状和发展动态
金刚石基材料作为轻质、高效的散热材料，吸引着无 数研究者的目光，有望成为大功率器件热管理过程中的关 键散热材料。随着材料合成工艺的进步，金刚石基材料向 着更低成本，更大尺寸等方面发展，以符合高性能散热领 域对散热材料提出的更高要求。 金刚石基材料高硬度、高强度的特性对金表面微通 道的精密加工带来了严峻的挑战。激光加工、等离子体刻 蚀等基于能量的方法以及模型复制法等基于气相沉积的 方法，为金刚石基材料表面微通道的加工提供了有效的解 决途径，能够实现深宽比≥15 的高深宽比微通道的精密加 工，从而有效满足微通道散热结构的制造需求。 针对金刚石基材料在高效散热领域的研究，主要聚 焦于金刚石基材料直接制备液冷微通道，以及金刚石基材 料作为热扩散层并与金属微通道进行耦合两条路线，上述 方法结合了金刚石基材料高导热的特性以及微通道高效 对流换热的能力，为新型超高热流器件的高效散热提供了 全新的技术手段。现有研究通过散热器件结构与界面特性 的协同优化，能够达到热流密度≥1kW/cm2 的散热能力， 从而实现芯片、雷达 T/R 组件等高热流器件的高效散热。 然而，目前关于金刚石基材料在高效散热中的研究 还不够充分，无法与大规模生产应用相匹配。
当前研究技术应用上PWM信号可为电机提供一个可控制的功率从而控制电机的转速。当 PWM驱动信号开通期间‚电机电流增加；在 PWM 驱动信号截止期间‚电机电流减小。在 THMC40／41脚14（VPWM）上的速度控制输入开路时‚可由1～10MΩ电阻控制风扇运行。利用 VPWM电压可以决定 VOUT上输出的 PWM 波形占空因数‚VPWM既可以是直流控制电压输入‚亦可以是数字控制输入。将 VPWM电压和脚1（COSC）上产生的三角波电压进行比较‚从而使芯片内部 PWM 比较器的输出占空因数与电压 VPWM成正比。当脚14上的电压 VPWM<0．7V 时‚THMC40／41处于睡眠状态；当 VPWM在0．7～2．5V 之间变化时‚其 PWM占空比也将在11％～100％范围内作相应改变‚从而使电扇风速随之变化。
引用文献:
[1]邓世博,夏永琪,吴明涛,等.金刚石基材料及其表面微通道制备技术在高效散热中的应用[J/OL].金刚石与磨料磨具工程:1-11[2024-05-14].http://kns.cnki.net/kc毫秒/detail/41.1243.TG.20240412.1430.002.html.
[2]袁侠义,谷正气,杨易,等.汽车发动机舱散热的数值仿真分析[J].汽车工程,2009,31(09):843-847+853.DOI:10.19562/j.chinasae.qcgc.2009.09.011.
[3]李承隆. 电子产品热设计及热仿真技术应用的研究[D].电子科技大学,2011.
[4]王萌,徐晓婷.高密度密封电子设备热设计与结构优化[J].电子工艺技术,2006(06):339-343.
[5]何伟. 电子设备散热特性分析与仿真方法研究[D].电子科技大学,2012.
[6]蔡世君,裴广坤,陈雨露.封闭机箱散热技术专利分析[J].中国科技信息,2024(01):17-19+23.
[7]肖芳,孙力,孙亚秀.PWM电机驱动系统中共模电压和轴电压的抑制[J].电机与控制学报,2009,13(03):402-407.
[8]陆正裕,熊建银,屈治国,等.CPU散热器换热特性的实验研究[J].工程热物理学报,2004(05):861-863.
[9]散热片设计[J].计算机与网络,2001,(13):5.
[10]陈众,郭静,田志敏,等.基于89C2051的简易交流变频器设计[J].微计算机信息,2001,(02):62-63.
[11]陈杰,徐红.抽样调查中样本量的设计和计算[J].武汉职业技术学院学报,2006,(01):118-120.
[12]张一力.网络市场调研及其实施方法[J].商业研究,2001,(02):7-9.DOI:10.13902/j.cnki.syyj.2001.02.003.
（四）创新点与项目特色
1.将科学前沿研发材料进行付诸现实,探究规模生产的可行性.
