適用于狹小空間的PWM溫控風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊春麗

(大理大學(xué)工程學(xué)院，云南 大理 671003)

0 引言

隨著當(dāng)今人們生活品質(zhì)的提高以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等的需求，需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制的場(chǎng)合也越來(lái)越多。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)預(yù)期時(shí)，需要加入各種冷卻系統(tǒng)，以達(dá)到降溫的目的。常用的冷卻系統(tǒng)有水冷卻系統(tǒng)、油冷卻系統(tǒng)、空氣冷卻系統(tǒng)等。

這些冷卻系統(tǒng)各具優(yōu)缺點(diǎn)。以水冷卻系統(tǒng)為例，其原理為：以冷卻液為冷卻介質(zhì)，熱量先由機(jī)件傳給水，靠水的流動(dòng)把熱量帶走散入大氣，散熱后的水再重新流回到受熱機(jī)件處。其優(yōu)點(diǎn)為散熱效果好，不易受到灰塵的干擾，水路和冷卻強(qiáng)度可適當(dāng)調(diào)節(jié)，能較好地保持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作溫度；缺點(diǎn)為水冷需要安裝冷卻水塔、水泵，成本太高，不適合一般用戶使用。風(fēng)冷系統(tǒng)則是以空氣為冷卻介質(zhì)，通過(guò)風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流，利用風(fēng)扇將高溫零件的熱量直接散入大氣。其優(yōu)點(diǎn)是零件少,沒(méi)有漏水、冰凍、結(jié)垢等故障，質(zhì)量輕，制造成本低，功率利用率高，使用維護(hù)方便，環(huán)境適應(yīng)性好，啟動(dòng)后暖機(jī)時(shí)間短等。

在實(shí)際使用中，大型機(jī)器使用水冷卻系統(tǒng)會(huì)更加穩(wěn)定，而風(fēng)冷系統(tǒng)則更適用于中小型機(jī)組、狹小空間的冷卻要求。

1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)狹小空間散熱問(wèn)題及傳統(tǒng)風(fēng)冷系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)及自動(dòng)啟停的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)溫控風(fēng)冷系統(tǒng)。系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，利用DS18B20采集外界實(shí)時(shí)環(huán)境溫度并借助數(shù)碼管加以顯示。當(dāng)環(huán)境溫度在20～35 ℃時(shí)，利用單片機(jī)定時(shí)器控制I/O口輸出占空比為75%的脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)數(shù)碼管顯示為1檔；當(dāng)環(huán)境溫度高于35 ℃時(shí)，電機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng)(此時(shí)I/O口輸出占空比為100%的脈沖信號(hào))，并發(fā)出聲光報(bào)警，此時(shí)數(shù)碼管顯示為2檔；當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時(shí)，電機(jī)自動(dòng)停止，此時(shí)數(shù)碼管顯示為0檔。系統(tǒng)還具有利用LED燈和蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警以及重置控制溫度等多重功能。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)系統(tǒng)規(guī)定的上下限閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光雙重報(bào)警[1]。系統(tǒng)已通過(guò)Keil Uvision軟件測(cè)試及硬件電路測(cè)試。

系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

溫控風(fēng)冷系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)涉及系統(tǒng)主控芯片、溫度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、顯示器件、預(yù)警電路、按鍵等硬件電路的選型和電路連接[2]。

2.1 系統(tǒng)主控芯片AT89C52

本系統(tǒng)選用了40引腳雙列直插式AT89C52單片機(jī)作為主控芯片。AT89C52是一款工作電壓范圍為3.3～5.5 V的高性能的8位單片機(jī)。AT89C52有6路中斷源和32位并行通用的I/O端口、3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)含有8 KB的、可反復(fù)擦寫的Flash ROM和256 B的RAM[3-4]?？刹捎肅語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言對(duì)AT89C52單片機(jī)編程。本系統(tǒng)采用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言。

