智能散热器的设计.docx

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智能散热器的设计

智能散热器的设计

智能散热器的设计

学生姓名：

学生学号：

院（系）：

电气信息工程学院

年级专业：

电子信息工程

指导教师：

助理指导教师：

二〇一五年五月

摘要

转换效率是我们在生活中最看重的，能把物质利用到最大化。

能量大部分都被消耗在热能，所以提高散热是最为关键。

智能散热器的设计是为了满足在开关电源中提高开关管效率进行需求而做的课题，具有较为广阔的市场前景。

本文介绍智能散热器的设计是针对开关电源中开关管散热而设计开发工作。

在电源设计中散热决定了该电源的稳定性与可靠性。

智能散热器整体设计是围绕低成本，模块化，可扩展和寿命长的特点。

单片机采集功率器件的环境温度进而去控制风扇的旋转，并能自动根据温度的变化调整转速，在现实中有着非常广泛的应用，

该智能散热器系统可广泛应用于开关电源而设计，完全脱离人工操作，并可以通过远程监视、控制，真正实现了智能控制，目前已经在极高压电源上系统中使用。

关键词：

PWM，单片机，智能系统，温度控制

ABSTRACT

Theconversionefficiencyisourmostvaluedinlife,canmaketomaximizethematerialutilization.Mostoftheenergyisconsumedintheheat,soastoimprovetheheatdissipationisthekey.Thedesignofintelligentradiatoristomeettheincreasingdemandfortheswitchefficiencyoftheprojectintheswitchingpowersupply,hasabroadmarketprospect.

Thispaperintroducesthedesignofintelligentradiatorisdesignedforthedevelopmentoftheheatpipeswitchinaswitchingpowersupplywork.Inthedesignofpowersupplycoolingdeterminesthestabilityandreliabilityofthepowersupply.Theoveralldesignofintelligentradiatorisaroundthelowcost,modular,extensibleandlongservicelife.Thesingle-chippowerdeviceandtheambienttemperaturetocontroltherotationofthefan,andcanautomaticallyadjustthespeedaccordingtothechangeoftemperature,thereisaverywiderangeofapplicationsinreality.

Widelyusedinswitchingpowersupplyanddesignoftheintelligentradiatorsystem,withoutmanualoperation,andcanbecontrolledbyremotemonitoring,andrealizeintelligentcontrol,hasbeenusedinhighvoltagepowersupplysystemon.

KeywordsPWMSinglechipmicrocomputertemperaturecontrol

1绪论

1.1课题背景

散热器在我们生活和工业中随处可见，但是大部分都是比较单一的，智能散热器在工业生产、日常生活中都有广泛的应用，本文主要讲开关电源中对开关管进行温度的变化实时散热。

为了使开关电源能够正常工作，需要安装合适的散热器开关集成电路，为了便于内部开关和数字芯片及时降低温度，避免造成开关管（MOSFET）的节点温度过高，以致开关电源不能正常工作，甚至整个开关的DS两端直接短路损坏。

它决定了整个电源及其设计可持续的工作稳定性。

特别是在高压电源中的大功率开关管中需要大量散热，所以开关的散热问题需要重视，散热没有得到很好的解决，所以本课题就是考虑在高压开关电源中开关管的散热中做出的论述。

本设计可以作为一个简单的控制来实现复杂的控制，使控制电压的变化，从而进行快速温度变化控制，为今后复杂控制设计的基础。

1.2国内外研究现状、水平

微管到散热器：

是运用当前最先进的电子封装技术以及工艺，在电子元器件内部刻上非常细微的冷却流液通管道。

但是这个技术现在只是出于实验测试阶段，因为对电子元器件的封装工艺要求十分严格所以限制了其实现的应用，但是在不久的将来是应该会有长足的发展。

在国外任何行业都在解决散热问题，尽量把损耗热量降低到最低，但是事实上很难显示，一般的解决方法就是在大功率的元器件上加个散热片，大多数的散热片都是铝合金材料，然后在根据功大率电子元器件的大小，在加工成需要的。

但是某些用途上加工的散热片的结构是很大的难度，结构较复杂，并且笨重，不利于在航空航天上运用。

在航空航天的领域中很多很多都是采用风冷的散热器，有点就是能反馈温度信息，比较简单和轻巧。

美欧等冷散热器逐渐向标准化，系列化，模块化方面发展，智能散热器的设计已经有了一定的成效，可以使智能散热器根据环境的温度的变化进行自动无级调速，当温度升高到一定时能自动启动电机转动使其降温的作用，实现远程控制。

