汽車冷卻系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1、M 244第2期(總第107肌)VoL24 No2 (SUM No07)2009年04月Apr.2009機械管理開發(fā)MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT汽車冷卻系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計崔彥斌，張麗濤(華北電力大學(xué)機MT.fiJK.河北 保定071003)M S智能拉創(chuàng)系統(tǒng)將根據(jù)發(fā)動機冷卻水済、空毛沈*、發(fā)動機轉(zhuǎn)逢爭冬敏，以單片幾為智能控制杖心元件，次 現(xiàn)風扇轉(zhuǎn)速、電竝序風板和節(jié)溫呂的開閉隨發(fā)動機工況變化自動調(diào)節(jié)的目的。【關(guān)詢】 冷卻系統(tǒng)；智能牠制草片機【中圖分類號】1X414【文敵標識碼】A 【文章編號】1003-773X(2009)02-0159-0215

2、9-圖1 MAX197與單片機連接方案0引育汽車工業(yè)的發(fā)展日益受到節(jié)能、環(huán)保、安全等方 面的高要求。各種嚴格的法規(guī)迫便設(shè)計者開發(fā)新一代 的汽車時，要使作為汽車心臟”的發(fā)動機盡可能在最 佳工況范圍內(nèi)工作但是單純在機械上的改進與完善 效來不是很好，這些改進使機構(gòu)變得更復(fù)雜，而R收 效甚微。電子控制元件具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、耗電 量少、適應(yīng)性好、成本較低等優(yōu)點，用智能電控代橋機 械在控制上的改進效果顯著。本系統(tǒng)就是由單片機等 智能控制元件組成的冷卻智能控制系統(tǒng)，以當前廣泛 使用在汽車上的傳統(tǒng)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為研究模型，冷 卻水溫、進氣蚩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為控制因素，對其進行測 仮和控制。1智能控制系統(tǒng)的組

3、成及原理1.1系統(tǒng)的組成該系統(tǒng)由電控冷卻風扇.電控節(jié)溫器、電控導(dǎo)風 板、微控制機構(gòu)等組成。電控冷卻風扇由電動機騾動； 電控節(jié)溫器利用電加熱引起雙金屬片變形，由雙金屬 片變形帶動節(jié)溫閥旋轉(zhuǎn)運動，來改變大小循環(huán)；電控 導(dǎo)風板由雙向電動機通過傳動機構(gòu)使之打開或關(guān)閉； 微控制機構(gòu)是利用AT89C51開發(fā)的總片機控制系統(tǒng)。 1.2系統(tǒng)的工作原理由溫度傳感器感受發(fā)動機水溫的變化，同時把溫 度信號轉(zhuǎn)變?yōu)橥涑煞幢汝P(guān)系的電壓模擬信號。這些 信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器把采集的模擬電壓倩號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號并讀入單片機AT89C5U單片機根據(jù)不同的 輸入信號分析處理去控制驅(qū)動電路，實現(xiàn)對節(jié)溫器繼 電器.導(dǎo)風板繼電器和風扇

4、繼電器的控制，即可實現(xiàn) 對發(fā)動機冷卻能力的智能控制。2系統(tǒng)的硬件設(shè)計單片機智能控制系統(tǒng)電路主要包括微控制器、電源 電路、摸數(shù)轉(zhuǎn)換電路、監(jiān)控及復(fù)位電路和控制阪動電路。 2.1徵控制25系統(tǒng)采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51 CMOS 單片機，其片內(nèi)含4 kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程 序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器器件采 用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)，兼容標 準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)通用8位中央處理器和 Flash存儲單元。系統(tǒng)未擴展數(shù)據(jù)存儲器，利用 AT89C51芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器作為A/D轉(zhuǎn)換值的緩 沖區(qū)。AT89C51芯片的P1 口用做控制口，

5、P0和P2 口 接A/D轉(zhuǎn)換電路,INTO接電源電路用作低壓報警中 斷，單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路采用手動復(fù)位、上電復(fù) 位兩種方式組合，利用芯片MAC813L控制。利用芯片 內(nèi)振蕩器電路構(gòu)成系統(tǒng)時鐘電路。2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換哽件設(shè)計采用美國MAXIM公司生產(chǎn)的MAX197芯片它是 多量程、8通逍、12位A/D轉(zhuǎn)換器。具有標準的微機接 口，三態(tài)數(shù)據(jù)1/0 口用做8位數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線的時 序與絕大多數(shù)通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸 岀TTL/CMOS電平兼容OMAX197采用逐次逼近工作方 式，內(nèi)部的輸入跟蹤/保持電路把模擬信號轉(zhuǎn)換為12位 數(shù)字址輸出，其并行輸出口很容易與單片機接口叫根據(jù)MAXQ97