2.2 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是一款可直接輸出數(shù)字信號(hào)、集溫度采集和A/D轉(zhuǎn)換于一體的數(shù)字式溫度傳感器。其工作電壓范圍為3～5 V，與AT89C52單片機(jī)工作電壓基本一致。DS18B20使用簡(jiǎn)便，只需一條總線即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的雙向通信[5]。DS18B20測(cè)溫范圍為-55～+125 ℃，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)在-10～+85 ℃范圍內(nèi)時(shí)，可確保測(cè)量誤差不超過(guò)0.5 ℃[6]。

本系統(tǒng)中，DS18B20與單片機(jī)I/O口的接線如圖2所示。

圖2 DS18B20接線圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L9110

L9110是一款為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用H橋驅(qū)動(dòng)集成芯片。該芯片有2個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，其工作電壓范圍為2.5～12 V，可直接與單片機(jī)I/O端口連接。 L9110具有良好的抗干擾性，2個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò)750～800 mA 的持續(xù)電流，峰值電流可達(dá)1.5～2.0 A。同時(shí)，它具有較低的輸出飽和壓降，內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)功率管的使用上安全、可靠。L9110 被廣泛應(yīng)用于直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)功率管等電路上。

本系統(tǒng)中，L9110與單片機(jī)I/O口的接線如圖3所示。

圖3 L9110接線圖

2.4 溫度顯示及按鍵電路

常用的顯示器件有數(shù)碼管、LCD1602液晶顯示屏等。本系統(tǒng)為了節(jié)約成本及便于編程，采用數(shù)碼管作為溫度顯示器件。數(shù)碼管是一種由8個(gè)LED發(fā)光二極管按照一定的方式連接而成的字符顯示器件。按照連接方式發(fā)光二極管又分為共陰極數(shù)碼管和共陽(yáng)極數(shù)碼管。若將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起，則形成共陰極數(shù)碼管[7]。若要點(diǎn)亮共陰極數(shù)碼管上某一發(fā)光二極管點(diǎn)亮，則應(yīng)將數(shù)碼管共陰極接到低電平，將要點(diǎn)亮的發(fā)光二級(jí)管接高電平[7]。共陽(yáng)極數(shù)碼管點(diǎn)亮方式與之相反。本系統(tǒng)采用共陰極數(shù)碼管作為顯示器件。

此外，系統(tǒng)用到3個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)調(diào)速溫度及報(bào)警溫度的設(shè)置，以便實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。通過(guò)按鍵調(diào)整調(diào)速溫度及報(bào)警溫度值，使系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活。此模塊由兩部分組成，一部分是連接單片機(jī)P3.1～P3.3引腳的溫度調(diào)整按鍵(SET、DEC、ADD)，另一部分是連接單片機(jī)P1.2引腳的報(bào)警指示燈及P3.6引腳的蜂鳴器。

如果需要改變控制溫度上限閾值，則按下SET按鍵一次后，再按ADD(+)、DEC(-)按鍵調(diào)整上限溫度。此時(shí)，數(shù)碼管顯示模塊同步顯示溫度值設(shè)置。若要調(diào)整控制溫度下限閾值，則按下SET按鍵二次后，再按ADD(+)、DEC(-)按鍵調(diào)整下限溫度。此時(shí)，數(shù)碼管顯示模塊同步顯示溫度值設(shè)置。當(dāng)按下SET按鍵三次或沒(méi)有按下SET按鍵時(shí)，控制溫度處于鎖定狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化編程的方式，分別設(shè)計(jì)了DS18B20測(cè)溫程序、PWM脈寬調(diào)速程序、按鍵掃描程序、數(shù)碼管顯示程序、聲光報(bào)警程序及主程序，并對(duì)各部分子程序進(jìn)行組裝。

