汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī),電動(dòng),冷卻,風(fēng)扇,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 設(shè)計(jì)(論文)題目： 發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 二級(jí)學(xué)院： 班　　級(jí)： 提交日期： 目錄 目 錄 摘要 Ⅲ Abstract Ⅳ 1緒論 1 1.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)背景 1 1.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)度 1 1.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻不足 1 1.2冷卻系統(tǒng)的必需性 1 1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的分類(lèi) 2 1.3現(xiàn)代冷卻風(fēng)扇的發(fā)展現(xiàn)狀 2 2冷卻風(fēng)扇電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 4 2.1冷卻系統(tǒng)的功用和組成 4 2.1.1冷卻系統(tǒng)的功用 4 2.1.2冷卻系統(tǒng)的組成 4 2.2冷卻系統(tǒng)的主要部件 5 2.3硬件設(shè)計(jì) 5 2.3.1單片機(jī) 5 2.3.2溫度采集電路 7 2.3.3驅(qū)動(dòng)電路 8 2.4本章小結(jié) 10 3冷卻風(fēng)扇控制系統(tǒng)的控制 11 3.1冷卻系統(tǒng)的控制原理 11 3.2 PWM調(diào)速原理 11 3.3A/D轉(zhuǎn)換 12 3.4PID控制算法 12 3.4.1PID控制 12 3.5本章小結(jié) 13 Ⅰ 目錄 4汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇的軟件設(shè)計(jì) 14 4.1主程序 14 4.2 DS18B20溫度采樣子程序 15 4.3溫度計(jì)算子程序 15 4.4PWM輸出子程序 15 4.5本章小結(jié) 16 5仿真 17 5.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)電路圖 17 5.2 DS18B20溫度傳感器與PWM輸出電路圖 17 5.3本章小結(jié) 17 6結(jié)果與分析 19 7總結(jié) 21 參考文獻(xiàn) 22 附錄： 23 致謝 30 Ⅱ 摘要 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 冷 卻 風(fēng) 扇 的 電 控 系 統(tǒng) 摘要 維持發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下均在最適宜的溫度內(nèi)工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)得到良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的職能。如果冷卻過(guò)度，因?yàn)樯釗p失增多，致使熱效率下降，既是能量的浪費(fèi)，也是一些不良后果的誘因，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不可過(guò)度。 只有在適宜溫度范圍內(nèi)工作的發(fā)動(dòng)機(jī)才能避免因發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不足或過(guò)度冷卻對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成的過(guò)早損害，在此介紹一種基于單片機(jī)控制的一套發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的電控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為微處理芯片，通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)將信號(hào)輸入給PWM的輸出信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻風(fēng)扇的調(diào)速，并設(shè)有溫度顯示。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇電控系統(tǒng)以硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以單片機(jī)作為微處理芯片來(lái)控制，并給出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的原理圖以及硬件部分的電路原理圖。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出該控制系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期的效果。 關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；冷卻風(fēng)扇；單片機(jī)；溫度傳感器。 Ⅲ Abstract Electronic control system of engine cooling fan Abstract The function of the cooling system is to maintain the engine under various conditions are working in the most appropriate temperature,the engine’s speed to get good performance and fuel economy. The car engine is a machine to heat energy into mechanical energy. Using only about one-third of the heat engine, however, was taken away by exhaust heat accounts for a third, the rest is absorbed by the engine parts, the absorption of heat by cooling parts needed to ensure