用PIC12C672单片机，构建的半导体制冷系统过热保护装置
2019/07/28 23:32:08
热端（散热片）的温度监测及过热保护装置是半导体制冷系统必需的辅助装置。以为控制核心，LM50BIM3为温度传感器，MOSFET为控制元件，构建了一半导体制冷系统过热保护装置，实际应用表明该过热保护装置可保证半导体制冷系统安全可靠工作。
当前，高速芯片如CPU、FPGA和GPU等主要采用散热片+风扇的冷却技术。但风扇在大幅度降低高速芯片温度的同时，也产生了大量的噪声，不适用于某些对噪声有特殊要求的场合。散热片+半导体制冷器的冷却技术，因无任何机械运动部件具有无噪声、无磨损、可靠性(Reliability)高、寿命长等优点，已逐步应用于对噪声有严格要求的各种场合。
但现有的半导体制冷系统一般要求具有对热端（散热片）进行温度监测及过热保护的过热保护装置，本文即以PIC12C672单片机(one-board computer)为控制核心，LM50BIM3为温度传感器，功率场效应晶体管为控制元件，构建了半导体制冷系统的过热保护装置，以保证半导体制冷系统安全可靠工作。
1 半导体制冷技术
半导体制冷是帕尔帖原理在制冷技术方面的应用，是一种新型的制冷方式。半导体制冷器即是基于半导体材料的温差效应，利用直流电流通过由两种不同半导体材料串联而成的电偶时引起半导体材料中的热量传递制成的一种新型制冷器。
实际应用的半导体制冷器是一由多个P型和N型半导体元件并联而成的热电偶对（如图1所示），当给由多个N型和P型组成的热电偶对通以直流电后，从N型流入P型半导体时，因半导体势能提高，则因N型、P型结合处需吸收热量而使温度降低，而从P型流入N型半导体时，因势能下降，在N型、P型结合处则因放出热量而使温度升高。这样就在制冷器件的上下两个端面形成冷端和热端，从而达到制冷的目的。
因此，半导体制冷系统总要通过散热片与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作，而一旦散热片的散热装置发生故障将导致散热片温度不断升高，轻则影响半导体制冷系统的冷却效果，重则会导致半导体制冷器因冷、热端温差过大而烧毁。为此，半导体制冷系统一般都需有过热保护装置以保证其可靠、安全工作。
2 半导体制冷系统过热保护装置
半导体制冷系统过热保护装置如图2所示，包括采用LM50BIM3温度传感器、PIC12C672单片机(one-board computer)和NTD24N06L功率场效应晶体管等构成的核心电路以及外围报警电路和供电电路等。
2.1硬件设计
2.1.1 LM50集成温度传感器
LM50BIM3为美国国家半导体公司的集成温度传感器，该传感器只需4.5V～10V单电源供电即可实现对-40℃～125℃温度的线性感应，并采用差分对管与激光校准技术，保证在-40℃～125℃，其输出电压满足要求。
2.1.2 PIC12C672单片机(one-board computer)
PIC12C672为Microchip公司PIC12C系列微控制器，是一8脚带A/D的高性能超小型单片机(one-board computer)，通过对内部控制寄存器CONFIG、TRIS、ADCON0、ADCON1、INTCON、OPTION等设置进行6个I/O工作模式定义。
根据半导体制冷系统过热保护装置的设计要求，需将CONFIG设置为0CH、TRIS为0CH、ADCON0为045H、OPTION为C0H，即将单片机(one-board computer)7脚定义为A/D输入模式，采集热端（散热片）温度，3、5脚定义为输出模式，分别用于半导体制冷器电源控制输出和报警控制输出。
2.1.3 过热保护装置电路设计
如图2所示，半导体制冷系统过热保护装置由LM50BIM3集成温度传感器采集热端（散热片）温度，经PIC12C672内置A/ D 转换为数字量，并与设定温度比较，从而确定PIC12C672单片机(one-board computer)3脚的输出状态，由NTD24N06L控制半导体制冷器的电源，以保证半导体制冷系统在热端温度超限后能及时停止工作，并在规定时间内热端温度超限5次时发出告警信号。
