适当的散热是当今电子产品的基本规则。电子元件的最佳工作温度为25度(标准室温)。一些商业设备中的散热没有正确完成,这会影响设备的寿命和性能。因此,嵌入一个紧凑的自动冷却风扇控制器板会很有用。此外,它还可用于保护您自己设计的电路及其功率元件,例如稳压器、MOSFET、功率晶体管等。
之前,我已经介绍了一个控制冷却风扇的电路,但是,我的目的是不使用任何微控制器并使其尽可能简单。因此,该设备是风扇的简单开/关开关,具体取决于定义的温度阈值。这一次,我决定设计一个完整且更专业的电路,使用LM35温度传感器和ATTiny13微控制器来控制大多数标准风扇(25KHzPWM)。
我使用了SMD元件,PCB板很紧凑。它可以控制一个或多个并联的标准3线或4线风扇,例如CPU风扇。此外,可以使用继电器保护目标设备/组件免受过热影响。还通过视觉/声音警告(闪烁的LED和蜂鸣器)通知用户。
为了设计原理图和PCB,我使用了AltiumDesigner22和SamacSys组件库(Altium插件)。要获得高质量的制造PCB板,您可以将Gerbers发送到PCBWay并使用componentsearchengine.com购买原始组件。我最初在面包板上测试了电路。我使用SiglentSDM3045X万用表准确检查电压,并使用SiglentSDS1104X-E示波器检查PWM脉冲的形状、占空比和频率。
负载过温保护:有(60度以上)
PWM频率:25KHz
风扇电压:12VDC
有效温度阈值:25C至60C
过温警告:是(闪烁的LED和蜂鸣器)
图1-PWM散热风扇控制器装置示意图
图1显示了PWM冷却风扇控制装置的示意图。该电路的核心是一个ATtiny13微控制器[1]。它读取温度值并决定如何处理风扇、继电器和蜂鸣器。
根据ATtiny13数据表:“ATtiny13是一款基于AVR增强型RISC架构的低功耗CMOS8位微控制器。通过在单个时钟周期内执行强大的指令,ATtiny13实现了接近1MIPS/MHz的吞吐量,使系统设计人员能够优化功耗与处理速度。”
我已将IC1的时钟源配置为9.6MHz,内部。对于我们的应用程序而言,无需使用外部时钟源(例如晶体)就足够了。R1是复位引脚的上拉电阻,以防止MCU意外复位。C2和C3是去耦电容,用于降低+5V电源的噪声。
电源
电源的主要元件是REG1,它是一个78L05稳压器[2]。我为此调节器选择了SO-8封装。P5是一个两针公XH连接器,为控制板和风扇供电。电源电压(12V)的电流取决于连接的风扇数量,否则+5V电源轨的电流消耗非常低。R7和C7在输入端构建了一个低通RC滤波器,以尽可能降低输入噪声,但RC滤波器上的压降对稳压器的工作影响不大。D3是一个0805绿色LED,用于显示正确的电源供应,R8将电流限制到D3。C5和C7用于降低输出电压噪声。
警报
此部分的组件是R5、R6、P4和D2。D2是一个0805红色LED,当发生过热时会闪烁。R5限制D2电流。P4为2针XH公头连接器,用于连接5V蜂鸣器。R6限制蜂鸣器的电流。
中继
该部分的组件是Q1、D1、R4、C4、K1和P3。K1是一个12V-10A继电器,用于在发生过热时关闭负载。它是常闭(NC),这意味着负载是打开的。D1保护Q1免受继电器电感器的反向电流的影响,C4抑制电流尖峰。Q1是一个2N7002[3]Mosfet,用于切换继电器。R4用于下拉Q1的栅极引脚以避免不必要的触发。
LM35温度传感器
P1是一个3针公XH连接器,用于将LM35传感器连接到电路板。您应该使用导热胶将LM35安装在散热器上,并使用短线将传感器连接到电路板。C1是一个去耦电容,用于降低噪声。
AVRISP
ISP是一个5针公头,用于对板载微控制器进行编程。您可以使用任何您喜欢的编程器,例如便宜的USBasp编程器或类似的编程器。
12V风扇
P2是一个3针XH公头连接器,用于将风扇连接到电路板。Q2用于将PWM脉冲传输到风扇的控制引脚。R2是一个10K的上拉电阻,可将5VPWM信号电平转换为12V。R3是一个下拉电阻器,以避免不必要地触发Q3的栅极引脚。图2显示了一个典型的IntelCPU风扇,它可能是您使用此控制器板冷却组件的选项之一。
图2-一个英特尔CPU风扇,它足够便宜,可用于冷却
PCB布局
图3显示了设计的PCB布局。它是一个两层PCB板,除了继电器和连接器外,其他组件都是SMD。最小的封装尺寸是0805,焊接组件应该没有任何问题,尽管您可以订购它完全组装。
图3-PWM冷却风扇控制电路的PCB布局
当我决定为这个项目设计原理图和PCB时,我意识到我的元件库存储中没有Q1、Q2、REG1和IC1的元件库。因此,像往常一样,我选择了IPC级SamacSys组件库,并使用免费的SamacSys工具和服务安装了缺少的库(原理图符号、PCB封装、3D模型)。导入库有两种方法:您可以访问componentsearchengine.com并手动下载和导入库,或者您可以使用SamacSysCAD插件并自动将库导入/安装到设计环境中。