continuous and reliable work. If excessive cooling, due to the heat loss, thermal efficiency drops, not only waste the energy, but also will cause some bad consequences.Therefore, the excessive engine cooling. To make the engine work within the appropriate temperature to avoid because of?engine cooling is insufficient or excessive cooling cause of early damage to the engine, this paper introduces a kind of based on single chip microcomputer control of a set of electric control system of the engine cooling fan. System USES single-chip computer as the microprocessor chip, through the NTC (negative temperature coefficient of sensor data collection, and then by the A/D conversion, single-chip PID control algorithm, and finally the signal input to the output of the PWM signal to the cooling fan and water pump motor speed regulation, and is equipped with temperature display. Electric control system of engine cooling fan on the basis of the hardware design, with the single chip processor as the microprocessor chip to control, and gives the principle diagram of the engine cooling system and the hardware part of the circuit principle diagram. Through experiments it is concluded that the control system whether achieve the desired effect.. Keywords: Engine; The Cooling System; Cooling Fan; Single Chip Micyoco. Ⅳ 第一章緒論 1緒論 1.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)背景 冷卻系統(tǒng)的功用是維持發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下均在最適宜的溫度內(nèi)工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)得到良好的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器。然而發(fā)動(dòng)機(jī)只利用了熱能的1/3，被廢氣帶走的熱量占1/3，剩余的則被發(fā)動(dòng)機(jī)零部件吸收，這些吸熱零部件需要通過(guò)冷卻來(lái)保證持續(xù)可靠的工作。 1.1.1發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)度 冷卻液溫度低于正常溫度時(shí)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和燃油經(jīng)濟(jì)性降低。如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度過(guò)低，那么在寒冷的天氣中，汽車(chē)暖風(fēng)機(jī)中就不會(huì)釋放足夠的熱量，冷卻液溫度低于正常溫度時(shí)會(huì)影響計(jì)算機(jī)的一些輸入傳感器的信號(hào)。因?yàn)楫?dāng)今的發(fā)動(dòng)機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制，因此冷卻系統(tǒng)的溫度變得更為關(guān)鍵。許多功能都需要發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度才能決定。從啟動(dòng)到熄火的整個(gè)運(yùn)行期間，都必須精確地維持適當(dāng)?shù)臏囟?。受發(fā)動(dòng)機(jī)溫度影響的其他功能或系統(tǒng)是：怠速轉(zhuǎn)速、空燃比、正時(shí)、廢棄循環(huán)、變速器換擋點(diǎn)以及其他的排放控制功能。如果他們工作不正常，就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性下降。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不可過(guò)度。 1.1.2發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻不足 發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度過(guò)高時(shí)，如果沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，那么發(fā)動(dòng)機(jī)將無(wú)法正常工作。隨著溫度的升高零部件的強(qiáng)度將會(huì)下降，運(yùn)動(dòng)件的配合間隙因熱膨脹而被破壞，潤(rùn)滑油膜也將在高溫狀態(tài)下粘度下降，不能保持發(fā)動(dòng)機(jī)零件之間正常的油膜，從而導(dǎo)致零件磨損甚至卡死。因此發(fā)動(dòng)機(jī)必需冷卻。 1.2冷卻系統(tǒng)的必需性 在燃燒過(guò)程中，溫度會(huì)高達(dá)2468℃。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或中速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室內(nèi)的平均溫度是1080℃。缸內(nèi)的如此高溫足以使鋁制的活塞熔化，使汽缸壁發(fā)生扭曲，使氣缸蓋發(fā)生翹曲，使機(jī)油變質(zhì)。