基于Arduino控制的發動機熱管理系統教學演示臺架設計

陳紀欽，謝智陽，曾嘉強

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基于Arduino控制的發動機熱管理系統教學演示臺架設計

陳紀欽，謝智陽，曾嘉強

（河源職業技術學院 機電工程學院，廣東 河源 517000）

設計了一種基于開源硬件Arduino控制的發動機熱管理系統教學演示臺架，由硬件結構、電路與控制系統組成，用于解決高職汽車類專業發動機熱管理系統的教學培訓．臺架采用功率較小的水泵、電磁水閥、散熱器和散熱風扇等取代實車部件，使用Arduino IDE進行水溫讀取、溫度PID控制曲線繪制以及程序設置，試驗結果驗證了臺架功能符合設計要求．

發動機熱管理；教學演示臺架；Arduino

目前，高職學生學習過程中接觸到的發動機熱管理系統相關的實訓設備主要都是根據傳統發動機散熱系統改造設計，其主要部件水泵、節溫器均為機械式、散熱風扇則多數是兩檔定速式電機扇，無法實現精準的水溫和流速控制[1]．發動機熱管理系統是在傳統的發動機散熱系統基礎上將機械式水泵、節溫器更換為電控式，將機械風扇或定速電風扇更換為可調速電風扇，近些年推出的部分高檔轎車和商用車都開始裝備發動機熱管理系統以滿足日益迫切的節能和環保要求[2，3]．筆者基于開源硬件Arduino控制開發了汽車發動機熱管理系統教學臺架，以滿足高職汽車類專業教學培訓的需求，讓學生從硬件和控制程序兩方面深入理解熱管理系統的工作原理和工作過程．

1 系統整體設計

Valeo（法雷奧）公司在1999年就提出了一種發動機熱管理系統THEMIS，該系統主要包含了電控風扇、電控節溫器和電控水泵，并可以根據溫度傳感器信號實現對這些電控部件的控制[4]．在參照THEMIS模型的基礎上，本文設計了可供高職教育或相關技術培訓領域使用的發動機熱管理系統教學臺架，盡量真實地模擬實車發動機冷卻液循環回路．控制電磁水閥的開、閉可以實現大、小循環回路的切換，教學臺架的冷卻液循環回路的組成結構如圖1所示．

教學臺架的控制系統主要以數字PID的方式調節Arduino UNO板上的PWM輸出，通過L298P模塊實現對散熱風扇轉速的調節，以固定PWM（兩檔）輸出的方式實現對水泵流量的調節，以通斷控制的方式對電磁水閥實施控制實現冷卻液循環管道的切換，相應的控制系統結構如圖2所示．

圖1 冷卻液循環回路結構框圖

圖2 控制系統結構框圖

2 硬件設計

2.1 結構設計

冷卻液循環回路所有部件都安裝在一塊800mm*300mm*3mm的鋁合金板上，其組成與結構如圖3所示．

水泵能提高循環回路內冷卻液的工作壓力、維持冷卻液的循環流動．所選用的水泵自帶回流壓力調節螺絲，可以保證冷卻液工作壓力維持在安全范圍．該水泵額定工作電壓12V，額定工作電流約0.7A，額定流量6L/min，水壓約0.35MPa．

從水泵流出的冷卻液進入加熱器，加熱器下方設置了固體酒精托盤，點燃固體酒精后可以對流經加熱器內部的冷卻液進行持續加熱，模擬了發動機對其內部冷卻液的加熱過程．教學臺架采用了一個外形尺寸為155mm*120mm*30mm的微型散熱器充當加熱器．

加熱器出來后的冷卻液經過三叉管，分別流向常開電磁水閥或常閉電磁水閥．常開電磁水閥和常閉電磁水閥的電磁鐵并聯后受繼電器擴展板控制，繼電器斷開時，只有常開電磁水閥允許冷卻液流過，而繼電器接通時，只有常閉電磁水閥允許冷卻液流過．從常開電磁水閥流過的冷卻液直接流回水泵，構成發動機冷卻液循環系統的小循環回路．從常閉電磁水閥流過的冷卻液則流向散熱器，并通過散熱器流回水泵，構成發動機冷卻液循環系統的大循環回路．

2個電磁水閥的額定工作電壓均為12V，額定工作電流約為0.45A，允許最高管路壓力為0.8MPa．

散熱器外形尺寸為265mm*120mm*30mm，冷卻液從上方管口進入從下方管口流出．散熱器上安裝兩個微型直流電機驅動的風扇對散熱器進行抽吸散熱，該散熱風扇的額定工作電壓為12V，額定工作電流約為0.8A．

①水泵；②儲水箱；③加熱器；④溫度傳感器（加熱器出口）；⑤常開電磁水閥； ⑥常閉電磁水閥；⑦溫度傳感器（散熱器出口）；⑧散熱器；⑨散熱風扇； ⑩繼電器擴展板（其下疊加L298P驅動模塊、Arduino UNO控制板）

