使用LM35和ATTiny13控制風(fēng)扇的方法

適當(dāng)?shù)纳崾钱?dāng)今電子產(chǎn)品的基本規(guī)則。電子元件的最佳工作溫度為25度（標(biāo)準(zhǔn)室溫）。一些商業(yè)設(shè)備中的散熱沒(méi)有正確完成，這會(huì)影響設(shè)備的壽命和性能。因此，嵌入一個(gè)緊湊的自動(dòng)冷卻風(fēng)扇控制器板會(huì)很有用。此外，它還可用于保護(hù)您自己設(shè)計(jì)的電路及其功率元件，例如穩(wěn)壓器、MOSFET、功率晶體管等。

之前，我已經(jīng)介紹了一個(gè)控制冷卻風(fēng)扇的電路，但是，我的目的是不使用任何微控制器并使其盡可能簡(jiǎn)單。因此，該設(shè)備是風(fēng)扇的簡(jiǎn)單開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)，具體取決于定義的溫度閾值。這一次，我決定設(shè)計(jì)一個(gè)完整且更專業(yè)的電路，使用LM35溫度傳感器和ATTiny13微控制器來(lái)控制大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)扇（25KHzPWM）。

我使用了SMD元件，PCB板很緊湊。它可以控制一個(gè)或多個(gè)并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)3線或4線風(fēng)扇，例如CPU風(fēng)扇。此外，可以使用繼電器保護(hù)目標(biāo)設(shè)備/組件免受過(guò)熱影響。還通過(guò)視覺(jué)/聲音警告（閃爍的LED和蜂鳴器）通知用戶。

為了設(shè)計(jì)原理圖和PCB，我使用了AltiumDesigner22和SamacSys組件庫(kù)（Altium插件）。要獲得高質(zhì)量的制造PCB板，您可以將Gerbers發(fā)送到PCBWay并使用componentsearchengine.com購(gòu)買原始組件。我最初在面包板上測(cè)試了電路。我使用SiglentSDM3045X萬(wàn)用表準(zhǔn)確檢查電壓，并使用SiglentSDS1104X-E示波器檢查PWM脈沖的形狀、占空比和頻率。

規(guī)格

電源電壓：12VDC（見(jiàn)正文）

負(fù)載過(guò)溫保護(hù)：有（60度以上）

PWM頻率：25KHz

風(fēng)扇電壓：12VDC

最大負(fù)載電壓/電流：250V-10A（AC/DC）

有效溫度閾值：25C至60C

過(guò)溫警告：是（閃爍的LED和蜂鳴器）

電路分析

圖1-PWM散熱風(fēng)扇控制器裝置示意圖

圖1顯示了PWM冷卻風(fēng)扇控制裝置的示意圖。該電路的核心是一個(gè)ATtiny13微控制器［1］。它讀取溫度值并決定如何處理風(fēng)扇、繼電器和蜂鳴器。

根據(jù)ATtiny13數(shù)據(jù)表：“ATtiny13是一款基于AVR增強(qiáng)型RISC架構(gòu)的低功耗CMOS8位微控制器。通過(guò)在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行強(qiáng)大的指令，ATtiny13實(shí)現(xiàn)了接近1MIPS/MHz的吞吐量，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化功耗與處理速度?！?/p>

我已將IC1的時(shí)鐘源配置為9.6MHz，內(nèi)部。對(duì)于我們的應(yīng)用程序而言，無(wú)需使用外部時(shí)鐘源（例如晶體）就足夠了。R1是復(fù)位引腳的上拉電阻，以防止MCU意外復(fù)位。C2和C3是去耦電容，用于降低+5V電源的噪聲。

電源

電源的主要元件是REG1，它是一個(gè)78L05穩(wěn)壓器［2］。我為此調(diào)節(jié)器選擇了SO-8封裝。P5是一個(gè)兩針公XH連接器，為控制板和風(fēng)扇供電。電源電壓（12V）的電流取決于連接的風(fēng)扇數(shù)量，否則+5V電源軌的電流消耗非常低。R7和C7在輸入端構(gòu)建了一個(gè)低通RC濾波器，以盡可能降低輸入噪聲，但RC濾波器上的壓降對(duì)穩(wěn)壓器的工作影響不大。D3是一個(gè)0805綠色LED，用于顯示正確的電源供應(yīng)，R8將電流限制到D3。C5和C7用于降低輸出電壓噪聲。

警報(bào)

此部分的組件是R5、R6、P4和D2。D2是一個(gè)0805紅色LED，當(dāng)發(fā)生過(guò)熱時(shí)會(huì)閃爍。R5限制D2電流。P4為2針XH公頭連接器，用于連接5V蜂鳴器。R6限制蜂鳴器的電流。

中繼

該部分的組件是Q1、D1、R4、C4、K1和P3。K1是一個(gè)12V-10A繼電器，用于在發(fā)生過(guò)熱時(shí)關(guān)閉負(fù)載。它是常閉（NC），這意味著負(fù)載是打開(kāi)的。D1保護(hù)Q1免受繼電器電感器的反向電流的影響，C4抑制電流尖峰。Q1是一個(gè)2N7002［3］Mosfet，用于切換繼電器。R4用于下拉Q1的柵極引腳以避免不必要的觸發(fā)。