2.2 软件设计
半导体制冷系统过热保护装置软件流程如图3所示。为便于今后添加半导体制冷系统其他控制功能，采用模块化设计，分为主程序模块、初始化子模块、控制子模块以及报警子模块等。
1）初始化子模块完成PIC12C672的初始化设置并设定热端温度上限等；
2）主程序模块启动A／D转换，通过PIC12C672单片机(one-board computer)7脚对LM50BIM3集成温度传感器的输出电压进行采样，并完成温度的A／D转换；将A／D转换结果与设定上限进行比较；
3）控制子模块主要依据热端温度是否超限，由PIC12C672单片机(one-board computer)3脚控制NTD24N06L的导通，及时可靠的接通或断开半导体制冷器电源；
4）报警子模块主要依据在规定时间内热端温度是否连续超限5次，由PIC12C672单片机(one-board computer)5脚控制报警电路，对外发出告警信号。
2.3 应用
某船用一体化主机半导体冷却系统因未安装相应的过热保护装置曾出现了因散热装置的散热效果不理想，导致散热片温度不断升高，致使半导体制冷器因冷、热端温差过大而烧毁。为避免类似事故的再次发生，再重新设计散热装置的同时基于上述设计成功研制了过热保护装置，其实物如图4所示。
所研制的过热保护装置结构经凑，占用空间小，方便的实现了与现半导体制冷系统的有效集成。自重新设计散热装置和加装过热保护装置后，确保了热端温度在设定温度范围内，保证了半导体制冷系统安全可靠工作。该一体化主机半导体冷却系统未再发生半导体制冷器的相关故障。
基于PIC12C672单片机(one-board computer)的半导体制冷系统过热保护装置，以LM50BIM3为温度传感器，功率场效应晶体管为控制元件，运用PIC12C672内置的A/D，通过编程实现了半导体制冷系统热端温度采集、上限判断、半导体制冷系统电源控制和报警输出等功能，可保证半导体制冷系统安全可靠工作，同时该装置结构经凑，占用空间小，可方便的实现与半导体制冷系统的集成。
当前，高速芯片如CPU、FPGA和GPU等主要采用散热片+风扇的冷却技术。但风扇在大幅度降低高速芯片温度的同时，也产生了大量的噪声，不适用于某些对噪声有特殊要求的场合。散热片+半导体制冷器的冷却技术，因无任何机械运动部件具有无噪声、无磨损、可靠性(Reliability)高、寿命长等优点，已逐步应用于对噪声有严格要求的各种场合。
但现有的半导体制冷系统一般要求具有对热端（散热片）进行温度监测及过热保护的过热保护装置，本文即以PIC12C672单片机(one-board computer)为控制核心，LM50BIM3为温度传感器，功率场效应晶体管为控制元件，构建了半导体制冷系统的过热保护装置，以保证半导体制冷系统安全可靠工作。
1 半导体制冷技术
半导体制冷是帕尔帖原理在制冷技术方面的应用，是一种新型的制冷方式。半导体制冷器即是基于半导体材料的温差效应，利用直流电流通过由两种不同半导体材料串联而成的电偶时引起半导体材料中的热量传递制成的一种新型制冷器。
实际应用的半导体制冷器是一由多个P型和N型半导体元件并联而成的热电偶对（如图1所示），当给由多个N型和P型组成的热电偶对通以直流电后，从N型流入P型半导体时，因半导体势能提高，则因N型、P型结合处需吸收热量而使温度降低，而从P型流入N型半导体时，因势能下降，在N型、P型结合处则因放出热量而使温度升高。这样就在制冷器件的上下两个端面形成冷端和热端，从而达到制冷的目的。
因此，半导体制冷系统总要通过散热片与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作，而一旦散热片的散热装置发生故障将导致散热片温度不断升高，轻则影响半导体制冷系统的冷却效果，重则会导致半导体制冷器因冷、热端温差过大而烧毁。为此，半导体制冷系统一般都需有过热保护装置以保证其可靠、安全工作。
图1 半导体制冷器组成示意图
2 半导体制冷系统过热保护装置