6、芯 片的特點和使用要求， 利用MAX197和 AT89C51單片機組成 的信號采集電路方案 如圖1所示。2.3單片機的監(jiān)控及復(fù)位電路設(shè)計系統(tǒng)采用MIXIM公司的MAX813L芯片，在其輸 A 1.6 s內(nèi)沒有變化時就會有復(fù)位輸出，同時電壓監(jiān) 控功能可以保證電壓低于1.25 V時，產(chǎn)生掉電輸出。 本系統(tǒng)用了 MAX813L的看門狗功能，喂狗信號取 P2.6,同時由于看門狗信號輸出信號低電平有效，故選 用或非門74HC02芯片.輸出到AT89C51的RESET 引腳。當RST輸出有效時.74HC02的10號引腳輸出 為1,系統(tǒng)復(fù)位叫 2.4單片機電源設(shè)計為了便于攜帶，本系統(tǒng)采用單電源多路供電。采

7、用單電源的優(yōu)點是體積小，整個電路的設(shè)計簡單、可 戟。在單電源的基礎(chǔ)上,根據(jù)各個器件對電源要求的 不同，通過使用MAX系列的電源變換芯片，實現(xiàn)多路 電源規(guī)劃。通過單片機的A/D數(shù)據(jù)采集對于電源的要求遠 奇于其他數(shù)字電路對電源電壓的要求。這是因為.A/D 芯片對于電源電壓的精度和穩(wěn)定性要求很高，特別是 高精度的A/D芯片電源電壓的精度直接影響到數(shù)據(jù) 采集的精度。除了 A/D芯片的工作電壓外，如果采用 外部的參考電壓作為數(shù)據(jù)采集的比較電壓，那么該參159-159-收 0： 2008-09-02;* 回日期：2008-12-18作者簡介(I962-). + .M北保丈人4敘斤從士生導(dǎo)札研丸方向：機械設(shè)

8、計.計算憂繡砂設(shè)計尺仕息萱圧系統(tǒng)159-第24基第2期（總第107*1）機械管理開發(fā)2009 + 04 月挖溫處小環(huán)擴Ml工堆導(dǎo)板閉電節(jié)器于毀典不作竝W.關(guān)押溫處大昏扇工血導(dǎo)板ffl 電節(jié)器于以風不作控風關(guān)控溫處大冷堀工他導(dǎo)板作 電節(jié)器十#鳳不樂風工捋溫處大環(huán)卻你控風T 電節(jié)器于襦冷風工電導(dǎo)板作考電壓也有較高的精度要求?？衫蒙祲汉碗娫崔D(zhuǎn) 換芯片實現(xiàn)。系統(tǒng)采用汽車電池電壓供電，故選用降 壓芯片LM7805和穩(wěn)壓芯片MAX875,利用LM7805 將+12V降到+5 V,然后MAX&75將不穩(wěn)定的+5 V電 壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+5 V電壓供A/D轉(zhuǎn)換使用。正常工作時，LM78O輸出電壓差2-3 V

9、；電容G 用來實現(xiàn)頻率補償.G用來抑制穩(wěn)壓電路的自激振 蕩,G取為033 uf ,C2取為lufo系統(tǒng)經(jīng)LM7805降壓 為電壓，輸出提供給除轉(zhuǎn)換電路外的其它工作電路，同 時通過MAX875穩(wěn)壓，輸出提供給A/D轉(zhuǎn)換電路。 2.5控制驅(qū)動電路工業(yè)應(yīng)用和汽車應(yīng)用的器件要求不同，必須用不 同的方法解決。汽車應(yīng)用的要求是最難滿足的，而工業(yè) 要求一般允許較多的自由。繼電器線圈電流根據(jù)應(yīng)用 的不同差別很大，本設(shè)計用晶體管驅(qū)動繼電器。當晶體 管用來驅(qū)動繼電器時，必須將晶體管的發(fā)射極接地。NPN晶體管驅(qū)動時，當晶體管Q、基極被輸入高電 平時，晶體管飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)榈碗娖剑虼死^電器 線圈通電，觸點&吸合