2.绿色智能调控，低耗模式创新；
3.个性化设计，满足多元化需求；
4.环境光感应联动；
5.过热保护与语音提示；
6.智能分析用户习惯，动态调速。
（五）技术路线、拟解决的问题及预期成果
在慧速控风项目中，我们精心设计的技术路线围绕解决散热效率低下与智能不足的核心问题，通过综合集成创新技术手段，实现散热器的全面升级。具体步骤包括：
1.研发阶段：深入研究与优化散热片材质与形状设计，确保高效热传导，同时采用导热系数高的金属材料，如金刚石增强散热效率。
2.集成：风扇布局与智能调速技术，利用CFD设计软件模拟气流，确保均匀分布，提高散热效率，同时降低噪音。
3.应用开发智能：集成温度感应模块与PWM控制电路，实时监控并智能调速，结合语音识别与蓝牙通信，实现人机交互。
4.优化与测试：阶段，通过功能、性能与用户体验测试，不断调优化工序与算法，确保智能响应用户习惯，提升节能效果。
预期成果显著，慧速控风项目将实现以下几大创新性突破：
1.高效散热器： ——通过优化设计与智能控制，实现散热性能提升，满足高性能设备散热需求。
2.智能调控产品 ——集成环境光感应与健康提醒，自动调节LED亮度，语音播报，过热保护与智能休眠节能模式。 环境友好 ———低耗设计，智能休眠节能，减少能源消耗，支持循环经济，环境责任履行。 市场竞争力 ———通过差异化创新，满足多元需求，塑造品牌口碑，推动市场接受度与份额提升，产品线拓展。
总结，慧速控风通过技术路线规划与集成创新解决传统散热低效问题，预期成果不仅在高效散热器上展现，更在智能调控、环境友好、竞争力上，推动绿色智能散热技术的转型，引领市场。
（六）项目研究进度安排
前期筹备阶段（1-2个月）
1. 市场调研与竞品分析
深入了解市场需求、用户痛点以及竞争对手的产品优缺点，为产品设计提供数据支撑。
2. 技术方案论证
组织专业技术团队，评估选定的各项技术是否切实可行，优化设计方案，并初步预算项目成本。
3. 组建项目团队
组织团队成员担任硬件工程师、软件开发者、机械设计师、产品经理等角色，明确团队职责与协作机制。
产品研发阶段（3-8个月）
1. 硬件设计与开发
绘制散热器的详细设计图纸，包括结构设计、元器件选型、PCB板设计、电路布线等，同时进行样机制作与功能验证。
2. 软件开发与联调
编写配套的电脑端软件和移动微信小程序，实现与散热器的蓝牙通信、数据同步及智能控制功能，同时进行软件与硬件的联合调试。
3. 语音识别与播报模块开发
合作对接语音识别服务商，定制适合散热器应用场景的语音识别与播报功能，确保交互流畅自然。
4. 环境光感应与RGB灯光联动算法开发
研究并开发光照强度检测算法和灯光控制逻辑，确保环境光感应与RGB灯光联动效果理想。
产品测试与优化阶段（9-10个月）
1. 功能测试
对已完成的散热器原型进行全方位的功能测试，包括温度感应准确性、风扇智能调速、蓝牙通信稳定性、语音识别与播报效果等。
2. 性能测试
模拟不同负载条件和环境温度，评估散热器的实际散热性能、噪声水平、节能效果以及智能控制策略的有效性。
3. 用户体验测试
24.邀请部分目标用户参与试用，收集用户反馈，针对发现的问题和建议进行迭代优化。
批量生产和质量控制阶段（11-13个月）
1. 生产工艺定型
在原型测试优化的基础上，完善生产工艺流程，确定生产线配置，确保大批量生产时产品质量的一致性和稳定性。
2. 建立生产供应链
寻找有合作意向的投资人和供应商进行合作，确保有足够投入生产所需的资金,所需零部件的质量与供应稳定，降低物料成本与风险。
3. 质量控制体系建立
制定严格的质量控制标准和检验流程，确保每一台出厂的智能散热器都达到设计规格和质量要求。
市场营销与产品上市阶段（14-个月）
1. 品牌宣传与市场推广
策划并执行线上线下营销活动，包括新品发布会、媒体公关、社交媒体传播、合作伙伴关系建立等，提前宣传，吸引目标用户关注。
2. 销售渠道铺设
与抖音快手等短视频平台和淘宝等电商平台、线下零售商建立合作关系，布局分销网络，确保产品上市后能快速覆盖目标市场。
3. 售后服务体系建设
设立客户服务热线，培训专业的售后团队，准备充足的备件库存，确保用户购买后能得到及时有效的技术支持和服务。
后续迭代与持续优化阶段（持续进行）
