用刚学的 PCB 知识做一个优雅的树莓派风扇控制板

首先我不是EE（电子电路工程师），所以对电路一窍不通，但人就是这样，越菜越爱玩。所以如果你是EE的话，不要被我的电路图蠢到（不要骂我）。

我的家里就好几个树莓派，一些是我大学的时候做小任务的低功耗服务器用，另外一些是工作的时候，自己测试一些硬件用，跑一些边缘服务之类的。

树莓派旧风扇长期通电运行报废

我大学期间给树莓派 3B 配备的风扇在通电时间超过三年之后还是在最近寿终正寝了（作为一个4块钱的风扇而言，已经很抗造了），于是我就在想，为什么不做一个根据 CPU 温度动态控制风扇转速的模块，来延长风扇的寿命呢？说干就干。

众所周知，树莓派最新的 5B 系列已经有了成熟的风扇控制接口了。

图片来自：树莓派官网

网络上风扇开关电路简单明确，但不够优雅简洁

但我手里的好几个 3B 和 4B 这两个系列都没有呀，我也想要一个更加优雅的、模块化的接口，而不是临时的像这种：

基础原理图，来自 shumeipai.nxez.com

CSDNluzze123jpeg

图片来自：CSDN 用户 luzze_123

图片来自：CSDN 用户 qq_40251961

PCB 速成，嘉立创启动！

但我不会画电路板，更不了解各种电子电路相关的知识，只好去折磨 AI 了 😄。

但其实每个人都是有一定的电路基础的，正负极、开关。所以我选择了更加速成的方式：
【保姆级】二十分钟零基础PCB绘制打样一条龙教程（立创EDA专业版）

只需要按照这个视频教程，你就可以在半小时左右学会最基础的 PCB 板的绘制技巧，我也是顺利地完成了第一版绘制

第一版电路图

如果你是比较懂电路的话，你肯定已经看到问题所在了，没错，我把三极管放在了 5V 正极了，导致板子到手后风扇的转速非常慢，有时候甚至转不起来，即使已经通过 GPIO 把电路导通了，风扇还是不转或者转的非常慢，我就不瞎分析了，放出 AI 的分析：

把 8050 放在正极（高侧）当“开关”用了 —— 8050 是 NPN 晶体管，做高侧开关时它会工作在发射跟随（emitter-follower）模式，发射极电压 ≈ 基极电压 − 0.7V。GPIO 给的是 3.3V，发射极最多 ~2.6V，风扇的电源是 5V → 风扇只拿到 ~2.6V，自然转得很慢。

我理解下来就是：三极管放正极会对电压电流有较大损耗，导致风扇工作所需功率不足。

第二版电路图

于是重新去嘉立创领券，重新打板，重新焊接电路，重新测试，可以了！！！

再配合 Python 脚本，和亿点点配置，一个全自动的风扇控制模块就做好了！

安装效果图

模块大小示意（对比 Type-C 接口）

总花销：

  • 买电子元器件（S8050、排针、排母）：9元

  • 电烙铁基础套装（松香、焊锡丝、锡棉，支架）36.9元

然而这一趟折腾下来，我发现花销已经足够我买好多小风扇了，好在电烙铁可以反复使用，电子元器件也只消耗了一小部份，以后折腾其他东西也能用～

解除 GPIO 14 的串口占用，用来当做开关信号

当前这个模块占地较小，但也有代价，它使用的是GPIO 14进行电路开关控制，GPIO 14 在树莓派上原本是被串口通信功能占用，如果你跟我一样不使用串口功能，可以这样关闭掉：
sudo raspi-config

Interface Options → Serial Port

  • Would you like a login shell to be accessible over serial? → No

  • Would you like the serial port hardware to be enabled? → No

完成后退出并选择 Finish，允许它重启。

重启后：

sudo vim /boot/firmware/config.txt

确认或添加以下内容（顺序重要）：

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# 禁用蓝牙，释放 UART
dtoverlay=disable-bt

# 确保主 UART 关闭
enable_uart=0
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sudo systemctl disable hciuart.service
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sudo systemctl mask hciuart.service
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sudo reboot

验证 GPIO 14 状态：

pinctrl get 14

应显示：

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GPIO 14: level=0 func=INPUT

（或类似 function INPUT），没有出现 ALT0 / TXD0 / RXD0。

此时即可用作普通 GPIO。

如果你需要串口功能，则可以使用另一种方案代替

这是另一个版本，它不占用串口功能，使用 GPIO 4 进行开关控制，最终组件也会相对应长一些

风扇控制脚本

Python 脚本：

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import RPi.GPIO as GPIO
import time
import signal
import sys