儲水罐安裝在水泵與加熱器之間，容積約120ml，可以給循環回路補充冷卻液，并將循環回路中產生的氣泡及時排放到空氣中，防止循環管路中壓力過高．

冷卻液循環回路各部件間采用內徑為8mm透明硅膠管連接，便于觀察回路中冷卻液的流動方向．

2.2 控制電路設計

教學臺架控制電路包含了Arduino UNO控制板、L298P驅動模塊、繼電器擴展模塊、DS18B20溫度傳感器、水泵驅動電機、散熱風扇驅動電機、水閥電磁鐵等部件．

Arduino UNO控制板是一款開源硬件，它有專屬的開發環境（Arduino IDE），配套軟硬件資源非常豐富，易于擴展使用．這款開源硬件目前最新版本是Arduino UNO R3（芯片型號為ATMEGA328P），它自帶14個數字I/O口（其中2、3號端口為外部中斷口，3、5、6、9、10、11號端口具備PWM波輸出功能），6個模擬量輸入口，完全能滿足本系統設計要求[5-6]．

DS18B20是美國Dalla公司推出的基于單總線（1-Wire）式結構的數字溫度傳感器，該結構允許多個傳感器并聯后與單片機的一個I/O端口實現通信，可以大量節省單片機的I/O端口資源．該傳感器溫度采集范圍是-55℃~125℃，溫度轉換分辨率最高可達12bit，并同時具有低功耗、高抗干擾的性能[7~8]．教學臺架選用了不銹鋼外殼封裝（約為Φ6*50mm）的DS18B20，分別安裝在加熱器和散熱器出口處的三叉管內，傳感器金屬探頭與管路內冷卻液直接接觸．

L298系列芯片是ST Microelectronics公司推出的內含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，其中L298P采用了Power SO 20貼片式封裝．該芯片包含了兩組高電壓（不超過46V）、大電流（2A）的雙全橋式驅動器[9]．

如圖4所示，Arduino UNO 的D2號端口與2個DS18B20溫度傳感器進行通信，獲取冷卻液循環回路中加熱器出口處和散熱器出口處的水溫信息；D4號端口與蜂鳴器相連，驅動蜂鳴器發出水溫過高的報警聲音；D6號端口與繼電器擴展板相連，發送指令控制繼電器通斷；D10~D13號端口與L298P驅動模塊相連，其中D10和D11號端口發送PWM信號，控制相應電機轉速，D12和D13號端口則發送高、低電平信號，控制相應電機轉動方向．

圖4 系統控制電路

L298P驅動模塊中的74HC00芯片是一個兩輸入四輸出的與非門芯片．它將從Arduino UNO控制板D12、D13號端子接收到的電平高低信號通過與非門判斷轉換為四路高、低電平的輸出信號輸出給L298P芯片．

L298P芯片的OUT1和OUT2兩個輸出端子驅動水泵電機（WP）工作，OUT3和OUT4兩個輸出端子驅動散熱風扇電機（F01與F02）工作；INPUT1和INPUT2兩個輸入端子用于控制水泵電機旋轉方向，INPUT3和INPUT4兩個輸入端子用于控制散熱風扇電機旋轉方向（調試完成后，本教學臺架不在控制過程中改變這些電機旋轉方向）；ENA和ENB 2個端子則直接與Arduino UNO控制板相連，根據PWM信號相應控制水泵電機和散熱風扇電機的轉速；VSS端子與Arduino UNO控制板連接同一個5V電源；VS端子連接到電機驅動電源（+12V直流電源）．

此外，L298P驅動模塊還使用了8個二極管D2~D9保護L298P芯片．

繼電器擴展板使用了一個光耦合器P521防止后面電路在工作過程中對Arduino UNO產生干擾；NPN三極管Q2把經光耦合器傳遞過來的信號放大后驅動繼電器K2；兩個電磁水閥并聯后連接到繼電器K2的常開觸點；VCC連接+12V直流電源[10]．

3 控制程序設計

3.1 系統控制過程

系統根據加熱器出口處的溫度傳感器讀取到的溫度值（DT1）控制冷卻液大、小循環回路的切換和水泵工作速度的切換；根據散熱器出口處的溫度傳感器讀取到的溫度值（DT2）控制散熱風扇的轉速．控制板的程序流程圖如圖5所示，為了方便演示控制效果，程序中各溫度點的設置可能與實車不一致．

