基于單片機的液壓油箱自動散熱系統(tǒng)設(shè)計

宋濤，于存貴，蘇騰騰，李宗濤

（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

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基于單片機的液壓油箱自動散熱系統(tǒng)設(shè)計

宋濤，于存貴，蘇騰騰，李宗濤

（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京210094）

摘要：針對某機構(gòu)的液壓油箱，設(shè)計一套自動散熱系統(tǒng)。采用單片機控制該系統(tǒng)，通過液體溫度傳感器檢測油液溫度，控制電機轉(zhuǎn)動進行散熱，并用數(shù)字PID算法將油液溫度控制在合適范圍內(nèi)，減少機構(gòu)運行過程的能量，降低工作負荷。

關(guān)鍵詞：液壓油箱；自動散熱系統(tǒng)；單片機；數(shù)字PID

如今能源問題是時代的主題，降低能量損耗，提高能量的利用效率，同時要保證系統(tǒng)工作在良好的工作狀態(tài)是我們現(xiàn)在亟需解決的問題［1］。

液壓系統(tǒng)工作時油液的溫度會明顯有所增加，油溫對于液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)和工作效率有很大的影響［2］。對油液而言，當油溫過高時，液壓油粘度降低，可壓縮性變差；對于執(zhí)行系統(tǒng)而言，降低執(zhí)行元件的運動速度；同時，在控制過程中，降低控制精度和快速性。

目前一般的液壓油箱的散熱方式有：自由冷卻、介質(zhì)冷卻、油箱散熱器冷卻。自由冷卻是用在液壓油溫變化不大，也即工作負荷較小的情況下。它是靠油箱將液壓回路的油液自然冷卻；這種方法使用的局限性較大，并不能滿足于大部分液壓系統(tǒng)中。介質(zhì)冷卻一般采用水冷的方式，能夠較快速有效的控制油液的溫度。但是一般體積較大，且還需配備水箱，對于應(yīng)用在比較精簡的機械結(jié)構(gòu)中，適用性較小。油箱散熱器冷卻方法，通過一套較為緊湊復(fù)雜的機械裝置安裝在油箱上（或者油箱自帶），通過電源持續(xù)供電，用風扇等進行冷卻。這種方式成本較高，可控性不強，能源利用率較低。針對某機構(gòu)液壓系統(tǒng)，由于其在工作過程中油箱始終工作在散熱狀態(tài)，而系統(tǒng)工作在某些狀態(tài)時，沒有很多的熱量輸出，這使系統(tǒng)產(chǎn)生很多不必要的能耗，降低能量利用效率。本文采用單片機，通過液體溫度傳感器，設(shè)計了一套自動散熱系統(tǒng)，控制散熱電機的啟動和調(diào)速來控制油液溫度，使系統(tǒng)工作在一定的合適范圍內(nèi)，提高了工作效率，并且降低了能耗。

1　系統(tǒng)方案及原理

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動散熱系統(tǒng)主要由控制模塊、執(zhí)行模塊、檢測模塊、顯示模塊組成。控制模塊包括單片機及其外圍電路、A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片等組成；執(zhí)行模塊包括一電機作為散熱裝置；檢測模塊包括一液體溫度傳感器，用來實時檢測油液的溫度；顯示模塊包括一液晶顯示屏用來顯示油液的溫度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1　自動散熱系統(tǒng)原理圖

1.2系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

由以上模塊自動散熱系統(tǒng)，機構(gòu)工作時油液溫度上升，油液溫度通過溫度傳感器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號［3］轉(zhuǎn)為數(shù)字信號并發(fā)送給單片機，單片機對油液溫度進行實時監(jiān)測并將當前溫度值顯示在液晶屏上，用于操作人員觀測。當溫度達到某一閥值時，記當前溫度為危險溫度，單片機輸出數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號并送達執(zhí)行電機給油箱散熱，當溫度低于閥值時，單片機輸出0 V，電機不轉(zhuǎn)動。由于油箱溫度在閥值以上一定范圍內(nèi)變化，將超過閥值的部分分為不同檔位，單片機也輸出0～5 V相應(yīng)檔位的電壓值，檔位越高輸出越高的電壓，從而根據(jù)當前溫度通過控制電機轉(zhuǎn)速來控制散熱的快慢。

液壓油的正常工作溫度為30～60℃，不要超過70℃。將閥值定為40℃，將40～70℃總共設(shè)定5檔，如表1所示。考慮到溫度越高對系統(tǒng)影響越大，并考慮到散熱不是及時實現(xiàn)的，需要預(yù)留一定余量，因此，設(shè)定超過55℃為不正常的工作溫度，并將55℃以上設(shè)定為最大電壓輸出，以保證系統(tǒng)工作在正常溫度范圍內(nèi)。

表1　40～70℃對應(yīng)相應(yīng)檔位

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括單片機［4］、液體溫度傳感器［5］、A/D、D/A芯片以及一些驅(qū)動電路與電器元器件［6］。

2.1單片機選取

在系統(tǒng)運行過程中，單片機作為控制模塊起著至關(guān)重要的作用。本文選擇STC89C52單片機。它有4 KB片內(nèi)程序存儲器ROM；128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；4個I/O接口——P0～P3；外接11.059 2 MHz晶振。