冷卻液在缸體和缸蓋的水套中循壞時(shí)，不斷吸收熱量，使零部件的溫度降低到容許的工作溫度。 此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)，熱量可以通過(guò)傳到。對(duì)流或者輻射的方式進(jìn)行傳遞。然而，大部分熱量是通過(guò)傳導(dǎo)的方式由炙熱的零部件向低溫的冷卻液傳遞的。冷卻液溫度也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒過(guò)程和發(fā)動(dòng)機(jī)效率。微機(jī)控制系統(tǒng)的一些輸入傳感器也需要依靠冷卻液的正確溫度來(lái)產(chǎn)生適當(dāng)信號(hào)。 1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的分類(lèi) 根據(jù)冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)不同，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)有兩種基本形式：水冷式和風(fēng)冷式。以冷卻液為冷卻介質(zhì)的稱(chēng)為水冷系以空氣為冷卻介質(zhì)的稱(chēng)為風(fēng)冷系。發(fā)動(dòng)機(jī)采用風(fēng)冷，只需要散熱片，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于冷卻液比空氣散熱系數(shù)大，冷卻效果好，冷卻均勻，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小，因此發(fā)動(dòng)機(jī)上較多采用水冷式，并用水泵強(qiáng)制冷卻液進(jìn)行循環(huán)。風(fēng)冷主要作用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)上。 根據(jù)冷卻液循環(huán)的控制方式不同，分為機(jī)械控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和電子控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，機(jī)械控制發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)為傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，用蠟式節(jié)溫器控制冷卻液的循壞路線。電子控制發(fā)動(dòng)冷卻系統(tǒng)由ECU通過(guò)電子節(jié)溫器控制冷卻液的循環(huán)路線。 1.3現(xiàn)代冷卻風(fēng)扇的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著橫置發(fā)動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，電動(dòng)風(fēng)扇在現(xiàn)代汽車(chē)上被漸漸使用?，F(xiàn)在，大多數(shù)新型汽車(chē)上都裝備有電動(dòng)冷卻風(fēng)扇。 傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的智能化控制，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的散熱需求來(lái)調(diào)整冷卻風(fēng)扇的冷卻能力，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱起動(dòng)的速度得到了大大的提升，確保發(fā)動(dòng)機(jī)自始至終的處于最佳的工作溫度環(huán)境下，減少了約80%的冷卻風(fēng)扇的功率消耗，降低了約10燃油消耗，從而避免了能源的大量耗費(fèi)。 在加裝了空調(diào)的汽車(chē)上，特別是小排量的汽車(chē)，通常附帶有其他電路來(lái)保證壓縮機(jī)工作時(shí)冷卻風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)工作時(shí)電動(dòng)風(fēng)扇也要同時(shí)工作，是為了使得有氣流流過(guò)冷凝器，確?？照{(diào)的正常工作。因此冷凝器安裝在散熱器之前 雖然多數(shù)的新型車(chē)上都裝有電動(dòng)冷卻風(fēng)扇，但還有一些新車(chē)型的冷卻風(fēng)扇是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定可能是因?yàn)檫@些車(chē)型上的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)不平衡，或驅(qū)動(dòng)輪轂損壞，或安裝松動(dòng)等。 1.4課題的主要工作 課題討論的是一款發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的電控系統(tǒng)，使冷卻風(fēng)扇可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境的溫度的變化來(lái)改變從而使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在合理溫度環(huán)境下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇獲得一個(gè)更直觀的認(rèn)識(shí)。 運(yùn)用了電子控制技術(shù)，通過(guò)溫度傳感器采集到的冷卻液溫度信息交由微處理器進(jìn)行處理，再有微處理器發(fā)出信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇的速度從而獲得不同的冷卻能力，實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度下的需求自行調(diào)節(jié)的目的。 課題的主要工作: 1.系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 由于冷卻系統(tǒng)應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)上，因此需要良好而抗震性、耐熱性一起一定的抗電磁干擾的能力，與此同時(shí)還需要冷卻風(fēng)扇可根據(jù)發(fā)動(dòng)冷卻液穩(wěn)固進(jìn)行相應(yīng)冷卻能力的調(diào)節(jié)以保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持最適宜工作溫度環(huán)境下。