智能散热器的设计.docx
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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
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
转换效率是咱们在生活中最看重的,能把物质利用到最大化。
能量大部份都被消耗在热能,因此提高散热是最为关键。
智能散热器的设计是为了知足在开关电源中提高开关管效率进行需求而做的课题,具有较为广漠的市场前景。
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固性与靠得住性。
智能散热器整体设计是围绕低本钱,模块化,可扩展和寿命长的特点。
单片机搜集功率器件的环境温度进而去操纵风扇的旋转,并能自动依照温度的转变调整转速,在现实中有着超级普遍的应用,
该智能散热器系统可普遍应用于开关电源而设计,完全离开人工操作,并能够通过远程监视、操纵,真正实现了智能操纵,目前已经在极高压电源上系统中利用。
关键词:
PWM,单片机,智能系统,温度操纵
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
课题背景
散热器在咱们生活和工业中到处可见,可是大部份都是比较单一的,智能散热器在工业生产、日常生活中都有普遍的应用,本文要紧讲开关电源中对开关管进行温度的转变实时散热。
为了使开关电源能够正常工作,需要安装适合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,幸免造成开关管(MOSFET)的节点温度太高,以致开关电源不能正常工作,乃至整个开关的DS两头直接短路损坏。
它决定了整个电源及其设计可持续的工作稳固性。
专门是在高压电源中的大功率开关管中需要大量散热,因此开关的散热问题需要重视,散热没有取得专门好的解决,因此本课题确实是考虑在高压开关电源中开关管的散热中做出的论述。
本设计能够作为一个简单的操纵来实现复杂的操纵,使操纵电压的转变,从而进行快速温度转变操纵,为尔后复杂操纵设计的基础。
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和工艺,在电子元器件内部刻上超级细微的冷却流液通管道。
可是那个技术此刻只是出于实验测试时期,因为对电子元器件的封装工艺要求十分严格因此限制了其实现的应用,可是在不久的以后是应该会有长足的进展。
在国外任何行业都在解决散热问题,尽可能把损耗热量降低到最低,可是事实上很难显示,一样的解决方式确实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,然后在依照功大率电子元器件的大小,在加工成需要的。
可是某些用途上加工的散热片的结构是专门大的难度,结构较复杂,而且笨重,无益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纳风冷的散热器,有点确实是能反馈温度信息,比较简单和轻巧。
美欧等冷散热器慢慢向标准化,系列化,模块化方面进展,智能散热器的设计已经有了必然的成效,能够使智能散热器依照环境的温度的转变进行自动无级调速,当温度升高到一按时能自动启动电机转动使其降温的作用,实现远程操纵。
智能散热器以普遍用于工业操纵和生活当中。
纳米流体强化传热研究:
研究说明,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操纵技术两方面。
在温度的测量技术中,接触式。
本课题的进展趋势
随着技术的进步,智能散热器将会在开关电源中取得进一步的进展,不断提高其智能操纵的精准度,不断的降低其运转的噪音,乃至实现零噪音,不断的降低功耗以节能,和充分提高开关电源中的集成度使其嵌入设备中将是其进展的趋势。
不管在高压和低压电源中,散热问题还需要不断的改良与提高,降低开关管的损坏,让工作更稳固,在此刻很多领域上散热那个问题还需要好好的解决。
若是把散热问题尽可能的降低到最大化,确实是把损耗的热能降到更低,那就能够够更好的提高转换效率了。
本课题是采纳物理方式强迫空气加速流动,方式简单,靠得住。
在开关电源中能够更好的尝试用这中方式,在以后的产品中能够用到此技术。
在此刻的散热中确实是在开关管中加散热片,或水冷的方式。
第一加散热片的方式,它的缺点确实是体检大,在安装产品中结构需要考虑,或许体检就会更大,而且材料不行买,加工复杂;第二确实是水冷的方式,成效比较不错,可是本钱更高,结构更复杂,因此通过以上的论述,在开关上加风扇和散热片相结合相对照较适合。
在以后的开关电源设计中,确信是考虑的一个方式。
此刻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。
第一自然冷却确实是在开关管工作以后,开关随着空气的慢慢降低室温。
风冷散热确实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)或功率元器件降温。
液冷散热确实是在开关管(MOSFET)或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
系统的设计要求及要紧技术指标
本论文要求利用单片机进行电路设计,同时单片机部份应带有显示功能。
能够人为方便地通过操纵面板或PC机设定操纵期望的温度值。
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式去测量温度的,高压的辐射与人身平安考虑。
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剂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,电机转动时刻为3分钟后,其停止工作。
而且通过操纵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平安结点温度大于85℃,整体开关电源爱惜电路就会对此做出反映,从而进行对自身实现超温爱惜。
如此对电源整个电路取得了爱惜。
另外,考虑到在电源的体积一样都比较小,因此智能散热器操纵板要小,而且便于安装。
系统整体设计方案
系统整体方案设计,如以下图
图系统整体方案图
系统整体设计方案论述
当前,散热有一下几种方式:
一、自然冷却技术
这种方式主若是针对小功率的MOS管和小热度密度的电气元件设备。