智能散热器以广泛用于工业控制和生活当中。

纳米流体强化传热研究：

研究表明，在液体传热介质可显著提高液体导热系数的一种纳米颗粒。

温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两方面。

在温度的测量技术中，接触式。

1.3本课题的发展趋势

随着技术的进步，智能散热器将会在开关电源中得到进一步的发展，不断提高其智能控制的精确度，不断的降低其运转的噪音，甚至实现零噪音，不断的降低功耗以节能，以及充分提高开关电源中的集成度使其嵌入设备中将是其发展的趋势。

不管在高压和低压电源中，散热问题还需要不断的改进与提高，降低开关管的损坏，让工作更稳定，在现在很多领域上散热这个问题还需要好好的解决。

如果把散热问题尽量的降低到最大化，就是把损耗的热能降到更低，那就可以更好的提高转换效率了。

本课题是采用物理方法强迫空气加速流动，方法简单，可靠。

在开关电源中可以更好的尝试用这中方法，在未来的产品中可以用到此技术。

在现在的散热中就是在开关管中加散热片，或者水冷的方式。

首先加散热片的方式，它的缺点就是体检大，在安装产品中结构需要考虑，也许体检就会更大，并且材料不好买，加工复杂；其次就是水冷的方式，效果比较不错，但是成本更高，结构更复杂，所以通过以上的论述，在开关上加风扇和散热片相结合相对比较合适。

在未来的开关电源设计中，肯定是考虑的一个方法。

现在的散热的方式就这几种，其中及分为：

自然冷却散热，风冷散热，液冷散热。

首先自然冷却就是在开关管工作之后，开关随着空气的慢慢降低室温。

风冷散热就是在大功率管和容易产生热量的电子元器件用风机吹，加速空气的流通，进而让开关管（MOSFET）或者功率元器件降温。

液冷散热就是在开关管（MOSFET）或者功率元器件紧贴在水冷槽上，用电机抽水一个进水一个出水，加速液体的流动带走热量。

2方案论证与选择

2.1系统的设计要求及主要技术指标

本论文要求使用单片机进行电路设计，同时单片机部分应带有显示功能。

可以人为方便地通过控制面板或PC机设定控制期望的温度值。

该设计应用于开关电源中开关管与大功率器件上进行散热。

在高压电源中开关管工作的温度是不能用常规方法去测量温度的，高压的辐射与人身安全考虑。

当温度大于35℃电机带动风扇转动，当温度超儿80℃电机就带动风扇全速转动，因此该系统应能自动调节风扇的转速进而加速热空气的流动，从而实现开关管的温度降低。

在温度只有10℃是，电机慢慢减速，电机转动时间为3分钟后，其停止工作。

并且通过控制面板上的液晶显示实时的温度值，在实际测得开关管与功率元件的温度超过系统设定的安全结点温度大于85℃，整体开关电源保护电路就会对此做出反应，从而进行对自身实现超温保护。

这样对电源整个电路得到了保护。

此外，考虑到在电源的体积一般都比较小，所以智能散热器控制板要小，并且便于安装。

2.2系统总体设计方案

系统总体方案设计，如下图2.2

图2.1系统总体方案图

2.3系统总体设计方案论述

当前，散热有一下几种方法：

1、自然冷却技术

这种方法主要是针对小功率的MOS管和小热度密度的电气元件设备。

依靠自然的热辐射和周围环境中的空气的自然对流带走元器件上产生的热量。

这种方法简单，无须其他复杂的配件。

2、强迫空气加速流动技术

通过风扇的转动让空气加速流通，本设计智能散热器的硬件电路一般采用单片机和模拟电路两种形式，模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。

智能散热器的最大优点是整个系统响应速度快，低功耗能实现对系统实时控制。

本系统采用STC89C54单片机为核心，通过DS18B20进行温度采集，送入单片机，经过软件编程进行采集温度进行温度的比较和范围划定，然后通过程序控制由单片机产生不同的PWM（脉冲宽度调制）信号，送给电机驱动芯片L298的使能端口，通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；单片机将温度数据传送给液晶LCD1602显示温度。