系統(tǒng)硬件包括溫度傳感器的溫度采集、驅(qū)動(dòng)電路、冷卻風(fēng)扇等。 2.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速即是冷卻風(fēng)扇的冷卻能力可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以此來(lái)達(dá)到使發(fā)動(dòng)機(jī)保持工作在最適宜的冷卻系統(tǒng)中。 3.模擬系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn) 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)，驗(yàn)證本課題對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是否達(dá)到預(yù)期的冷卻風(fēng)扇根據(jù)冷卻液溫度來(lái)自行調(diào)節(jié)冷卻能力等相應(yīng)要求。 22 第二章冷卻風(fēng)扇電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 2冷卻風(fēng)扇電控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 2.1冷卻系統(tǒng)的功用和組成 2.1.1冷卻系統(tǒng)的功用 雖然大量改進(jìn)了汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，但在發(fā)動(dòng)機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程中，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率依舊不高。 汽油約70%的能量被轉(zhuǎn)換成熱量，而汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的任務(wù)正是散發(fā)這些熱量。 事實(shí)上，一輛高速行駛的汽車(chē)，其冷卻系統(tǒng)所散發(fā)的熱量能夠供兩個(gè)房屋取暖！為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，冷卻系統(tǒng)需要將熱量散發(fā)到空氣中。如果發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)冷，會(huì)造成組件的磨損，使發(fā)動(dòng)機(jī)的效率下降。 因此，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的另一作用是幫助發(fā)動(dòng)機(jī)盡快升溫，在80-90℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)最佳。 在80-90℃下，燃油完全燃燒，因此可以減少燃油的消耗并減少污染氣體的排放。 適當(dāng)?shù)母邷叵?，?rùn)滑發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑油較稀薄，粘性較低，可以更好的潤(rùn)滑零部件，那么發(fā)動(dòng)機(jī)零部件可以更靈活地運(yùn)轉(zhuǎn)，不易磨損。 2.1.2冷卻系統(tǒng)的組成 圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的組成如圖1所示，采用強(qiáng)制水冷循環(huán)，一般由鑄造于氣缸蓋和氣缸體中的冷卻水套、水泵、節(jié)溫器、散熱器出水軟管。散熱器進(jìn)水軟管、冷卻風(fēng)扇以及補(bǔ)償水桶組成。 散熱器通過(guò)散熱器進(jìn)水軟管、散熱器出水軟管分別與節(jié)溫器的出水口和水泵進(jìn)水口相連，機(jī)體水套分別與水泵出水口和節(jié)溫器的進(jìn)水口相連，形成冷卻系統(tǒng)。 2.2冷卻系統(tǒng)的主要部件 冷卻系統(tǒng)由散熱器、水泵、冷卻風(fēng)扇及冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置、節(jié)溫器、補(bǔ)償水桶等組成。 1.水泵：加壓并保證冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。 2.散熱器：將水套從發(fā)動(dòng)機(jī)帶出來(lái)的熱量散到環(huán)境中，從而降低冷卻液的溫度。 3.冷卻風(fēng)扇：使空氣流過(guò)散熱器，增加散熱能力，加速冷卻。 4.節(jié)溫器：是控制冷卻液循環(huán)流動(dòng)路徑的閥門(mén)。它根據(jù)冷卻液溫度，打開(kāi)（關(guān)閉）不同的循環(huán)路徑。 5.補(bǔ)償水桶：冷卻液在熱脹冷縮的情況下，補(bǔ)償水桶吸收或補(bǔ)償冷卻液確保不會(huì)溢出或者流失冷卻液。 2.3硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小化系統(tǒng)、溫度采集、顯示溫度以及PWM輸出與驅(qū)動(dòng)。 2.3.1單片機(jī) 單片機(jī)的歷史： 第一代：二十世紀(jì)七十年代后期，四位邏輯控制器件發(fā)展到八位。使用NMOS—N-channel Metal-oride Semiconductor(N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝（速度低，功耗大、集成度低）。 第二代：二十世紀(jì)八十年代初期，采用CMOS工藝，并逐步被高速低功耗的HMOS工藝代替。 第三代：近十年來(lái)，MCU的發(fā)展出現(xiàn)了許多新特點(diǎn)： (1)在技術(shù)上由可擴(kuò)展型向純單片型發(fā)展。 (2)MCU的擴(kuò)展方式，從并行總線型發(fā)展出各種串行總線。 (3)將多個(gè)CPU集成到一個(gè)MCU（多芯片單元）中。 (4)降低了功耗，提高了可靠性。 第四代;FLASH的使用，使MCU技術(shù)進(jìn)入了第四代。 單片機(jī)的選擇主要取決于1）A/D轉(zhuǎn)換2）抗溫性好3）經(jīng)濟(jì)性好4）易于掌握，經(jīng)比較最終選取AT89C51這款單片機(jī)，其引腳如圖2所示。 AT89C51有四十個(gè)引腳，按其功能分可分為三類(lèi)： （1）電源和時(shí)鐘引腳。如Vcc、GND、XTAL1、XTAL2 （2）編程控制引腳。如RST、、ALE/、/Vpp （3）I/O口引腳。如P0、P1、P2、P3，四組八位I/O口。 l Vcc（Pin40):正電源引腳。 l GND（Pin)：接地引腳。 