# 控制风扇的GPIO（BCM编号）
FAN_GPIO = 14

# 温度阈值（摄氏度）
HIGH_TEMP = 45.0  # 高于此温度开启风扇
LOW_TEMP = 42.0   # 低于此温度关闭风扇

# 检查间隔（秒）
CHECK_INTERVAL = 5

# 设置GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(FAN_GPIO, GPIO.OUT)

# 初始状态关闭风扇
GPIO.output(FAN_GPIO, GPIO.HIGH)
fan_status = False

# 获取CPU温度的函数
def get_cpu_temperature():
    try:
        with open('/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp', 'r') as f:
            temp = float(f.read()) / 1000.0
        return temp
    except Exception as e:
        print(f"无法读取CPU温度: {e}")
        return None

# 控制风扇的函数
def control_fan(temperature):
    global fan_status

    if temperature >= HIGH_TEMP and not fan_status:
        GPIO.output(FAN_GPIO, GPIO.HIGH)  # 开启风扇
        fan_status = True
        print(f"温度: {temperature}°C - 风扇开启")
    elif temperature <= LOW_TEMP and fan_status:
        GPIO.output(FAN_GPIO, GPIO.LOW)  # 关闭风扇
        fan_status = False
        print(f"温度: {temperature}°C - 风扇关闭")
    else:
        status = "开启" if fan_status else "关闭"
        print(f"温度: {temperature}°C - 风扇保持{status}")

# 优雅退出处理
def signal_handler(sig, frame):
    print("\n正在关闭程序...")
    GPIO.output(FAN_GPIO, GPIO.LOW)  # 确保风扇关闭
    GPIO.cleanup()  # 清理GPIO资源
    print("风扇已关闭，程序退出")
    sys.exit(0)

# 注册信号处理
signal.signal(signal.SIGINT, signal_handler)
signal.signal(signal.SIGTERM, signal_handler)

# 主循环
print("开始监控CPU温度并控制风扇...")
print(f"温度阈值: 高于{HIGH_TEMP}°C开启, 低于{LOW_TEMP}°C关闭")
print("按 Ctrl+C 退出程序")

try:
    while True:
        temperature = get_cpu_temperature()
        if temperature is not None:
            control_fan(temperature)
        time.sleep(CHECK_INTERVAL)
except KeyboardInterrupt:
    signal_handler(None, None)
except Exception as e:
    print(f"程序运行出错: {e}")
    GPIO.output(FAN_GPIO, GPIO.LOW)
    GPIO.cleanup()

Python

自动化服务配置

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[Unit]

Description=Fan control Service

After=network.target

[Service]

Type=simple

WorkingDirectory= # 这里替换成python脚本所在目录

ExecStart=/usr/bin/python3 # 这里替换成python脚本的绝对路径

Restart=always

RestartSec=10

StandardOutput=syslog

StandardError=syslog

SyslogIdentifier=fan-control

# 环境变量（如果需要）

Environment=PYTHONUNBUFFERED=1

[Install]

WantedBy=multi-user.target

Makefile

把上边这个脚本保存到

/etc/systemd/system/fan-control.service

然后依次执行:

重新加载服务文件

sudo systemctl daemon-reload

启动风扇控制脚本服务

sudo systemctl start fan-control.service

检查运行状态

sudo systemctl status fan-control.service

设置服务开机自启动

sudo systemctl enable fan-control.service

如果发现服务启动异常，可以通过这个命令来查看异常原因

sudo journalctl -u fan-control.service -n 50

效果

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Oct 16 13:23:42 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 44.008°C - 风扇保持关闭
Oct 16 13:23:47 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 44.546°C - 风扇保持关闭
Oct 16 13:23:52 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 45.084°C - 风扇开启
Oct 16 13:23:57 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 45.084°C - 风扇保持开启
Oct 16 13:24:02 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 44.008°C - 风扇保持开启
Oct 16 13:24:07 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 43.47°C - 风扇保持开启
Oct 16 13:24:12 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 43.47°C - 风扇保持开启
Oct 16 13:24:17 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 42.932°C - 风扇保持开启
Oct 16 13:24:22 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 41.856°C - 风扇关闭
Oct 16 13:24:27 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 41.856°C - 风扇保持关闭
Oct 16 13:24:32 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 41.856°C - 风扇保持关闭
Oct 16 13:24:37 raspberrypi fan-control[2004]: 温度: 41.318°C - 风扇保持关闭

备注

  • 嘉立创领券链接，感谢嘉立创！😄

  • 我跑通了这个PCB验证，也写完了这篇文章后，才发现很久之前（2021年）就有其他人做过：可以参考「夸克之书」的文章，哎，早点儿看到就能少走很多弯路了。