基于PIC單片機的半導體制冷設計

厲行軍 昌放輝

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

1 引言

隨著計算機技術的不斷發展，中央處理器（CPU）的速度不斷提高，而體積越來越小，這不可避免地產生了高熱流密度的問題，從而導致CPU的發熱量猛增使其工作環境不斷惡劣。如果不能將CPU產生的熱量及時排掉，就會造成其內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，計算機散熱降溫就顯得非常重要。傳統的 CPU散熱方式主要有風冷散熱和水冷散熱，然而風冷散熱受環境溫度的限制，而且體積較大；水冷散熱系統體積大、安裝麻煩，且存在水的泄漏和由此造成的短路問題。顯然這兩種散熱方式不能滿足對設備的安全性能要求嚴格的應用場合，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。

工控機主要是指工業現場專用的計算機，由于工業現場大多為連續作業，這就要求工控機具有較高的工作可靠性，而CPU能否及時散熱也就決定了工控機能否持續安全穩定地工作。大多數工控機工作的環境溫度較高且空間有限，傳統散熱方式不能滿足工控機的適用要求。因此，必須采用體積小、效率高的散熱技術來解決工控計算機的散熱問題。半導體制冷的方式具有體積小、重量輕、壽命長、無噪音、無機械運動、加熱制冷靈活迅速、溫控精度高、不需制冷劑，對環境無污染等優點[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算機。本文提出一種基于PIC單片機的半導體制冷方法，利用半導體器件的帕爾帖效應將 CPU產生的熱量及時地排除，控制其周圍的溫度，保證CPU安全穩定的工作。

2 基本設計方案及工作原理

針對不同工業現場對工控機的使用要求，設定適合其CPU工作的溫度范圍，然后通過單片機及溫度傳感器控制制冷裝置的啟動與停止，以使CPU工作在所設定的溫度范圍之內。基于這一思想，本文采用的設計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單片機需要5 V的驅動電壓，而工控機的供電電壓為 24 V，所以選用LM78L05(DC-DC)將24 V直流電壓轉換為5 V直流電壓。78L05的主要特點[3]是能提供固定的輸出電壓，應用范圍廣，內含過流、過熱和過載保護電路，而且使用不同的外接元件，可獲得不同的電壓和電流。

PIC系列單片機具有指令集簡潔、簡單易學、速度高、功能強、功耗低、價格低廉、體積小巧、適用性好及抗干擾能力強等特點[4]，且片內已經包含運算器、存儲器、A/D轉換器、PWM、輸入和輸出I/O(灌電流可達25 mA)、通信等常用接口，自由靈活的定義功能可以適應不同的控制要求，而不必增加額外的IC芯片，以上特點使得設計電路結構簡單，大大縮短了產品的開發周期。因此本系統采用PIC12C672型單片機作為溫度控制系統的核心控制部件。

溫度傳感器的種類繁多，形態各異，工作原理和使用范圍也各具特色，因此，在選型時必須結合實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[5]是輸出端向外輸出一個隨溫度變化而變化的電壓信號，且輸出電壓與溫度成線性關系，另外還具有高精度、低功耗的特點。

圖1 設計方案

圖2 電路原理圖

2.2 電路設計及工作原理

溫度控制系統的電路原理圖如圖2所示，其中，執行機構為緊靠在CPU表面的半導體器件及散熱片。該溫控系統的工作原理為：CPU工作過程中產生的熱量使其周圍的溫度升高，FM50溫度傳感器感受這一變化并且向外輸出一個變化的電壓信號到PIC單片機，然后單片機將采樣得到的這個電壓信號經內部的A/D轉換器轉換為一個數字量，即一個與當前溫度相對應的數字量，并將其與所設定的和溫度上、下限分別對應的數字量進行比較。如果當前溫度超過了所設定的溫度上限值，那么，單片機的第3腳將輸出高電平控制三極管導通。這樣執行機構便開始工作即啟動制冷，同時單片機停止采樣，直到啟動制冷大約5 min之后單片機再次采樣此時的溫度值。若此時溫度仍高于所設定的上限值，則繼續制冷5min然后再采樣比較，直到當前溫度低于上限值，然后單片機控制停止制冷；相反，如果當前溫度低于所設定的溫度下限值，若此時制冷系統未工作則單片機繼續采樣，若此時制冷系統已經開始工作則單片機的第3腳輸出的低電平將控制三極管關斷，使執行機構停止工作即停止制冷；而如果當前溫度處于所設定的上、下限之間，若制冷系統已啟動則單片機控制其停止工作，若制冷系統未啟動則單片機繼續采樣。

3 軟件設計

圖3為所設計溫度控制系統的程序流程圖，包含主程序和初始化子程序兩部分，其中，初始化子程序所實現的功能是對PIC單片機的選項寄存器（OPTION）、端口方向寄存器（RISA）和ADC控制寄存器0（ADCON0）進行賦初值以使PIC單片機能夠正常工作。除此之外，還要給單片機設定兩個與溫度上、下限相對應的數值來控制工控計算機CPU的工作溫度。主程序的主要功能是對 CPU的工作溫度進行監控以使其穩定在所設定的溫度范圍之內。

圖3 程序流程圖

4 執行機構

本文所設計溫度控制系統的執行機構為串聯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將CPU產生的熱量傳遞出去。實際應用中通常會在帕爾帖元件的熱端安裝散熱片，具體的散熱過程為先由緊貼在 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出去。

所謂帕爾帖效應就是當電流流過兩種不同材料組成的閉合回路時，在材料的接頭處一端會吸熱（冷端），另一端會放熱（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的方法來增大吸熱量，以達到實際的使用要求，如圖4（b）所示。

圖4 帕爾帖元件

5 樣品研制及實裝測試

基于以上設計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。設定工控機CPU工作溫度的上限為 28℃下限為 25℃，環境溫度為 25℃。開機1小時后開始測量采集數據，每5分鐘測量一次CPU表面溫度，所測得的數據如表1所示，數據顯示工控機 CPU表面溫度穩定在 25±0.5℃～28±0.5℃范圍內，證明所設計溫度控制系統滿足設計要求。

表1 試驗結果

6 結束語

圖5 實驗樣品

針對工控機CPU安全高效散熱這一目的，本文設計了一種基于PIC單片機的溫度控制系統，研制了樣品并將其應用于嵌入式工控計算機進行試驗，實驗結果顯示：在計算機開機運行的整個過程中，CPU工作安全穩定，其表面溫度始終控制在所設定的溫度范圍之內，且溫控系統的整個制冷過程安靜無振動，實驗數據表明，所設計溫度控制裝置的控制精度達到了±0.5℃，說明了整個設計方案合理可行。

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

[2]吳揚. 半導體溫度控制儀的研制[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學出版社, 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單片機原理及接口程序設計[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社, 2004.

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