l XTAL1(Pin19):時(shí)鐘引腳XTAL1，用作片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 l XTAL2（Pin18):時(shí)鐘引腳XTAL2，用作片內(nèi)振蕩電路的輸出端或者外部時(shí)鐘源的輸入。 l RST（Pin9）:復(fù)位引腳，用來(lái)完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 l （Pin29）:單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。 l ALE/（Pin30）:地址鎖存使能端、編程脈沖輸入端。 l /Vpp（Pin31）:訪問(wèn)內(nèi)部或外部程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)、提供編程電壓。 I/O口引腳—P0、P1、P2、P3。C51單片機(jī)內(nèi)P0口、P1口、P2口都是普通輸出輸入口。P3口不僅可以作為普通輸入口，也擁有第二功能，各引腳的定義如表所示。 圖2 表1 2.3.2單片機(jī)晶振電路 圖三為STC89C51單片機(jī)的晶振電路，它采用了兩個(gè)20pF的電容和陶瓷電容電容X1組成，單片機(jī)晶振的振蕩頻率的高低決定了單片機(jī)運(yùn)行速度的快慢，但這樣對(duì)于存儲(chǔ)器和電路板就有了比較高的要求。 為了單片機(jī)能夠獲得最好的性能，晶振頻率一般選取6~12HZ。為了保證振蕩器的穩(wěn)定、能夠獲得較高的晶振頻率，晶振電路中用來(lái)并聯(lián)諧振的電容一般選取20~70pF。X1選擇陶瓷電容是為了獲得更好的抗熱性。 2.3.2溫度采集電路 溫度傳感器是一種利用敏感元件隨溫度變化的特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量的裝置。根據(jù)溫度傳感器的輸出信號(hào)來(lái)分類(lèi)，分為模擬式、數(shù)字式溫、邏輯輸出式溫度傳感器。 溫度采集電路的設(shè)計(jì)有許多種，如用熱敏電阻搭建電路，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器或者是通過(guò)查表等方法來(lái)獲得溫度。如采用WZP型Pt100溫度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖4便是Pt100的元件圖，Pt100為模擬量輸出溫度傳感器，隨溫度變化的是電阻所以需要通過(guò)模擬電路將電阻轉(zhuǎn)換為電壓，然后經(jīng)放大電路處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器。常用的變化方式有橋式變換和恒流源變換，此處選用前一種，即橋式變換。 電阻值和溫度變化的關(guān)系式為： t=2.558*Rpt100-256.02，當(dāng)0≤t≤100時(shí) t=2.637*Rpt100-267.01，當(dāng)100>4); ten=temperature%100/10; //溫度的十位數(shù) bits=temperature%10; //溫度的個(gè)位數(shù) 4.4PWM輸出子程序 PWM輸出電路，調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，主要靠的是占空比的大小，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速等于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速乘以該電動(dòng)機(jī)的占空比，因此占空比越大電機(jī)的轉(zhuǎn)速也越大。眾所周知，汽車(chē)啟動(dòng)的時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)有個(gè)預(yù)熱的過(guò)程，且發(fā)動(dòng)機(jī)工作中80-90℃時(shí)，其工作狀態(tài)最好，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度低于90℃時(shí)，電動(dòng)冷卻風(fēng)扇并不工作。在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度達(dá)到90℃以上時(shí)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇才開(kāi)始工作，同時(shí)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速隨著冷卻液溫度的變化而逐漸變化，確保發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最適宜的溫度范圍下。 因此設(shè)計(jì)為電動(dòng)風(fēng)扇根據(jù)溫度的變化而變化的程序，低溫時(shí)速度較低，高溫時(shí)速度增大，以達(dá)到智能冷卻的目的。 4.5本章小結(jié) 采用了多模塊化的設(shè)計(jì)方法，溫度信號(hào)被DS18B20數(shù)字型溫度傳感器采集，將物理信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再有程序?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟刃盘?hào)并送給微處理器，進(jìn)行計(jì)算最后由PWM輸出，來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 第五章仿真 5仿真 Multisim是美國(guó)開(kāi)發(fā)的具有強(qiáng)大的仿真分析能力軟件。由于它大量簡(jiǎn)化了SPICE中復(fù)雜的仿真內(nèi)容，因此更易于工程師們快速地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使得其更適合初學(xué)者學(xué)習(xí)使用。通過(guò)Multisim人們可以完成從電路理論到原理圖的設(shè)計(jì)再到仿真的設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整設(shè)計(jì)流程。 Proteus包含了ISIS（intellingent Schematic Input System)仿真設(shè)計(jì)和ARES（Advanceg Routing and Eiditing software)PCB封裝制作兩個(gè)軟件構(gòu)成，ISIS可作為電子系統(tǒng)的仿真平臺(tái)，并且可以聯(lián)合KEIL來(lái)測(cè)試電路的正確性；ARES是一款高級(jí)布線編輯軟件，用于制作PCB。