3.1 DS18B20測(cè)溫程序

DS18B20測(cè)溫程序主要包括初始化子程序、總線讀取子程序和總線寫入程序3個(gè)操作，且都必須嚴(yán)格遵循時(shí)序要求[8]。DS18B20初始化程序相當(dāng)于在單片機(jī)和傳感器之間建立了通信橋梁，為后面的操作作準(zhǔn)備[8]。初始化完畢，傳感器處于既可讀取又可寫入的狀態(tài)。單片機(jī)向DS18B20寫數(shù)據(jù)，是指令和數(shù)據(jù)發(fā)送的基本操作，采用位右移操作實(shí)現(xiàn)低位在前高位在后的逐位寫入，主要包括寫“0”和寫“1”這2種時(shí)序[8]。單片機(jī)從DS18B20讀取數(shù)據(jù)，包括溫度的采集和其他狀態(tài)信息的回傳，也是以位為單位，包括讀“0”和讀“1”2種時(shí)序。每次溫度轉(zhuǎn)換一般都經(jīng)過(guò)復(fù)位操作、發(fā)送ROM指令、發(fā)送RAM指令這3個(gè)步驟，然后讀取溫度[8-10]。

DS18B20測(cè)溫流程如圖4所示。

圖4 DS18B20測(cè)溫流程圖

3.2 PWM脈寬調(diào)速程序

PWM是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制與變換等許多領(lǐng)域。直流電機(jī)PWM脈寬調(diào)速就是在直流電源電壓基本不變的情況下，通過(guò)改變電子開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間，來(lái)改變施加到電機(jī)電樞端的直流電壓脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸入電機(jī)電樞電壓平均值的調(diào)速方式[9]。

脈沖寬度越大，提供給電機(jī)的平均電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快；反之，脈沖寬度越小，提供給電機(jī)的平均電壓越低，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。本應(yīng)用系統(tǒng)中，利用了定時(shí)器T0的中斷函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了PWM調(diào)速。

3.3 系統(tǒng)主程序

在整個(gè)設(shè)計(jì)中，主程序一方面負(fù)責(zé)讀出DS18B20所測(cè)量的溫度值，并借助數(shù)碼管加以顯示；另一方面根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度，確定PWM調(diào)速方案。程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，溫度傳感器所測(cè)量到的溫度值通過(guò)P3.5引腳輸入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)處理后的溫度數(shù)據(jù)再通過(guò)單片機(jī)輸出到數(shù)碼管顯示。同時(shí)，還可通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)整溫控檔位。當(dāng)超過(guò)上限溫度時(shí)，風(fēng)扇電機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)P1.2、P3.6引腳發(fā)出聲光報(bào)警。

系統(tǒng)程序的總體框架如下。

#include

#include

#include "eeprom52.h"

……

//各部分子函數(shù)定義

void main()

//主函數(shù)

{

init_eeprom();

//開(kāi)機(jī)自檢eeprom保存的上、下限溫度值

ReadTemperature();

//讀取溫度并顯示

InitT0();

//定時(shí)器T0初始化

while(1)

{

if(js>=50)

//每隔1 s讀取一次溫度

{

ReadTemperature();

//讀取溫度并顯示

js=0;

// js變量清零，為下1 s讀取溫度計(jì)時(shí)

}

zi_dong();

//判斷當(dāng)前溫度需要啟動(dòng)哪一個(gè)PWM溫控模式}

}

void T0_TIME() interrupt 1{…}

//定時(shí)器中斷函數(shù)，用于PWM調(diào)速

主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 試驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟、硬件測(cè)試和實(shí)際驗(yàn)證，溫度真實(shí)值與測(cè)量值對(duì)比如表1所示。

表1 溫度真實(shí)值與測(cè)量值對(duì)比

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)誤差小于0.5 ℃。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的精確度較高、實(shí)用性較強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種適用于狹小空間散熱的PWM溫控風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度并借助數(shù)碼管加以顯示。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)環(huán)境溫度控制I/O口產(chǎn)生脈寬可調(diào)的電信號(hào)，控制與之連接的風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)速。本文已對(duì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、器件選型、硬件連接和軟件設(shè)計(jì)等幾部分內(nèi)容作了詳細(xì)說(shuō)明。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)具有測(cè)溫精度高、散熱效果好、生產(chǎn)成本低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于空調(diào)、冰箱等電器的散熱系統(tǒng)，具有較好的應(yīng)用前景。