上图显示了所有支持的电子设计CAD软件。很明显,所有著名的球员都得到支持。我使用AltiumDesigner,所以我使用SamacSysAltium插件安装了缺少的库,如下图。
PCB板的3D视图和两个组装图
微控制器的代码
我使用ArduinoIDE编写和编译微控制器的代码。我在库管理器中安装了MicroCore[9],以便能够为ATtiny13编译代码。你可以考虑下面的代码:
// Clock at 9.6MHz
#define F_CPU 9600000
const int PWMPin = 1;
analog_pin_t PotPin = A3;
const unsigned char relayPin = 0, buzzerPin = 4;
unsigned int rawTemp = 0, out = 0;
unsigned char counter = 0;
void setup()
{
analogReference(INTERNAL1V1);
pinMode(PWMPin, OUTPUT);
pinMode(relayPin, OUTPUT);
pinMode(buzzerPin, OUTPUT);
digitalWrite(relayPin, 0);
digitalWrite(buzzerPin, 0);
// Phase Correct PWM Mode, no Prescaler
// PWM on Pin 1(PB1), Pin 0(PB0) disabled
// 9.6MHz / 192 / 2 = 25Khz
TCCR0A = _BV(COM0B1) | _BV(WGM00);
TCCR0B = _BV(WGM02) | _BV(CS00);
// Set TOP and initialize duty cycle to zero(0)
OCR0A = 192; // TOP - DO NOT CHANGE, SETS PWM PULSE RATE
OCR0B = 192; // duty cycle for Pin 1(PB1)
}
void loop()
{
rawTemp = analogRead(PotPin) + rawTemp;
counter ++;
if (counter == 15) {
rawTemp = rawTemp / 15;
if (rawTemp < 232) {
OCR0B = 192;
} else {
out = map(rawTemp, 232, 558, 192, 0);
OCR0B = out;
}
if (rawTemp > 560)
{
emergency_OFF();
}
counter = 0;
rawTemp = 0;
}
_delay_ms(25);
}
void emergency_OFF() {
while (1) {
digitalWrite(relayPin, 1);
digitalWrite(buzzerPin, 1);
_delay_ms(250);
digitalWrite(buzzerPin, 0);
_delay_ms(250);
}
}
我已将ADC参考电压定义为1.1V内部。这意味着对于1100mV的输入电压,ADC的最大值为1023。LM35温度传感器25度输出电压为250mV,60度输出电压为600mV。因此,它非常适合ADC输入范围,最高110度,无需任何硬件修改。
要更改阈值,您应该修改out=map(rawTemp,232,558,192,0),例如,将温度上限阈值从60度增加到70度。
要安装MicroCore,您应该在ArduinoIDE的首选项部分的AdditionalBoardsManagerURLs中插入此URL:
https://mcudude.github.io/MicroCore/package_MCUdude_MicroCore_index.json
图7显示了ArduinoIDE的这一部分。
图7-附加板管理器URL,ArduinoIDE首选项部分
然后你应该去工具菜单和BoardsManager并安装MicroCore。然后您将看到已安装的板,如图8所示。
图8-安装了MicroCore库以支持ATtiny13MCU
要生成HEX文件并对MCU进行编程,您应该转到Sketch菜单并按ExportCompiledBinary。图9显示了该过程的图片。
图9-在ArduinoIDE中生成HEX文件
然后只需将您的编程器连接到PCB板的ISP接头并编程MCU。熔丝位应在9.6MHz内部时钟上设置,没有时钟分频。
测试
在设计原理图和PCB之前,我在面包板上测试了电路。因此,您可以确保一切正常。图10显示了FAN控制引脚的PWM信号。我使用SiglentSDS1104X-E示波器来捕获信号。
图10-25KHzPWM信号至风扇(SilentSDS1104X-E)
材料清单
图11显示了该项目的材料清单和零件编号。
图11-PWMCooling-FAN控制电路的物料清单
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