整个电路设计包括温度采集模块，单片机控制模块，温度显示模块和电机及电机驱动模块。

2.4系统软件设计方案分析

目前，STC单片机的开发主要用到两种语言：

C语言和汇编语言。

而与汇编语言相比，C语言具有以下两个特点：

（1）具有结构化控制语句

结构化控制语句的显著特征是将程序的代码和数据的功能，即程序交流各部分除必要的相互独立。

这样的方法可以使程序结构清晰明了，易于使用，维护和调试。

（2）适用的范围大简、洁和可移植性好

与其他高级语言C语言和不依赖于具体的CUP，源程序具有很好的可移植性。

代码简单易懂，易于工程。

现在主流的CPU和普通单片机开发的C编译器。

软件设计开发环境的是KEIL编译器生成的代码效率高，因此，选择使用C语言开发本系统的软件。

3系统的硬件设计

3.1单片机的选择与其性能分析

Intel公司推出的8位单片机：

1976年推出的MCS-48系列：

8039，8048等。

1980年推出了MCS-51系列：

8031，8051，8751，8052等。

其中8054成为重要的品种，应用和普及得非常广泛。

Atmel、Maxim、Philips、Siemens、ADI、DALLAS、ANALOG等半导体公司，也能生产出与8054相兼容的低功耗、高性能的产品。

ATMEL公司的89C54系列产品是近年来在我国非常流行的单片机。

单片机是采用STC89C54芯片，该芯片是一个低功耗，高性能CMOS8位微控制器采用STC公司生产的，具有8K在系统可编程Flash存储器。

采用经典的MCS-51内核STC89C54，但做了很多的改进使得与传统的51单片机芯片不具备的功能。

在单个芯片上，拥有8位CPU与在系统可编程Flash，灵活性高的STC89C54提供解决方案，为许多嵌入式控制应用，效率高。

具有如表3.1功能：

表3.1主要功能特性表

容MCS-51指令系统

8K字节程序存储空间

32个双向I/O口

5.5V～3.3V工作电压

三个16位定时器/计数器

512字节数据存储空间

内带4K字节EEPROM存储空间

可直接使用串口下载

5个中断源寿命

1000写/擦循环

数据保留时间10年

双数据寄存器指针

本设计中只是让单片机能够工作并未设计复位电路，只有晶振电路，为保证晶振起振将对地并联两个电容都为30pF。

MCS-51系列单片机的代表性产品为STC89C54，STC89C54是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

STC89C54具有软硬件相结合，体积小，可以很容易嵌入进各种应用系统中的优点。

因此，以单片机为核心的嵌入式控制系统在下述的各个领域中得到广泛的应用，其中片内含有64KB的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，单片机就是一片半导体硅片上集成了中央处理器单元，存储器（ROM、RAM）、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型单片机。

可提供许多高性价比的应用场合，可灵活上午应用于各种控制领域。

STC89C54单片机基本组成包括有:

●一个8位的微处理器；

●片内数据存储器RAM有128B，21个特殊功能寄存器SFR；

●片内程序存储器FlashROM有4KB；可寻址片内外统一编址的64KB的ROM，

●可寻址片外64KB的RAM；

●4个8位并行I/O接口（P0—P3）；

●一个全双工通用异步串行接口UART；

●两个16位的定时器/计数器；

●五个中断源、两个优先级的中断控制系统；

●具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能；

●片内振荡器和时钟产生电路。

STC89C54的管脚图如下3.1所示

图3.1STC89C54管脚图

各引脚功能简单介绍如下：

（1）电源引脚:

Vcc（40脚）：

电源端，接+5V电源。

Vss（20脚）：

接地端，接+5V电源地端。

（2）时钟振荡器外接晶体引脚：

XTAL1和XTAL2

STC89C54内部有一个振荡器和时钟产生电路。

XTAL1（19脚）：

片内振荡电路反相放大器输入。

XTAL2（18脚）：

片内振荡电路反相放大器输出。

（3）控制信号引脚：

RST、ALE、PSEN、EA

RST（9脚）：

复位信号输入端，高电平有效。

保持两个机器周期高电平时,完成复位操作。

ALE/

（30脚）：

地址锁存石通过使能脉冲编程输出/输入，石英晶振频率的连续输出1/6脉冲信号。

当访问外部存储器：

可作为低8位地址锁存P0控制信号。

对89C54片内ROM编程写入时：

作为编程脉冲输入端。

（29脚）:

外部程序存储器的选通信号。

是由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN是两次有效。

但是在访问内部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号是不会出现；

EA/

（31脚）：

外部程序存储器的地址使能输入/编程电压输入端。

平常接“1”时，CPU访问片内4KB的ROM，当访问地址超过4KB时，自动转向片外ROM中的程序。

当接“0”时，CPU只访问片外ROM。

第2功能Vpp对8751编程时，编程电压输入端。

（4）输入/输出端口引脚P0、P1、P2、P3

4个8位的并行输入/输出端口，共32个引脚。

作为通用输入/输出端口，P0、P2和P3端口又各自有第2功能。

通用输入/输出端口

准双向口:

作输入时要先对锁存器写“1”。

P0端口（P0.0—P0.7，第39—32脚）：

漏极开路的准双向口,输出能驱动8个74LS类型的负载。

P1端口（P1.0—P1.7，第1—8脚）：

内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载。

P2端口（P2.0—P2.7，第21—28脚）：

内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载。

P3端口（P3.0—P3.7，第10—17脚）：

内部带上拉电阻的准双向口,输出能驱动4个74LS负载。

P0、P2、P3端口的第二功能

P0端口：

是8位并行端口具有双功能，P0端口I/O作为一种通用的，在外接上拉电阻，因此P0端口不存在高阻抗（悬浮）状态，所以它是一个准双向口。

P0口提供低8位读取地址（A0-A7）和8位数据读取（D0-D7）总线。

然而就需要一个8位锁存器,利用ALE（地址锁存允许）来锁存P0口低8位的地址信号。

P2端口：

在CPU访问外部存储器或者I/O接口时，P2口提供的高8位地址（A8-A15）的总线信号。

P3端口：

在CPU访问外部存储器或I/O接口时，P3口提供读、写控制总线信号。

还提供串行通信、外部中断、计数器的外部计数输入信号等。

如表3.2所示。

表3.2P3口的第二功能

口线

信号

功能

P3.0

RXD

串行口数据输入（接收数据）

P3.1

TXD

串行口数据输出（发送数据）

P3.2

INT0

外部中断0输入

P3.3

INT1

外部中断1输入

P3.4

T0

定时器0的外部输入（计数输入）

P3.5

T1

定时器1的外部输入（计数输入）

P3.6

WR

外部数据存储器写选通控制输出

P3.7

RD

外部数据存储器读选通输出控制

开关电源散热器设计方法

单片开关电源集成电路的功率损耗主要由内部功率开关管（MOSFET）产生的。

因为开关电源的功率开关管（MOSFET）工作在高频开关状态，功耗

在开关周期中是不断的变化的，很难准确计算出

值。

开关电源的功耗主要分为量部分：

传输损耗和开关损耗。

传输损耗是由MOSFET的通态电阻

而引起的，通态电阻越小传输就越低。

开关损耗是MOSFET的漏极电容

造成的，通常传输损耗远大于开关损耗，开关损耗即可忽略不计。

在大功率电源中，开关管发热程度很大，该设计是让传感器靠近开关附近，通过测试开关管环境的温度，进而去控制风扇的转速，加速环境空气的流通，通过物理方法进行降温。

需要指出的是在对点片开关电源集成电路进行热参数计算，只需要考虑元件件本身的损耗。

单片机系统里都有晶振，在本文介绍的晶振为12MHZ，如图3.2所示（下图的左边图为内部振荡方式，右图为外部振荡方式）在单片机系统中晶振作用就如同人的心脏，没有晶振的启振，单片机就没有办法工作。

名称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生STC89C54所需的时钟频率，单片机晶振所提供的时钟频率越高则单片机（STC89C54）运行速度就越快，单片机接收到的一切指令的执行都是通过建立在单片机石英晶振提供的时钟频率。

图3.2晶振电路

当石英晶振在正常的工作条件下，晶振所产生的频率绝对精度可达到百万分之五十。

更先进的以达到更高的精度。

一些晶体也可以在一定范围之内调整所施加的电压的频率，这种称为压控振荡器（VCO）。

晶振是一种通过共振状态将机电能量转换，以达到一个稳定的单频振荡，准确。

单片机晶振的作用是为本系统提供所需要的时钟信号。

通常一个系统是可以共用一个晶振，以此便于各部分保持同步。

但是通讯系统的基频和射频中使用不同的晶振，就可以通过电子调整频率的方法保持同步。

当采用内部时钟时,片外连接的石英晶体和微调电容C2、C3接在放大器中反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C2、C3起稳定振荡频率、快速起振的作用。