10、。當晶體管Q基極被輸入低電 平時晶體能截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開。 3系統(tǒng)軟件設(shè)計對于單片機程序編寫，我們用Keil C51軟件來實 現(xiàn)。Keil C51集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、 PLM語言和C語言的程序設(shè)計，界面友好、易學(xué)易用。 故本設(shè)卄采用Keil C51編程。首先對各芯片初始化，之后判斷檢測時間是否達 到，若檢測時間到即檢測水溫然后進行判斷分別處理 各種溫度下的情況,具體流程如圖2所示。當發(fā)動機預(yù)熱時（發(fā)動機水溫較低為70T）.單片 機根據(jù)檢測來的溫度數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)岀控 制信號，使其完成如下操作叫電控冷卻風扇不工作, 控導(dǎo)風板關(guān)閉狀態(tài)，電控節(jié)器處于小循環(huán)狀態(tài)（宙

11、于導(dǎo) 風板關(guān)閉，冷卻風扇不工作，以至冷卻空氣不能進入散 熱器，同時節(jié)溫器處于小循環(huán)，發(fā)動機水溫上升很快）; 當水溫升至80%,單片機根據(jù)檢測來的溫度數(shù)據(jù)及溫 度變化數(shù)據(jù)處理分析向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號，使電 控節(jié)溫器的加熱電阻絲斷電，進人大循環(huán)控制狀態(tài)；當 水溫達到80Y,溫度變化較快時，笊片機又發(fā)出指令, 使電控導(dǎo)風板處于敞開狀態(tài)，此時可充分利用汽車行 駛迎面風對散熱器的冷卻作用，盡址減少冷卻風扇的 工作時間；當水溫髙于90尤時，單片機經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā) 出控制指令使電控冷卻風扇工作.而此時節(jié)溫器仍處 于大循環(huán)狀態(tài)導(dǎo)風板仍處于敞開狀態(tài),這時冷卻系統(tǒng)|模塊初始化囹2 果統(tǒng)涼程圖的冷卻能力最大，實現(xiàn)快速

12、降溫；當發(fā)動機水溫降至 90七，溫度變化較慢時，單片機根據(jù)采樣數(shù)據(jù)分析處理 發(fā)出控制指令使電控冷卻風扇不工作，電控導(dǎo)風板處 于敞開狀態(tài)電控節(jié)溫器處于大循環(huán)狀態(tài)。這樣，蟲到 發(fā)動機水溫返升高于90咒,電控冷卻風扇又重新工作。 4結(jié)束語本課題主要研究了冷卻系統(tǒng)節(jié)溫器、風扇、導(dǎo)風板 的電子智能驅(qū)動，設(shè)計了以位AT89C51CMOS單片機 為控制核心的微控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電動風扇和電控節(jié) 溫器協(xié)調(diào)下的對冷卻系統(tǒng)水溫的精確調(diào)節(jié)，從而保證 了汽車在預(yù)熱、過熱及正常運轉(zhuǎn)等各種工況下的可靠 工作?？嘉墨I1 1麗齊自成汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的單片機控制（幾 農(nóng) 機化研究.2001（2）:38-40.|2張金柱現(xiàn)代發(fā)動

13、機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢卩.內(nèi)燃機.2005 （4）:21-29.3冷玉權(quán)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)自動桂制裝置的開發(fā)小汽車電氣， 2001（8）:19-20.4孟 建工程機械冷卻能力單片機控制系統(tǒng)D.濟南：山東 大學(xué)碩士論文,2005:27-31.160第24基第2期（總第107*1）機械管理開發(fā)2009 + 04 月160第24基第2期（總第107*1）機械管理開發(fā)2009 + 04 月Intelligent Control Design of Car Cooling SystemCUI Yan-bin ZHANG Li-tao(School of Mechanical Engineering ,Nort

14、h China Electric Power University, Baoding、071003 China)(Abstract This intelligem control system with single-chip computer a it*8 core element will achieve sclf-regulation of the opening and shutting of fan rotational speed, electronic control baffle plate and thermostat along with the engine operating condition, based on the parameters of enginell cooling temperature, air flow and engines rotational speed(Key wordsCooling system; Intelligent control; Singe-chip computer160汽車冷卻系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計作者單位:刊名：華北電力大學(xué)機械工程系河北,保定,071003機械管理開發(fā)作者：崔彥斌，張麗濤,崔彥斌， 張麗濤，CUI Yan-bi