使用LM35和ATtiny13的PWM冷却风扇控制器和过温保护

李雪 2022-07-25 1784

电子说

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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（25KHz PWM）。

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 Altium Designer 22 和 SamacSys 组件库（Altium 插件）。我最初在面包板上测试了电路。我使用 Siglent SDM3045X 万用表准确检查电压，并使用 Siglent SDS1104X-E 示波器检查 PWM 脉冲的形状、占空比和频率。

风扇控制器技术规格

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

Figure 1 shows the schematic diagram of the PWM cooling FAN controller device. The heart of the circuit is an ATTiny13 microcontroller [1]. It reads the temperature values and decides what to do with the FAN, Relay, and the Buzzer.

Figure 1: Schematic diagram of the PWM cooling Fan controller device

According to the ATTiny13 datasheet: “The ATtiny13 is a low-power CMOS 8-bit microcontroller based on the AVR enhanced RISC architecture. By executing powerful instructions in a single clock cycle, the ATtiny13 achieves throughputs approaching 1 MIPS per MHz allowing the system designer to optimize power consumption versus processing speed.”

I have configured the clock source of the IC1 for 9.6MHz, internal. It is enough for our applications without using an external clock source, such as a crystal. R1 is a pull-up resistor for the Reset pin to prevent the MCU to Reset unwantedly. C2 and C3 are decoupling capacitors to reduce the noise of the +5V supply.

Power Supply for Fan Controller

电源的主要元件是REG1，它是一个78L05稳压器。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 用于拉低 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。

用于风扇控制器的 AVR ISP 编程器

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 风扇散热

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 5V PWM 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 Intel CPU 风扇，它可能是您使用此控制器板冷却组件的选项之一。

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。

图 3：PWM 冷却风扇控制器电路的 PCB 布局

当我决定为这个项目设计原理图和 PCB 时，我意识到我的组件库存储中没有 Q1 、Q2、REG1 和 IC1 的组件库。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并手动下载并导入库，或者您可以使用SamacSys CAD插件并自动将库导入/安装到设计环境中。图 4 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 Altium Designer，所以我使用 SamacSys Altium 插件安装了缺少的库（图 5）。图 6 显示了 PCB 板和装配图的 3D 视图。

图 4：SamacSys 插件支持的所有电子设计 CAD 软件

图 5：SamacSys Altium 插件中的选定组件库

图 6：PCB 板的 3D 视图和两张组装图

微控制器代码

我使用 Arduino IDE 编写和编译微控制器的代码。我在库管理器中安装了 MicroCore ，以便能够为 ATtiny13 编译代码。你可以考虑下面的代码：

#include

// 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 Arduino IDE 的首选项部分的Additional Boards Manager URLs中插入此 URL ：

https://mcudude.github.io/MicroCore/package_MCUdude_MicroCore_index.json

图 7 显示了 Arduino IDE 的这一部分。