虽然没有十分严格的要求但是电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用30pf±10pf，在本设计中晶振的微调电容选择独石电容22pf，根据查资料得知使用陶瓷振荡器最好选择40pf±10pf，产生原始的振荡脉冲信号。

仿真如图3.3所示。

图3.3晶振的连接图

复位操作是所有单片机的都有初始化操作。

在单片机运行工作时都需要复位，其作用是在判断一个确定的初始状态，使单片机和其他系统组件，并从这个状态开始工作。

单片机本身是不能自动进行复位，必须配合相应的外部电路才能实现。

当STC89C54单片机的复位引脚RST有2个高电平周期比平时多，其将执行复位操作。

如果复位一直持续为高电平，单片机就将处于循环复位状态。

根据在应中用的要求，复位操作有两种基本形式：

上电复位和手动复位。

开机上电复位：

在上电的瞬间，电解电容充电的电流最大，电解电容相当于短路，复位端（RST）端为高电平就自动复位；电解电容两端的电压达到电源电压时，电解电容充电电流为零，电解电容就相当于是开路，复位端（RST）端为低电平，则程序就正常运行。

图3.4Protues仿真复位图

3.2传感器的选择与其性能分析

方案论证：

方案一

由于本模块是测温电路，可以用红外测温，就是利用红外测温传感器。

通过对开关管（MOSFET）的节点温度实时的采集，再进行A/D转换后，就可以交给单片机进行数据的处理，然后在数码管显示，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，就要用到A/D芯片，考虑到电路交复杂，程序不是很容易写出来，其中还涉及到红外解码与编码，电路受干扰比较大。

而且在对采集的信号进行放大时容易受温度的影响出现较大的偏差。

方案二

为了考虑到温度传感器，通过单片机电路设计中，一般采用的传感器，它可以使用DS18B20温度传感器，该传感器可以直接读取被测温度值，转换，电路简单，精度高，软件和硬件实现容易，然后用接口芯片的系统，满足设计要求。

从以上两种方案，很容易得出结论，应该采用方案二，电路比较简单、易实现、成本低、可靠性高、程序设计也比较简单，所以采用了方案二。

DS18B20的主要特征：

●全数字温度的转换及输出。

●先进的半双工单总线数据通信协议。

●最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。

●12位分辨率时最大可以达到工作周期为750毫秒。

●可以通过选择寄生的工作方式。

●检测温度范围可以达到–55℃～+125℃（–67°F～+257°F）

●内置EEPROM，限温报警功能。

●含有64位的光刻ROM，可以实现多机通信。

●多样元件器的封装形式适应不同硬件系统。

该测温模块是通过STC89C54单片机驱动DS18B20，然后进行温度数据采集、读取与处理，再通过LCD1602显示温度值。

温度传感器是本设计的关键器件，本系统选用的是美国DALLAS半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，能满足开关管的外部结点温度。

被测温度扩展的16位数字量方式串行口输出，温度在-10～+85℃范围内，精度可以达到±0.5℃。

用户设定的分辨率和报警温度都可存储在芯片内部，且掉电后依然存在。

对于开关管（MOSFET）温度的检测，DS18B20具有3引脚TO－92A小体积封装形式；可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0615℃，DS18B20可根据实际要求通过简单的编程就可以实现9～12位数字值读取数据的方式。

DS18B20的具体性能特点有如下：

独特的单通信的单线接口只需要一个读取端口引脚进行通信；

多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，可以实现多机通信的功能；

可通过普通的数据线供电，常用化，电压范围为3.0～5.5V；

具有零待机功耗；

温度以9或者12位数字；

用户可定义设置报警；

报警的搜索命令识别可以通过标志超过程序限定温度的器件；

负电压特性，很容易就判断出电源极性，如有电源极性接反时器件不会因发热而烧毁，但是不能正常工作；

DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOCI封装，DS18B20有三个引脚，GND接地；DQ数字信号的输出/输入；VDD为外接电源输入端。

图3.5DS18B2