2.2?檢測模塊設(shè)計

傳感器作為感知外界信息的“眼睛”，是本系統(tǒng)中重要的一個環(huán)節(jié)。一般常用溫度傳感器DS18B20［7］，其具有體積小、抗干擾能力強的特點。考慮到要探測液體溫度，需要其具有防水、耐腐蝕等的特點，區(qū)別于一般的溫度傳感器，選擇液體溫度傳感器。本文選用JCJ100TW簡易式溫度傳感器，采用不銹鋼金屬外殼封裝，內(nèi)部填充絕緣導(dǎo)熱材料密封而成，最大測溫范圍-55℃～+125℃，精度±0.5℃（-10℃～+85℃）。有體積小、反應(yīng)靈敏、種類豐富、防水抗震等特點。

2.3D/A、A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

D/A芯片選取TLC5615，是一個串行10為DAC芯片。只要通過3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行傳輸。其設(shè)計電路如圖2所示。其DIN、SLK、CS引腳分別接P2?7、P2?6、P2?5口。

圖2　TLC5615芯片電路圖

A/D芯片選取AD0804，是連續(xù)漸進式A/D轉(zhuǎn)換器，具有轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高、價格便宜的特點。其與單片機P1口并行連接，用來將由液體溫度傳感器探測到的溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給單片機進行處理。其電路圖如圖3所示。

圖3　AD0804芯片電路圖

3　單片機溫控系統(tǒng)軟件開發(fā)

整個系統(tǒng)控制通過C語言［8］實現(xiàn)，流程圖見圖4。程序設(shè)計為兩種功能模式：自動模式和手動模式，通過檢測模式切換按鍵是否按下來判斷，按鍵開關(guān)接P3?7口，當按下時，輸入單片機低電平，為手動模式，否則為自動模式。手動模式下，3個按鍵分別連接P3?4～P3?6口，用來給電機發(fā)送加速、減速、啟動和停止指令；自動模式下，通過設(shè)置定時器，定時傳感器每50 ms采樣一次，即每隔50 ms檢測油液溫度。傳感器自己工作通過閥值來控制電機散熱。這種設(shè)計不僅可以防止自動模式失效預(yù)防故障，還可以自主進行手動操作，并且可以實時進行兩種模式的轉(zhuǎn)換。

圖4　程序流程圖

4　數(shù)字PID控制

PID控制器（如圖5），是一種線性控制器，根據(jù)給定值r（t）與實際輸出值y（t）的誤差e（t），進行比例微分積分線性組合，作用于控制對象［9］。

圖5　PID控制原理圖

式中：Kp、KI、KD分別為比例、積分、微分系數(shù)。

在PID算法中，由于偏差e貫穿整個積分過程，計算機對e（t）進行累加產(chǎn)生很大的累計偏差，影響控制的效果，在工程上多采用數(shù)字PID的控制方法［10］。它是一種增量式的，其輸出是控制器的增量△u（t）。

將上式離散化處理，并取t=k、t=k-1，得：將上兩式相減

調(diào)節(jié)KP、KI、KD3個系數(shù)的值綜合考慮系統(tǒng)進入穩(wěn)定的時間長短、系統(tǒng)超調(diào)的大小、穩(wěn)態(tài)精度的高低以及過渡過程的穩(wěn)定性等因素，調(diào)試出最優(yōu)系統(tǒng)。

將上式變型：

即△u（k）=Ae（k）+Be（k-1）+Ce（k-2）只要控制A、B、C獲取3次誤差值即可。

5　結(jié)論

基于單片機的自動散熱系統(tǒng)應(yīng)用于液壓油箱中，具有一定的實用性。能夠有效的檢測與控制油箱的溫度在合適的范圍內(nèi)，同時提供了兩種工作的模式，方便于人工的操作和預(yù)防故障。該系統(tǒng)設(shè)計成本低、結(jié)構(gòu)小、可靠性較好，能夠有效的減少液壓系統(tǒng)工作時系統(tǒng)的能耗，節(jié)省了一定電力，特別在一些移動式或?qū)τ诠╇娪刑厥庖蟮脑O(shè)備中，有較好的推廣前景。

參考文獻：

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Deslgn of hydraullc oll boX automatlc heat dlsslPatlon system based on slngle-chlP mlcrocomPuter

SONG Tao，YU Cun-guj，SU Teng-teng，LI Zong-tao
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract:Ajmjng at hydrau1jc oj1 box of some mechanjsms，desjgn a automatjc heat djssjpatjon system. The system whjch contro11ed by sjng1e-chjp mjcrocomputer djssjpates heat by e1ectromotor to majntajn the oj1 temperature jn approprjate range wjth fjgure PID arjthmetjc，and detects the oj1 temperature wjth 1jqujd-temperature sensor. Thjs system reduces energy and work-1oad jn mechanjsm operatjon.

Key words:hydrau1jc oj1 box；automatjc heat djssjpatjon system；sjng1e-chjp mjcrocomputer；fjgure PID

中圖分類號：TN431.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0132-03

收稿日期：2015-06-02稿件編號：201506027

作者簡介：宋濤（1991—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生。研究方向：機、電、液控制。