LM35溫度傳感器

P1是一個(gè)3針公XH連接器，用于將LM35傳感器連接到電路板。您應(yīng)該使用導(dǎo)熱膠將LM35安裝在散熱器上，并使用短線將傳感器連接到電路板。C1是一個(gè)去耦電容，用于降低噪聲。

AVRISP

ISP是一個(gè)5針公頭，用于對(duì)板載微控制器進(jìn)行編程。您可以使用任何您喜歡的編程器，例如便宜的USBasp編程器或類似的編程器。

12V風(fēng)扇

P2是一個(gè)3針XH公頭連接器，用于將風(fēng)扇連接到電路板。Q2用于將PWM脈沖傳輸?shù)斤L(fēng)扇的控制引腳。R2是一個(gè)10K的上拉電阻，可將5VPWM信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為12V。R3是一個(gè)下拉電阻器，以避免不必要地觸發(fā)Q3的柵極引腳。圖2顯示了一個(gè)典型的IntelCPU風(fēng)扇，它可能是您使用此控制器板冷卻組件的選項(xiàng)之一。

圖2-一個(gè)英特爾CPU風(fēng)扇，它足夠便宜，可用于冷卻

PCB布局

圖3顯示了設(shè)計(jì)的PCB布局。它是一個(gè)兩層PCB板，除了繼電器和連接器外，其他組件都是SMD。最小的封裝尺寸是0805，焊接組件應(yīng)該沒(méi)有任何問(wèn)題，盡管您可以訂購(gòu)它完全組裝。

圖3-PWM冷卻風(fēng)扇控制電路的PCB布局

當(dāng)我決定為這個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理圖和PCB時(shí)，我意識(shí)到我的元件庫(kù)存儲(chǔ)中沒(méi)有Q1、Q2、REG1和IC1的元件庫(kù)。因此，像往常一樣，我選擇了IPC級(jí)SamacSys組件庫(kù)，并使用免費(fèi)的SamacSys工具和服務(wù)安裝了缺少的庫(kù)（原理圖符號(hào)、PCB封裝、3D模型）。導(dǎo)入庫(kù)有兩種方法：您可以訪問(wèn)componentsearchengine.com并手動(dòng)下載和導(dǎo)入庫(kù)，或者您可以使用SamacSysCAD插件并自動(dòng)將庫(kù)導(dǎo)入/安裝到設(shè)計(jì)環(huán)境中。

上圖顯示了所有支持的電子設(shè)計(jì)CAD軟件。很明顯，所有著名的球員都得到支持。我使用AltiumDesigner，所以我使用SamacSysAltium插件安裝了缺少的庫(kù)，如下圖。

PCB板的3D視圖和兩個(gè)組裝圖

微控制器的代碼

我使用ArduinoIDE編寫(xiě)和編譯微控制器的代碼。我在庫(kù)管理器中安裝了MicroCore［9］，以便能夠?yàn)锳Ttiny13編譯代碼。你可以考慮下面的代碼：

// 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);
}
}

我已將ADC參考電壓定義為1.1V內(nèi)部。這意味著對(duì)于1100mV的輸入電壓，ADC的最大值為1023。LM35溫度傳感器25度輸出電壓為250mV，60度輸出電壓為600mV。因此，它非常適合ADC輸入范圍，最高110度，無(wú)需任何硬件修改。

要更改閾值，您應(yīng)該修改out=map（rawTemp，232，558，192，0），例如，將溫度上限閾值從60度增加到70度。

要安裝MicroCore，您應(yīng)該在ArduinoIDE的首選項(xiàng)部分的AdditionalBoardsManagerURLs中插入此URL：

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

圖7顯示了ArduinoIDE的這一部分。

圖7-附加板管理器URL，ArduinoIDE首選項(xiàng)部分

然后你應(yīng)該去工具菜單和BoardsManager并安裝MicroCore。然后您將看到已安裝的板，如圖8所示。

圖8-安裝了MicroCore庫(kù)以支持ATtiny13MCU

要生成HEX文件并對(duì)MCU進(jìn)行編程，您應(yīng)該轉(zhuǎn)到Sketch菜單并按ExportCompiledBinary。圖9顯示了該過(guò)程的圖片。

圖9-在ArduinoIDE中生成HEX文件

然后只需將您的編程器連接到PCB板的ISP接頭并編程MCU。熔絲位應(yīng)在9.6MHz內(nèi)部時(shí)鐘上設(shè)置，沒(méi)有時(shí)鐘分頻。

測(cè)試

在設(shè)計(jì)原理圖和PCB之前，我在面包板上測(cè)試了電路。因此，您可以確保一切正常。圖10顯示了FAN控制引腳的PWM信號(hào)。我使用SiglentSDS1104X-E示波器來(lái)捕獲信號(hào)。

圖10-25KHzPWM信號(hào)至風(fēng)扇（SilentSDS1104X-E）

材料清單

圖11顯示了該項(xiàng)目的材料清單和零件編號(hào)。

圖11-PWMCooling-FAN控制電路的物料清單