基于PIC单片机的半导体制冷设计

厉行军 昌放辉

（1.海军东海舰队司令部，浙江宁波 315122; 2. 海军湛江地区装备修理监修室，广东湛江524005）

1 引言

随着计算机技术的不断发展，中央处理器（CPU）的速度不断提高，而体积越来越小，这不可避免地产生了高热流密度的问题，从而导致CPU的发热量猛增使其工作环境不断恶劣。如果不能将CPU产生的热量及时排掉，就会造成其内部核心电路短路或断路，造成CPU损坏。且温度越高，CPU损坏的速度就越快，CPU的寿命就越短[1]。因此，计算机散热降温就显得非常重要。传统的 CPU散热方式主要有风冷散热和水冷散热，然而风冷散热受环境温度的限制，而且体积较大；水冷散热系统体积大、安装麻烦，且存在水的泄漏和由此造成的短路问题。显然这两种散热方式不能满足对设备的安全性能要求严格的应用场合，因此就需要采用一种安全可靠，成本、体积合理的温度控制方式。

工控机主要是指工业现场专用的计算机，由于工业现场大多为连续作业，这就要求工控机具有较高的工作可靠性，而CPU能否及时散热也就决定了工控机能否持续安全稳定地工作。大多数工控机工作的环境温度较高且空间有限，传统散热方式不能满足工控机的适用要求。因此，必须采用体积小、效率高的散热技术来解决工控计算机的散热问题。半导体制冷的方式具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动、加热制冷灵活迅速、温控精度高、不需制冷剂，对环境无污染等优点[2]，所以，该方法更适合于要求控制精度高、安装尺寸小的工控计算机。本文提出一种基于PIC单片机的半导体制冷方法，利用半导体器件的帕尔帖效应将 CPU产生的热量及时地排除，控制其周围的温度，保证CPU安全稳定的工作。

2 基本设计方案及工作原理

针对不同工业现场对工控机的使用要求，设定适合其CPU工作的温度范围，然后通过单片机及温度传感器控制制冷装置的启动与停止，以使CPU工作在所设定的温度范围之内。基于这一思想，本文采用的设计方案和电路原理图分别如图1、2所示。

2.1 元器件选型

由于PIC单片机需要5 V的驱动电压，而工控机的供电电压为 24 V，所以选用LM78L05(DC-DC)将24 V直流电压转换为5 V直流电压。78L05的主要特点[3]是能提供固定的输出电压，应用范围广，内含过流、过热和过载保护电路，而且使用不同的外接元件，可获得不同的电压和电流。

PIC系列单片机具有指令集简洁、简单易学、速度高、功能强、功耗低、价格低廉、体积小巧、适用性好及抗干扰能力强等特点[4]，且片内已经包含运算器、存储器、A/D转换器、PWM、输入和输出I/O(灌电流可达25 mA)、通信等常用接口，自由灵活的定义功能可以适应不同的控制要求，而不必增加额外的IC芯片，以上特点使得设计电路结构简单，大大缩短了产品的开发周期。因此本系统采用PIC12C672型单片机作为温度控制系统的核心控制部件。

温度传感器的种类繁多，形态各异，工作原理和使用范围也各具特色，因此，在选型时必须结合实际情况选用合适的传感器。本文所选用FM50温度传感器的主要特点[5]是输出端向外输出一个随温度变化而变化的电压信号，且输出电压与温度成线性关系，另外还具有高精度、低功耗的特点。

图1 设计方案

图2 电路原理图

2.2 电路设计及工作原理

温度控制系统的电路原理图如图2所示，其中，执行机构为紧靠在CPU表面的半导体器件及散热片。该温控系统的工作原理为：CPU工作过程中产生的热量使其周围的温度升高，FM50温度传感器感受这一变化并且向外输出一个变化的电压信号到PIC单片机，然后单片机将采样得到的这个电压信号经内部的A/D转换器转换为一个数字量，即一个与当前温度相对应的数字量，并将其与所设定的和温度上、下限分别对应的数字量进行比较。如果当前温度超过了所设定的温度上限值，那么，单片机的第3脚将输出高电平控制三极管导通。这样执行机构便开始工作即启动制冷，同时单片机停止采样，直到启动制冷大约5 min之后单片机再次采样此时的温度值。若此时温度仍高于所设定的上限值，则继续制冷5min然后再采样比较，直到当前温度低于上限值，然后单片机控制停止制冷；相反，如果当前温度低于所设定的温度下限值，若此时制冷系统未工作则单片机继续采样，若此时制冷系统已经开始工作则单片机的第3脚输出的低电平将控制三极管关断，使执行机构停止工作即停止制冷；而如果当前温度处于所设定的上、下限之间，若制冷系统已启动则单片机控制其停止工作，若制冷系统未启动则单片机继续采样。

3 软件设计

图3为所设计温度控制系统的程序流程图，包含主程序和初始化子程序两部分，其中，初始化子程序所实现的功能是对PIC单片机的选项寄存器（OPTION）、端口方向寄存器（RISA）和ADC控制寄存器0（ADCON0）进行赋初值以使PIC单片机能够正常工作。除此之外，还要给单片机设定两个与温度上、下限相对应的数值来控制工控计算机CPU的工作温度。主程序的主要功能是对 CPU的工作温度进行监控以使其稳定在所设定的温度范围之内。

图3 程序流程图

4 执行机构

本文所设计温度控制系统的执行机构为串联组合的帕尔帖元件及散热片，利用帕尔帖元件的帕尔帖效应将CPU产生的热量传递出去。实际应用中通常会在帕尔帖元件的热端安装散热片，具体的散热过程为先由紧贴在 CPU表面的冷端吸收其放出的热量传递到热端，然后热端再将热量传给散热片，最终由散热片将热量散发出去。

所谓帕尔帖效应就是当电流流过两种不同材料组成的闭合回路时，在材料的接头处一端会吸热（冷端），另一端会放热（热端），如图4（a）所示。由于单片帕尔帖元件吸收的热量是有限的，因此，本文采用将几片帕尔帖元件串联的方法来增大吸热量，以达到实际的使用要求，如图4（b）所示。

图4 帕尔帖元件

5 样品研制及实装测试

基于以上设计思路我们研制了样品如图5所示，其中图5（a）为控制电路板，图5（b）为帕尔帖元件及散热片。设定工控机CPU工作温度的上限为 28℃下限为 25℃，环境温度为 25℃。开机1小时后开始测量采集数据，每5分钟测量一次CPU表面温度，所测得的数据如表1所示，数据显示工控机 CPU表面温度稳定在 25±0.5℃～28±0.5℃范围内，证明所设计温度控制系统满足设计要求。

表1 试验结果

6 结束语

图5 实验样品

针对工控机CPU安全高效散热这一目的，本文设计了一种基于PIC单片机的温度控制系统，研制了样品并将其应用于嵌入式工控计算机进行试验，实验结果显示：在计算机开机运行的整个过程中，CPU工作安全稳定，其表面温度始终控制在所设定的温度范围之内，且温控系统的整个制冷过程安静无振动，实验数据表明，所设计温度控制装置的控制精度达到了±0.5℃，说明了整个设计方案合理可行。

[1]刘一兵. 计算机CPU芯片散热技术[J]. 低温与超导,2008, 36(6)： 78～82.

[2]吴扬. 半导体温度控制仪的研制[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社, 2006.

[3]Texa. A78L00 Series Positive-Voltage Regulators[Z].Texas Instrument, 1999.

[4]刘和平, 刘林, 余红欣, 郑群英. PIC单片机原理及接口程序设计[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社, 2004.

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