基于PIC單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷設(shè)計(jì)

厲行軍 昌放輝

（1.海軍東海艦隊(duì)司令部，浙江寧波 315122; 2. 海軍湛江地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，廣東湛江524005）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，中央處理器（CPU）的速度不斷提高，而體積越來(lái)越小，這不可避免地產(chǎn)生了高熱流密度的問(wèn)題，從而導(dǎo)致CPU的發(fā)熱量猛增使其工作環(huán)境不斷惡劣。如果不能將CPU產(chǎn)生的熱量及時(shí)排掉，就會(huì)造成其內(nèi)部核心電路短路或斷路，造成CPU損壞。且溫度越高，CPU損壞的速度就越快，CPU的壽命就越短[1]。因此，計(jì)算機(jī)散熱降溫就顯得非常重要。傳統(tǒng)的 CPU散熱方式主要有風(fēng)冷散熱和水冷散熱，然而風(fēng)冷散熱受環(huán)境溫度的限制，而且體積較大；水冷散熱系統(tǒng)體積大、安裝麻煩，且存在水的泄漏和由此造成的短路問(wèn)題。顯然這兩種散熱方式不能滿足對(duì)設(shè)備的安全性能要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合，因此就需要采用一種安全可靠，成本、體積合理的溫度控制方式。

工控機(jī)主要是指工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)專用的計(jì)算機(jī)，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大多為連續(xù)作業(yè)，這就要求工控機(jī)具有較高的工作可靠性，而CPU能否及時(shí)散熱也就決定了工控機(jī)能否持續(xù)安全穩(wěn)定地工作。大多數(shù)工控機(jī)工作的環(huán)境溫度較高且空間有限，傳統(tǒng)散熱方式不能滿足工控機(jī)的適用要求。因此，必須采用體積小、效率高的散熱技術(shù)來(lái)解決工控計(jì)算機(jī)的散熱問(wèn)題。半導(dǎo)體制冷的方式具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、加熱制冷靈活迅速、溫控精度高、不需制冷劑，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[2]，所以，該方法更適合于要求控制精度高、安裝尺寸小的工控計(jì)算機(jī)。本文提出一種基于PIC單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷方法，利用半導(dǎo)體器件的帕爾帖效應(yīng)將 CPU產(chǎn)生的熱量及時(shí)地排除，控制其周圍的溫度，保證CPU安全穩(wěn)定的工作。

2 基本設(shè)計(jì)方案及工作原理

針對(duì)不同工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工控機(jī)的使用要求，設(shè)定適合其CPU工作的溫度范圍，然后通過(guò)單片機(jī)及溫度傳感器控制制冷裝置的啟動(dòng)與停止，以使CPU工作在所設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)?；谶@一思想，本文采用的設(shè)計(jì)方案和電路原理圖分別如圖1、2所示。

2.1 元器件選型

由于PIC單片機(jī)需要5 V的驅(qū)動(dòng)電壓，而工控機(jī)的供電電壓為 24 V，所以選用LM78L05(DC-DC)將24 V直流電壓轉(zhuǎn)換為5 V直流電壓。78L05的主要特點(diǎn)[3]是能提供固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路，而且使用不同的外接元件，可獲得不同的電壓和電流。

PIC系列單片機(jī)具有指令集簡(jiǎn)潔、簡(jiǎn)單易學(xué)、速度高、功能強(qiáng)、功耗低、價(jià)格低廉、體積小巧、適用性好及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，且片內(nèi)已經(jīng)包含運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM、輸入和輸出I/O(灌電流可達(dá)25 mA)、通信等常用接口，自由靈活的定義功能可以適應(yīng)不同的控制要求，而不必增加額外的IC芯片，以上特點(diǎn)使得設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。因此本系統(tǒng)采用PIC12C672型單片機(jī)作為溫度控制系統(tǒng)的核心控制部件。

溫度傳感器的種類繁多，形態(tài)各異，工作原理和使用范圍也各具特色，因此，在選型時(shí)必須結(jié)合實(shí)際情況選用合適的傳感器。本文所選用FM50溫度傳感器的主要特點(diǎn)[5]是輸出端向外輸出一個(gè)隨溫度變化而變化的電壓信號(hào)，且輸出電壓與溫度成線性關(guān)系，另外還具有高精度、低功耗的特點(diǎn)。