為方便快捷，采用Proteus軟件進(jìn)行電路圖的繪制以及仿真。 KeilC51是一款美國(guó)開(kāi)發(fā)的51系列單片機(jī)的C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，編寫(xiě)的程序可以通過(guò)keil來(lái)查錯(cuò)修改，并進(jìn)行測(cè)試。 現(xiàn)實(shí)中，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的電動(dòng)風(fēng)扇只有在發(fā)動(dòng)機(jī)工的作溫度處于90℃以上時(shí)才開(kāi)始工作，但這里制作的仿真以及實(shí)物的目的，是為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇控制電路的正確性。為了方便驗(yàn)證與演示，特將觸發(fā)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇所需的溫度調(diào)整為室溫。 5.1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)電路圖 采用Proteus軟件對(duì)設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇控制電路進(jìn)行仿真測(cè)試，首先在Proteus軟件中打開(kāi)元件庫(kù)，選擇DS18B20數(shù)字式溫度傳感器用來(lái)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，選用STC89C1單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式有利用分立元件構(gòu)建的H橋PWM電路和用專(zhuān)用集成芯片構(gòu)建的電機(jī)控制電路。為了方便觀察溫度變化時(shí)，電機(jī)能否隨著溫度而變化，特意安置了一個(gè)4位二極管進(jìn)行溫度的顯示。在這里我們出于控制的方便性考慮選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片L298進(jìn)行直流電機(jī)PWM控制電路的搭建。 各個(gè)電子元件安放好后將每個(gè)元件需要用到的輸出引腳，電源引腳以及接地引腳用電線將他們按照設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行連接。 圖9是專(zhuān)用集成芯片L298構(gòu)建的直流驅(qū)動(dòng)電路，電路中的兩個(gè)直流電機(jī)，對(duì)接的L298的輸出端，用以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 5.2 DS18B20溫度傳感器與PWM輸出電路圖 DS18B20數(shù)字型溫度傳感器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于下一步的進(jìn)行。PWM輸出電路采用的是專(zhuān)用集成芯片L298構(gòu)建的直流電機(jī)控制電路，其電路如圖所示。 5.3本章小結(jié) 詳細(xì)介紹了DS18B20數(shù)字型溫度傳感器溫度采集電路，以及采用了L298專(zhuān)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片搭建的PWM驅(qū)動(dòng)電路等。 第五章仿真 圖9 圖10 第六章結(jié)果與分析 6.結(jié)果與分析 應(yīng)用Proteus進(jìn)行仿真，用keil軟件將編寫(xiě)的程序創(chuàng)建為hex文件，在Proteus軟件中將生成的hex文件加載到單片機(jī)STC89C51中，電機(jī)開(kāi)始仿真，手動(dòng)調(diào)試DS18B20的檢測(cè)的溫度，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著溫度的變化而變化著。當(dāng)溫度升高時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速開(kāi)始增加，當(dāng)溫度降低時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨著降低，功能實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制電路的正確。圖11是71℃溫度下電動(dòng)風(fēng)扇的電路仿真圖，圖12是55℃溫度下的電動(dòng)風(fēng)扇的電路仿真圖。 軟件的仿真并不需要考慮到外界的干擾等因素，所以Proteus進(jìn)行的仿真電路測(cè)試雖然并沒(méi)有什么問(wèn)題，但實(shí)物也許會(huì)由于外界的一些干擾而出現(xiàn)功能缺失甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能的時(shí)候。仿真成功，實(shí)物無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能的例子比比皆是，因此再用實(shí)物進(jìn)行功能測(cè)試，功能完全能夠?qū)崿F(xiàn)。但依舊存在著一些問(wèn)題，比如電機(jī)啟動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)輕微的卡頓現(xiàn)象，這是由于用來(lái)生成PWM波段的T0中斷間隔過(guò)長(zhǎng)。 造成T0中斷時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)的原因是，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇控制電路的控制程序在編寫(xiě)時(shí)，出現(xiàn)了DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的溫度采集程序被用來(lái)生成PWM波段的T0定時(shí)器的中斷所打斷，從而導(dǎo)致了DS18B20溫度傳感器無(wú)法正常讀取溫度的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，在溫度讀取程序開(kāi)始時(shí)，關(guān)閉T0中斷，在溫度讀取結(jié)束時(shí)，開(kāi)啟T0中斷，這一做法雖然解決了DS18B20溫度無(wú)法正常讀取的問(wèn)題，卻也造成了電機(jī)卡頓的現(xiàn)象。 