使用LM35和ATTiny13控制风扇的方法

科技观察员 2022-06-06 2120

描述

　　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。

　　规格

　　电源电压：12VDC（见正文）

　　负载过温保护：有（60度以上）

　　PWM频率：25KHz

　　风扇电压：12VDC

　　最大负载电压/电流：250V-10A（AC/DC）

　　有效温度阈值：25C至60C

　　过温警告：是（闪烁的LED和蜂鸣器）

　　电路分析

ATtiny13

　　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。

ATtiny13

　　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。

ATtiny13

　　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。

ATtiny13

　　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。

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