圖1 設(shè)計(jì)方案

圖2 電路原理圖

2.2 電路設(shè)計(jì)及工作原理

溫度控制系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示，其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為緊靠在CPU表面的半導(dǎo)體器件及散熱片。該溫控系統(tǒng)的工作原理為：CPU工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量使其周圍的溫度升高，F(xiàn)M50溫度傳感器感受這一變化并且向外輸出一個(gè)變化的電壓信號(hào)到PIC單片機(jī)，然后單片機(jī)將采樣得到的這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字量，即一個(gè)與當(dāng)前溫度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，并將其與所設(shè)定的和溫度上、下限分別對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行比較。如果當(dāng)前溫度超過(guò)了所設(shè)定的溫度上限值，那么，單片機(jī)的第3腳將輸出高電平控制三極管導(dǎo)通。這樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)便開始工作即啟動(dòng)制冷，同時(shí)單片機(jī)停止采樣，直到啟動(dòng)制冷大約5 min之后單片機(jī)再次采樣此時(shí)的溫度值。若此時(shí)溫度仍高于所設(shè)定的上限值，則繼續(xù)制冷5min然后再采樣比較，直到當(dāng)前溫度低于上限值，然后單片機(jī)控制停止制冷；相反，如果當(dāng)前溫度低于所設(shè)定的溫度下限值，若此時(shí)制冷系統(tǒng)未工作則單片機(jī)繼續(xù)采樣，若此時(shí)制冷系統(tǒng)已經(jīng)開始工作則單片機(jī)的第3腳輸出的低電平將控制三極管關(guān)斷，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止工作即停止制冷；而如果當(dāng)前溫度處于所設(shè)定的上、下限之間，若制冷系統(tǒng)已啟動(dòng)則單片機(jī)控制其停止工作，若制冷系統(tǒng)未啟動(dòng)則單片機(jī)繼續(xù)采樣。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3為所設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的程序流程圖，包含主程序和初始化子程序兩部分，其中，初始化子程序所實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)PIC單片機(jī)的選項(xiàng)寄存器（OPTION）、端口方向寄存器（RISA）和ADC控制寄存器0（ADCON0）進(jìn)行賦初值以使PIC單片機(jī)能夠正常工作。除此之外，還要給單片機(jī)設(shè)定兩個(gè)與溫度上、下限相對(duì)應(yīng)的數(shù)值來(lái)控制工控計(jì)算機(jī)CPU的工作溫度。主程序的主要功能是對(duì) CPU的工作溫度進(jìn)行監(jiān)控以使其穩(wěn)定在所設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)。

圖3 程序流程圖

4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為串聯(lián)組合的帕爾帖元件及散熱片，利用帕爾帖元件的帕爾帖效應(yīng)將CPU產(chǎn)生的熱量傳遞出去。實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)在帕爾帖元件的熱端安裝散熱片，具體的散熱過(guò)程為先由緊貼在 CPU表面的冷端吸收其放出的熱量傳遞到熱端，然后熱端再將熱量傳給散熱片，最終由散熱片將熱量散發(fā)出去。

所謂帕爾帖效應(yīng)就是當(dāng)電流流過(guò)兩種不同材料組成的閉合回路時(shí)，在材料的接頭處一端會(huì)吸熱（冷端），另一端會(huì)放熱（熱端），如圖4（a）所示。由于單片帕爾帖元件吸收的熱量是有限的，因此，本文采用將幾片帕爾帖元件串聯(lián)的方法來(lái)增大吸熱量，以達(dá)到實(shí)際的使用要求，如圖4（b）所示。

圖4 帕爾帖元件

5 樣品研制及實(shí)裝測(cè)試

基于以上設(shè)計(jì)思路我們研制了樣品如圖5所示，其中圖5（a）為控制電路板，圖5（b）為帕爾帖元件及散熱片。設(shè)定工控機(jī)CPU工作溫度的上限為 28℃下限為 25℃，環(huán)境溫度為 25℃。開機(jī)1小時(shí)后開始測(cè)量采集數(shù)據(jù)，每5分鐘測(cè)量一次CPU表面溫度，所測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)據(jù)顯示工控機(jī) CPU表面溫度穩(wěn)定在 25±0.5℃～28±0.5℃范圍內(nèi)，證明所設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

圖5 實(shí)驗(yàn)樣品

針對(duì)工控機(jī)CPU安全高效散熱這一目的，本文設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，研制了樣品并將其應(yīng)用于嵌入式工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在計(jì)算機(jī)開機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，CPU工作安全穩(wěn)定，其表面溫度始終控制在所設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)，且溫控系統(tǒng)的整個(gè)制冷過(guò)程安靜無(wú)振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，所設(shè)計(jì)溫度控制裝置的控制精度達(dá)到了±0.5℃，說(shuō)明了整個(gè)設(shè)計(jì)方案合理可行。

[1]劉一兵. 計(jì)算機(jī)CPU芯片散熱技術(shù)[J]. 低溫與超導(dǎo),2008, 36(6)： 78～82.

[2]吳揚(yáng). 半導(dǎo)體溫度控制儀的研制[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2006.

[3]Texa. A78L00 Series Positive-Voltage Regulators[Z].Texas Instrument, 1999.

[4]劉和平, 劉林, 余紅欣, 鄭群英. PIC單片機(jī)原理及接口程序設(shè)計(jì)[M]. 北京： 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[5]FAIRCHILD. FM50 Analog Temperature Sensor[Z].Fairchild Semiconductor, 2002.