依托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。
这种方式简单,不必其他复杂的配件。
二、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样采纳单片机和模拟电路两种形式,模拟操纵电路的各操纵环节一样由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路和电容、电阻等外围元器件组成。
智能散热器的最大优势是整个系统响应速度快,低功耗能实现对系统实时操纵。
本系统采纳STC89C54单片机为核心,通过DS18B20进行温度搜集,送入单片机,通过软件编程进行搜集温度进行温度的比较和范围划定,然后通进程序操纵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驱动芯片来操纵直流电机的启动、速度、方向的转变;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搜集模块,单片机操纵模块,温度显示模块和电机及电机驱动模块。
系统软件设计方案分析
目前,STC单片机的开发要紧用到两种语言:
C语言和汇编语言。
而与汇编语言相较,C语言具有以下两个特点:
(1)具有结构化操纵语句
结构化操纵语句的显著特点是将程序的代码和数据的功能,即程序交流各部份除必要的彼此独立。
如此的方式能够使程序结构清楚明了,易于利用,保护和调试。
(2)适用的范围大简、洁和可移植性好
与其他高级语言C语言和不依托于具体的CUP,源程序具有专门好的可移植性。
代码简单易懂,易于工程。
此刻主流的CPU和一般单片机开发的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,选择利用C语言开发本系统的软件。
3系统的硬件设计
单片机的选择与其性能分析
单片机概述
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,应用和普及得超级普遍。
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系列产品是最近几年来在我国超级流行的单片机。
单片机是采纳STC89C54芯片,该芯片是一个低功耗,高性能CMOS8位微操纵器采纳STC公司生产的,具有8K在系统可编程Flash存储器。
采纳经典的MCS-51内核STC89C54,但做了很多的改良使得与传统的51单片机芯片不具有的功能。
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,为许多嵌入式操纵应用,效率高。
具有如表功能:
表要紧功能特性表
容MCS-51指令系统
8K字节程序存储空间
32个双向I/O口
~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性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。
单片机STC89C54的介绍
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,能够很容易嵌入进各类应用系统中的优势。
因此,以单片机为核心的嵌入式操纵系统在下述的各个领域中取得普遍的应用,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,单片机确实是一片半导体硅片上集成了中央处置器单元,存储器(ROM、RAM)、并行I/O口、串行I/O口、按时器/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处合,可灵活上午应用于各类操纵领域。
STC89C54单片机大体组成包括有:
●一个8位的微处置器;
●片内数据存储器RAM有128B,21个特殊功能寄放器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位的按时器/计数器;
●五个中断源、两个优先级的中断操纵系统;
●具有位操作功能的布尔处置机及位寻址功能;
●片内振荡器和时钟产生电路。
STC89C54的管脚图如下所示
图STC89C54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)操纵信号引脚:
RST、ALE、PSEN、EA
RST(9脚):
复位信号输入端,高电平有效。
维持两个机械周期高电平常,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,石英晶振频率的持续输出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操纵信号。
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,每一个机械周期PSEN是两次有效。
可是在访问内部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号是可不能显现;
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(—,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(—,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(—,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(—,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,因此它是一个准双向口。
P0口提供低8位读取地址(A0-A7)和8位数据读取(D0-D7)总线。
但是就需要一个8位锁存器,利用ALE(地址锁存许诺)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、写操纵总线信号。
还提供串行通信、外部中断、计数器的外部计数输入信号等。
如表所示。
表P3口的第二功能
口线
信号
功能
RXD
串行口数据输入(接收数据)
TXD
串行口数据输出(发送数据)
INT0
外部中断0输入
INT1
外部中断1输入
T0
定时器0的外部输入(计数输入)
T1
定时器1的外部输入(计数输入)
WR
外部数据存储器写选通控制输出