若想解決這一問(wèn)題則需要將DS18B20進(jìn)行溫度讀取程序的時(shí)間盡可能的減少，由于DS18B20數(shù)字式溫度傳感器讀取溫度的時(shí)間最少需要750ms,那么只能盡量提高單片機(jī)程序運(yùn)行的速度，減少程序的字節(jié)數(shù)。 圖11 圖12 總結(jié) 7.總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)在這里做出了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的電動(dòng)風(fēng)扇的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，剛拿到題目時(shí)有些迷茫，覺(jué)得這個(gè)題目比較大，而且偏向于電氣方面。后面開(kāi)始了查找資料后，越發(fā)的覺(jué)得這個(gè)題目對(duì)于我們車(chē)輛專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)完全就是陌生的，甚至完成不了的題目。所幸，剛進(jìn)大學(xué)時(shí)，因?yàn)閷?duì)于技術(shù)有著濃厚的興趣加入了學(xué)院里的科技部，自己跟著學(xué)長(zhǎng)學(xué)習(xí)了單片機(jī)。在大二時(shí)跟隨著物理老師參加了省里的科技創(chuàng)新競(jìng)賽，也算有了一些單片機(jī)的基礎(chǔ)，雖說(shuō)僅會(huì)些皮毛但畢竟多了一些完成的可能性。 首先是查找車(chē)輛冷卻系統(tǒng)的知識(shí)，充分了解汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)后，開(kāi)始構(gòu)思冷卻系統(tǒng)電動(dòng)風(fēng)扇的控制電路，在構(gòu)思時(shí)，借鑒了凱迪拉克的冷卻系統(tǒng)電路圖，翻看了各種汽車(chē)的維修書(shū)籍，推敲與琢磨冷卻風(fēng)扇控制電路的設(shè)計(jì)。 起先設(shè)計(jì)的電路，溫度采集部分采用的是NTC負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器，因?yàn)椴捎昧薖WM電路控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以單片機(jī)選擇的是自帶PWM輸出的EM78P458芯片，以此來(lái)簡(jiǎn)化電路。然而由于仿真軟件Proteus元件庫(kù)中并未收錄EM78P458芯片，以及EM78P458芯片早已停產(chǎn)，市面上難以采購(gòu)而放棄方案。 后采用Pt100溫度傳感器，以及放大電路來(lái)設(shè)計(jì)溫度采集電路。選擇了比較簡(jiǎn)單常用的單片機(jī)STC89C51。后因溫度采集電路采用的模擬量溫度傳感器Pt100搭建的溫度采集電路，溫度測(cè)量誤差較大，電路比較繁雜而放棄。 最后設(shè)計(jì)的電路，選擇了測(cè)量精準(zhǔn)且操作簡(jiǎn)單的單線式溫度傳感器DS18B20來(lái)取代之前Pt100搭建的溫度采集電路。 電路設(shè)計(jì)完成后，便是開(kāi)始思考電路控制部分的程序，那些日子里，看了許多的程序資料，自己編寫(xiě)程序的同時(shí)還需要不斷進(jìn)行仿真的測(cè)試，以確保程序的正確性。 最后畢設(shè)出色的完成了，雖然中間過(guò)程很是苦，但畢竟是成了，本該出現(xiàn)的喜悅卻未感受到，因?yàn)槲颐靼自谶@條道路上我還年輕，走的并不遠(yuǎn)，還沒(méi)到能夠露出微笑的程度。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1]許堯堂，黃銀娣．汽車(chē)構(gòu)造上冊(cè) [M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：228,228,236. [2]D．威德?tīng)栔?，遲瑞娟，李真芳譯．汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社2006：376,40,767. [3]徐繼濤．發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)研究[J]，2007. [4] 鄭鋒，王巧芝．51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開(kāi)發(fā)大全 [M]．修訂版．北京：中國(guó)鐵道出版社，2013． [5] 谷腰欣司著，王益全譯．直流電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用技巧 [M]．北京：科學(xué)出版社，2006． [6] 李靜，程安宇．51單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M]．北京：人民郵電出版社2010. [7] 郭天祥．51單片機(jī)C語(yǔ)言教程 [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008． [8] 舒懷林．PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及其控制系統(tǒng)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社2006. [9] 彭偉．單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)[M]．北京：電子工業(yè)出版社2009. [10] 陳忠平．基于Proteus的AVR單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社2011. [11]查兵.車(chē)載冷卻風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化2013.03.06 [12]郭新民，邢娟，袁燕利.減少汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇能耗的控制系統(tǒng)[J].節(jié)能技術(shù)1997.05.25 [13]翟麗，齊自成，王新源.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的單片機(jī)控制[J].農(nóng)機(jī)化研究2001.05.20 [14]李強(qiáng).現(xiàn)代汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)控制原理概述[J].汽車(chē)維修技師2012.12.01 [15]聶永濤.冬季汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的保養(yǎng)與維護(hù)[J].