1. 用户反馈收集与分析
通过用户评价、售后反馈等途径，持续收集用户意见和建议，对产品进行针对性优化升级。
2. 技术更新与功能扩展
跟踪最新散热技术、物联网技术、人工智能技术的发展趋势，适时对产品进行技术更新和功能扩展，保持产品的市场竞争力。
通过以上详细的实施计划，我们将有序地推进智能散热器的研发、生产和上市全过程，确保产品能满足市场需求，实现商业成功，并积极履行企业绿色制造、节能降耗的社会责任。
（七）已有基础
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
本项目自今年3月开学以来便不断推进项目进度,从零开始,到现在我们团队通过问卷发布和python爬虫关键字信息检索等其它途径对产品可行性进行调研,调研结果显示散热市场市值规模达850万亿元,其中消费者注重散热产品的安全、多功能性、节能低碳以及个性化设计。根据用户需求分析,我们将很多消费者期盼的功能从硬件仿真到硬件落地,已经完成了硬件功能里应用PWM技术智能调速和语音识别与播报模块开发,支持语音和按键调控风扇的不同模式.温度感应功能已经实现,可实时检测设备和环境温度并反馈到显示屏上.环境光感应与RGB灯光联动功能已经实现,支持低功耗蓝牙通信和WiFi连接.软件方面在申请一个微信小程序软著和一个用于连接产品和电脑的软著.后续将开发能连接工业设备的兼容性更强的程序以适应产品在工业生产中为工业设备散热的环境.已经可以通过采集用户使用电脑的习惯数据，结合机器学习算法对这些数据进行深度挖掘和学习，预测出最理想的风扇转速策略，以达到既能高效散热又能节能的目的。产品外形建模方面考虑到优先应用到为电脑散热便采用了可折叠外壳方案,在照顾到空气顺畅流动的同时使用户携带更加方便.折叠后可将电脑包夹其中,使成为电脑外力缓冲保护壳.在实验和仿真模拟方面我们已经开始了仿真建模,已经成功申请到了物理科研实验室的使用实验权,完善产品后准备申请产品专利.
2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
已具备的条件：
研究积累：团队在散热技术领域有一定的理论基础，参观接触过多项散热相关研究实验项目，积累了宝贵经验。
技术实力：团队成员强大,汇聚了硬件、软件开发、结构设计、算法，各领域人才，团队结构均衡。
设施设备齐全：拥有实验室,具备先进实验室与测试设备，能完成各项性能验证，确保硬件与软件的可靠性。
然而，要完全实现项目愿景，还需克服一些挑战，尚存在一些缺少的条件，我们将采取以下方法解决：
尚缺的条件及解决方法：
资金：：研发与生产成本较高，计划通过大创资金补助，争取科研基金支持，积极联系投资人拓宽资金来源。
市场调研仍需深入：尽管有初步数据，如通过线上问卷，细化用户画像。但对工业市场需求仍存在误区,需要进入生产一线通过对话企业负责人了解市场真实需求.
供应链整合：稳定的产品生产链条尚未建立，落地需联系零件供应商建立稳固合作，将通过合同确保材料质量与价格，确保供应稳定，降低风险。外加设计生产线或外包生产.
生态合作拓展：缺乏行业伙伴，寻求与知名厂商合作，通过产品兼容性测试，提升影响力，利于推广与销售。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 9000.00 1000.00
1. 业务费 3500.00 无 3000.00 500.00
（1）计算、分析、测试费 0.00 无 0.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 1500.00 调研学习 1000.00 500.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 2000.00 发表论文 2000.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 3000.00 购买设计器件 3000.00 0.00
4. 材料费 3500.00 元器件等 3000.00 500.00
结束

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