以MCS-51单片机系统为核心的工业屏柜散热设计方案

引言

电子电气元件， 尤其是大规模集成电路因发热而产生的问题一直难于解决。而工业屏柜作为一种集成有多种电子设备的工业产品， 其温度的升高常常导致其内部的微电子元件（如PN节） 发生温度漂移而使得各种参数发生改变， 从而导致程序运行混乱而失去其原有的功能， 或与其原有的功能偏差过大而导致故障。在工业控制设备的计数系统、继电保护系统、数控液晶显示模块、温度控制单元的模块、各类传感器、变频器中的IGBT模块和数控及报警显示等设备中， 都会存在因过热而导致的设备过热报警或故障。

针对此问题， 可以为工业屏柜车设计散热节能方案， 以对工业屏温度进行实时监控， 使其能够及时作出响应并进行散热， 而在没有过热的状态下仅处于监控状态， 这样就可达到散热和节能的双重目的。

1 系统功能特点

工业屏柜长时间运行时， 特别是环境温度较高的气候条件下运行时， 可能会因过热而停机，造成无法正常运行， 进而造成严重的生产损失。

因此， 本文引入了一种单片机实时温度测控方案。该方案可对工业屏的温度进行实时监测， 一旦发生过热， 马上对其采用适当的降温散热措施， 使其温度被控制在规定的安全范围之内， 从而保证其正常运行。

图1所示是该工业屏散热系统的结构框图。

图1 工业屏柜散热系统结构框图。

2 系统硬件设计

本方案中采用的散热系统是由热电偶温度传感器来负责采集工业屏柜的温度信号， 然后通过电路中的信号器对采集到的温度信号进行放大，再经过A/D转换器进行转换， 最后输入到MCS-51系列的8031单片机中对信号进行处理。处理后的结果主要有两方面用途， 其一是要将温度数值传送到LED数码显示管中进行显示； 另一方面是根据要求将温度数值与安全界限温度进行对比： 若其温度高于安全界限温度， 单片机则会发出指令以开启散热风扇对工业屏柜进行降温； 当温度低于安全界限温度时， 单片机则会发出指令立即关闭散热风扇。这样， 既可保证工业屏温度处于安全状态的， 同时又非常节能， 而且也大大降低了系统能耗。

2.1 温度测量电路

本系统采用的热电偶温度传感器是工业上最常用的温度检测元件之一， 由于该温度检测元器具有测量精度高、测量范围广、结构简单、使用方便等特点， 所以， 本系统以热电偶温度传感器来监测工业屏柜的温度变化。其工作原理是在确定电极材料之后， 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来， 以构成一个闭合回路。这样，当导体A和B之间存在温差时， 两者之间便产生电动势， 从而在回路中形成一个具有一定大小的电流， 这种现象称为热电效应。由热电效应产生的电动势只与工作端温度成单值函数关系， 结合这一关系， 本文设计了一种热电偶温度测量的方案。其原理图如图2所示。

图2 热电偶温度测量电路。

2.2 A/D转换电路

本设计采用8位数模转换芯片ADC0804来对信号进行转换， 并将转换后的数据送入芯片进行处理， 最终将温度数值传送至显示屏进行显示，其原理电路如图3所示。

图3 A/D转换电路。

3 系统软件设计

本系统从模块化软件设计理论出发， 将软件系统分成了几个子模块， 这样可以增强各个模块的可操作性， 便于进行改进和维护， 同时调用调试起来也比较容易。本系统软件主要分为三个模块， 包括数据采集、数据处理、温度显示， 图4所示是其软件设计框图。

图4 软件设计框图。

4 结束语

本文介绍了一种用单片机结合热电偶温度传感器来实现工业屏柜温度实时监测和控制的散热方案和实现方法。该方法在实际操作过程中具有较高的测量精度， 而且实用性强， 同时节能减排效果也比较明显。此外， 本控制系统可以通过改进应用到多种需要进行散热的电器及多种工业设备之中。