工程師2010.12.25 附錄 附錄1： 程序：#include #include #define DutyCycle temperature//zhan kong bi #define uchar unsigned char #define uint unsigned int // dian ji kong zhi sbit R=P0^1; sbit L= P0^0; sbit PWM=P0^2; bit flag=1; sbit DQ=P0^3; uchar dida=0; uchar code table[]={0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F}; uchar temperature,ten,bits; //yan shi void delay_50us(uint t) { uchar j; for(;t>0;t--) for(j=19;j>0;j--); } void delay_2us(uchar i) { while(--i); } //shu ma guan xian shi void LEDDisplay() { P2=table[ten]; P1=0xfb; delay_50us(20); P1=0xff; P2=table[bits] ; P1=0xf7; delay_50us(20); P1=0xff; } //DS18B20 CHU SHI HUA void DS18B20Reset() { DQ=0; delay_50us(10); DQ=1; delay_50us(1); while(!DQ); _nop_(); } //du DS18B20 HAN SHU uchar DS18B20ReadByte() { uint i; uchar dat=0; for(i=0;i<8;i++) { DQ=0; _nop_(); dat>>=1; DQ=1; delay_2us(2); if(DQ) dat |=0x80; delay_2us(20); DQ=1; } return(dat) ; } //xie DS18B20 void DS18B20WriteByte(uchar dat) { uchar j; for(j=0;j<8;j++) { DQ=0; delay_2us(5); if(dat&0x01) DQ=1; delay_2us(15); dat>>=1; DQ=1; _nop_(); } } //WEN DU ZHUAN HUAN void temperConvert() { DS18B20Reset(); DS18B20WriteByte(0xcc); DS18B20WriteByte(0x44); } //du chu wen du han shu void temperRead() { uchar temph,templ; DS18B20Reset(); DS18B20WriteByte(0xcc); DS18B20WriteByte(0xBE); templ=DS18B20ReadByte(); temph=DS18B20ReadByte(); temperature=(temph<<4)|(templ>>4); ten=temperature%100/10; bits=temperature%10; } void turnClockwise() { R=1; L=0; } void turnAntClockwise() { R=0; L=1; } //CHU SHI HUA void init() { TMOD=0x01; ET0=1; TR0=1; IT0=1; EX0=1; EA=1; PWM=1; } void motor() { turnClockwise(); } //zhu han shu void main() { uchar j; init(); while(1) { temperConvert(); for(j=0;j<250;j++) LEDDisplay(); EA=0; temperRead(); motor() ; EA=1; } } void ex0() interrupt 0 { flag=!flag; } //ding shi qi 0de de zhong duan fu wu hanshu void time_0() interrupt 1 { TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; dida++; if(dida>= temperature) PWM=0; else PWM=1; if(dida==100) dida=0; } 附錄2： 實(shí)物圖： 29 致謝 致謝 轉(zhuǎn)眼四年的大學(xué)生涯即將走到終點(diǎn)，在這身為學(xué)生最后的日子里，我們還有一個(gè)必須完成任務(wù)那就是畢業(yè)設(shè)計(jì)。我想這應(yīng)該是我們最后一次以學(xué)生的身份來(lái)完成一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)了，在這最后一學(xué)期里，唯有畢設(shè)還能讓我們感受到自己還是個(gè)學(xué)生。因此我將這份任務(wù)看的很重。 或許我選擇的題目有一些難度，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)電動(dòng)冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，即涉及到汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)也涉及到了單片機(jī)方面的各種知識(shí)。但對(duì)于即將跨出校園的我而言，這何嘗不是一次歷練，體驗(yàn)設(shè)計(jì)的苦與甜。一份小小的設(shè)計(jì)橫跨了三四個(gè)軟件的運(yùn)用，涵蓋了大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。Protel電氣繪圖軟件，keil C語(yǔ)言編譯軟件，Proteus仿真軟件。 畢設(shè)開(kāi)始之初便是搜集資料，不僅要搜集汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的資料還要學(xué)習(xí)C語(yǔ)言，學(xué)習(xí)電氣繪圖軟件的使用，也許是我的題目比較冷門(mén)，幾乎搜集不到什么相關(guān)的文獻(xiàn)，只能自己不斷的撰寫(xiě)論文，一次次的查看，一次次的修改。對(duì)于軟件的學(xué)習(xí)也是絲毫不敢松懈，遇到各種難題，需要自己咬著牙去解決，去查找資料，自己測(cè)試，自己分析錯(cuò)誤，最后再找出最合適的解決方案。 在這大學(xué)最后的日子里，感謝這大學(xué)四年，感謝這個(gè)學(xué)校讓我學(xué)會(huì)了許多，也懂得了許多做事，做人的準(zhǔn)則。