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式
单片开关电源集成电路的功率损耗要紧由内部功率开关管(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转变的,很难准确计算出
值。
开关电源的功耗要紧分为量部份:
传输损耗和开关损耗。
传输损耗是由MOSFET的通态电阻
而引发的,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,开关管发烧程度专门大,该设计是让传感器靠近开关周围,通过测试开关管环境的温度,进而去操纵风扇的转速,加速环境空气的流通,通过物理方式进行降温。
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。
单片机晶振电路
单片机系统里都有,在本文介绍的晶振为12MHZ,如下图(以下图的左侧图为内部振荡方式,右图为外部振荡方式)在单片机系统中晶振作用就犹如人的心脏,没有晶振的启振,单片机就没有方法工作。
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成立在单片机石英晶振提供的时钟频率。
图晶振电路
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。
一些晶体也能够在必然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,以达到一个稳固的单频振荡,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。
通常一个系统是能够共用一个晶振,以此便于各部份维持同步。
可是通信系统的基频和射频中利用不同的晶振,就能够够通过电子调整频率的方式维持同步。
当采纳内部时钟时,片外连接的石英晶体和微调电容C二、C3接在放大器中反馈回路中组成并联振荡电路。
对外接电容C二、C3起稳固振荡频率、快速起振的作用。
尽管没有十分严格的要求可是电容容量的大小会轻微阻碍振荡频率的高低、振荡工作的稳固性、及温度稳固性,若是利用石英晶体,推荐利用30pf±10pf,在本设计中晶振的微调电容选择独石电容22pf,依照查资料得知利用陶瓷振荡器最好选择40pf±10pf,产生原始的振荡脉冲信号。
仿真如下图。
图晶振的连接图
单片机复位电路
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,其作用是在判定一个确信的初始状态,使单片机和其他系统组件,并从那个状态开始工作。
单片机本身是不能自动进行复位,必需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个高电平周期比平常多,其将执行复位操作。
若是复位一直持续为高电平,单片机就将处于循环复位状态。
依照在应顶用的要求,复位操作有两种大体形式:
上电复位和手动复位。
开机上电复位:
在上电的刹时,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;电解电容两头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Protues仿真复位图
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,能够用红外测温,确实是利用红外测温传感器。
通过对开关管(MOSFET)的节点温度实时的搜集,再进行A/D转换后,就能够够交给单片机进行数据的处置,然后在数码管显示,就能够够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。
而且在对搜集的信号进行放大时容易受温度的阻碍显现较大的误差。
方案二
为了考虑到温度传感器,通过单片机电路设计中,一样采纳的传感器,它能够利用DS18B20温度传感器,该传感器能够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,知足设计要求。
从以上两种方案,很容易患出结论,应该采纳方案二,电路比较简单、易实现、本钱低、靠得住性高、程序设计也比较简单,因此采纳了方案二。
DS18B20的要紧特点:
●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,精度可达土摄氏度。
●12位分辨率时最大能够达到工作周期为750毫秒。
●能够通过选择寄生的工作方式。
●检测温度范围能够达到–55℃~+125℃(–67°F~+257°F)
●内置EEPROM,限温报警功能。
●含有64位的光刻ROM,能够实现多机通信。
●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,然后进行温度数据搜集、读取与处置,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℃,能知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,精度能够达到±℃。
用户设定的分辨率和报警温度都可存储在芯片内部,且掉电后仍然存在。
温度传感器DS18B20简介
关于开关管(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℃,DS18B20可依如实际要求通过简单的编程就能够够实现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能够并联在惟一的三线上,能够实现多机通信的功能;
可通过一般的数据线供电,经常使用化,电压范围为~;
具有零待机功耗;
温度以9或12位数字;
用户可概念设置报警;
报警的搜索命令识别能够通过标志超进程序限定温度的器件;
负电压特性,很容易就判定出电源极性,如有电源极性接反时器件可不能因发烧而烧毁,可是不能正常工作;
DS18B20采纳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DS18B20与单片机的连接示用意
DS18B20内部结构
DS18B20的内部结构是由一名64bitFLASHROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器
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