半导体制冷系统过热保护装置如图2所示，包括采用LM50BIM3温度传感器、PIC12C672单片机(one-board computer)和NTD24N06L功率场效应晶体管等构成的核心电路以及外围报警电路和供电电路等。
图2 半导体制冷系统过热保护装置电路原理图
2.1硬件设计
2.1.1 LM50集成温度传感器
LM50BIM3为美国国家半导体公司的集成温度传感器，该传感器只需4.5V～10V单电源供电即可实现对-40℃～125℃温度的线性感应，并采用差分对管与激光校准技术，保证在-40℃～125℃，其输出电压满足要求。
2.1.2 PIC12C672单片机(one-board computer)
PIC12C672为Microchip公司PIC12C系列微控制器，是一8脚带A/D的高性能超小型单片机(one-board computer)，通过对内部控制寄存器CONFIG、TRIS、ADCON0、ADCON1、INTCON、OPTION等设置进行6个I/O工作模式定义。
根据半导体制冷系统过热保护装置的设计要求，需将CONFIG设置为0CH、TRIS为0CH、ADCON0为045H、OPTION为C0H，即将单片机(one-board computer)7脚定义为A/D输入模式，采集热端（散热片）温度，3、5脚定义为输出模式，分别用于半导体制冷器电源控制输出和报警控制输出。
2.1.3 过热保护装置电路设计
如图2所示，半导体制冷系统过热保护装置由LM50BIM3集成温度传感器采集热端（散热片）温度，经PIC12C672内置A/ D 转换为数字量，并与设定温度比较，从而确定PIC12C672单片机(one-board computer)3脚的输出状态，由NTD24N06L控制半导体制冷器的电源，以保证半导体制冷系统在热端温度超限后能及时停止工作，并在规定时间内热端温度超限5次时发出告警信号。
2.2 软件设计
半导体制冷系统过热保护装置软件流程如图3所示。为便于今后添加半导体制冷系统其他控制功能，采用模块化设计，分为主程序模块、初始化子模块、控制子模块以及报警子模块等。
1）初始化子模块完成PIC12C672的初始化设置并设定热端温度上限等；
2）主程序模块启动A／D转换，通过PIC12C672单片机(one-board computer)7脚对LM50BIM3集成温度传感器的输出电压进行采样，并完成温度的A／D转换；将A／D转换结果与设定上限进行比较；
3）控制子模块主要依据热端温度是否超限，由PIC12C672单片机(one-board computer)3脚控制NTD24N06L的导通，及时可靠的接通或断开半导体制冷器电源；
4）报警子模块主要依据在规定时间内热端温度是否连续超限5次，由PIC12C672单片机(one-board computer)5脚控制报警电路，对外发出告警信号。
图3 半导体制冷系统过热保护装置软件流程图
2.3 应用
某船用一体化主机半导体冷却系统因未安装相应的过热保护装置曾出现了因散热装置的散热效果不理想，导致散热片温度不断升高，致使半导体制冷器因冷、热端温差过大而烧毁。为避免类似事故的再次发生，再重新设计散热装置的同时基于上述设计成功研制了过热保护装置，其实物如图4所示。
所研制的过热保护装置结构经凑，占用空间小，方便的实现了与现半导体制冷系统的有效集成。自重新设计散热装置和加装过热保护装置后，确保了热端温度在设定温度范围内，保证了半导体制冷系统安全可靠工作。该一体化主机半导体冷却系统未再发生半导体制冷器的相关故障。
图4 半导体制冷系统过热保护装置
3 结论 基于PIC12C672单片机(one-board computer)的半导体制冷系统过热保护装置，以LM50BIM3为温度传感器，功率场效应晶体管为控制元件，运用PIC12C672内置的A/D，通过编程实现了半导体制冷系统热端温度采集、上限判断、半导体制冷系统电源控制和报警输出等功能，可保证半导体制冷系统安全可靠工作，同时该装置结构经凑，占用空间小，可方便的实现与半导体制冷系统的集成。