3.2 PID控制算法

本教學臺架控制系統采用位置型PID算法控制散熱風扇的轉速，將散熱器出口處的水溫傳感器讀數DT2穩定在設定值．

當采樣周期足夠短時，用求和代替積分、向后差分代替微分，可以將模擬PID微分方程離散化[11-13]，進入PID調節模式后的控制算法流程圖，如圖6所示．

圖5 系統控制流程

因為Arduino控制板輸出的PWM值的范圍是0~255，所以計算得到的PWM值大于255，直接賦值PWM=255．若PWM值小于0，直接賦值PWM=0．

4 功能驗證

為了驗證本演示臺架功能的有效性，使用了噴燈對加熱器從室溫開始進行加熱，如圖7所示．試驗過程采用的電源品牌型號為安泰信APS3005D；Arduino IDE的版本號為1.8.5．試驗過程中水泵、電磁閥工作電流數據均從穩壓電源直接讀取．

加熱過程中打開Arduino IDE自帶的串口監視器讀取溫度傳感器DT1反饋數值．開始加熱到進入PID控制模式這段時間內，DT1溫度數值、

圖7 臺架功能測試

水泵工作電流、電磁閥工作電流相互關系如圖8所示．

很明顯，當DT1溫度數值到達55℃時，電磁水閥工作電流從零變為0.92A，說明兩個電磁閥同時開始工作（常閉電磁水閥打開，常開電磁水閥關閉），冷卻液循環管路切換到大循環狀態；同時，水泵工作電流從0.48A變為0.69A，水泵從低速模式切換到高速模式．循環回路切換到大循環狀態后，原先散熱器內部溫度較低的冷卻液突然參與循環，所以DT1短時間內從55.88℃降到49.75℃，然后才繼續上升．

圖8 加熱過程中各部件工作狀態隨時間變化關系

若用加大噴燈功率對加熱器持續加熱，超出散熱風扇的調節能力后，可以從Arduino IDE的串口監視器可以看到DT1持續上升，超過75℃后蜂鳴器報警．

測試結果顯示，教學臺架基本符合設計需求．

圖9 PID響應曲線

5 結 論

教學演示臺架采用了開源硬件Arduino UNO作為控制板，模擬實車發動機熱管理系統工作原理，對循環管路內冷卻液的流速、流向以及溫度實施精準控制，較直觀地展示了汽車發動機熱管理系統的工作過程．借助Arduino IDE自帶的串口監視器可以讀取2個溫度傳感器的實時狀態，觀察系統控制過程；也可以從串口繪圖器獲取PID溫度控制曲線，輔助理解PID調速過程和作用；還能夠實現對控制程序的在線修改和下載．

本演示臺架在我校汽車運用與維修技術專業的“汽車發動機電控系統檢修”課程教學過程中給學生演示發動機熱管理系統內冷卻液的循環回路切換、電動水泵轉速調節、電子散熱風扇轉速調節與水溫之間的關系，加深了學生對發動機熱管理系統的工作原理的理解，為學生后續進行實車熱管理系統檢修夯實了理論基礎．

此外，汽車智能技術專業的“車載MCU應用開發”課程也采用了該臺架，進行單片機（Arduino）控制技術的教學．它涉及單總線通信、數字量輸出控制、PWM輸出控制、PID算法控制等內容，是一個較為綜合的教學項目載體，鍛煉了學生Arduino控制技術的綜合運用能力．

[1] 劉冬生，金榮，袁濤生．汽車發動機構造與維修[M]．北京：機械工業出版社，2018．

[2] 徐喆軒，張俊紅，胡歡，趙永歡．發動機熱管理系統及部件研究進展[J]．汽車技術，2017（4）：16-22．

[3] 陳家瑞．汽車構造（上冊）[M]．北京：機械工業出版社，2015．

[4] 費洪慶．混合動力客車熱管理系統的設計與實現[D]．山東大學，2015．

[5] 付久強．基于Arduino平臺的智能硬件設計研究[J]．包裝工程，2015，10（36）：76-79．

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[8] 王建勛，周青云．基于DS18B20和LabVIEW的溫度監測系統[J]．實驗室研究與探索，2012，3（31）：47-50．

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[11]王蕾，宋文忠．PID控制[J]．自動化儀表，2004（04）：3-8．

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Design of Engine Thermal Management System Teaching Demonstration Bench based on Arduino Control

CHEN Jiqin, XIE Zhiyang, ZENG Jiaqiang

（）

The teaching demonstration bench for engine thermal management system based on open-source hardware Arduino control is designed, which includes hardware structure, electric circuit and control program. It is designed to solve the problems of teaching and training of automotive engine thermal management system in higher vocational colleges. The bench has replaced the real vehicle parts with smaller power pumps, electromagnetic water valves, radiators and cooling fans.Arduino IDE was used to read the water temperature, draw the temperature PID control curve and set the program. Test results verify that the function of the platform meets the design requirements.

engine thermal management; teaching demonstration bench; Arduino

2018-05-20

陳紀欽（1983-），男，廣東梅州人，講師，碩士，研究方向：開源硬件控制、高職教育．

10.13899/j.cnki.szptxb.2019.01.003

TP273.5

A

1672-0318（2019）01-0015-06