汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

郝亮 吳桐 張成 陸毅

（遼寧工業(yè)大學(xué)）

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，要充分考慮散熱風(fēng)扇、冷卻液質(zhì)量和特性等諸多方面進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。冷卻液作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，它在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的多余熱能帶走，使發(fā)動(dòng)機(jī)能以正常工作溫度運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，冷卻液質(zhì)量的好壞以及對溫度變化幅度和趨勢的精確監(jiān)測對于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱效果影響至關(guān)重要[2]。單片機(jī)技術(shù)的普及促進(jìn)了汽車智能化[3]，把此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在冷卻系統(tǒng)信號采集，可以有效、自動(dòng)地控制散熱強(qiáng)度，還可以提醒用戶當(dāng)前冷卻系統(tǒng)的狀況，以便及時(shí)保養(yǎng)與維修。文章采用單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測汽車?yán)鋮s液溫度、補(bǔ)償水箱中冷卻液余量以及及時(shí)顯示使用的冷卻液質(zhì)量狀況等參數(shù)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是由溫度傳感器、顏色傳感器及液位傳感器、單片機(jī)、OLED顯示屏和電源模塊等主要硬件組成，通過硬件可有效地監(jiān)測冷卻液質(zhì)量與散熱強(qiáng)度，文章分別對各系統(tǒng)硬件進(jìn)行介紹。

1.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊是整體系統(tǒng)的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心[4]。本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為微處理器,它通過接收溫度和顏色等傳感器信號，采用算法程序?qū)ζ嚴(yán)鋮s系統(tǒng)的冷卻溫度及冷卻液的渾濁程度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能化監(jiān)測，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警判斷，其最小系統(tǒng)電路，如圖1所示。

圖1 STC12C5A60S2單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖

1.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)，其溫度傳感器采集的溫度信號是單片機(jī)系統(tǒng)完成控制工作的重要判斷依據(jù)[5]。同時(shí)主程序中采取間隔采樣的方法獲取并計(jì)算行車時(shí)間段內(nèi)的溫度變化以及變化幅度，通過和正常值范圍、變化率等作對比，給出對用戶的保養(yǎng)清洗建議。文章采用的是某種改進(jìn)智能型溫度傳感器DS18B20，其電路如圖2所示。

圖2 DS18B20溫度傳感器電路圖

1.3 液位監(jiān)測模塊

液位監(jiān)測模塊在本設(shè)計(jì)中承擔(dān)監(jiān)測冷卻液液面位置的功能，其輸出的模擬信號要經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后才能被單片機(jī)處理判斷，因此在此模塊中添加了A/D轉(zhuǎn)換程序。

1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要是由1個(gè)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、8個(gè)續(xù)流二極管組成的續(xù)流電路和1個(gè)三端穩(wěn)壓器78M05構(gòu)成的穩(wěn)壓電路組成。圖3示出L298N電路圖。它具有15個(gè)引腳，在本設(shè)計(jì)中只用它驅(qū)動(dòng)1個(gè)直流電機(jī)（這里只使用 IN3，IN4 和 ENB），IN3，IN4，ENB分別接到單片機(jī)P2.1，P2.2，P2.3端口上，實(shí)際上它的輸出也只用到OUT3和OUT4。當(dāng)單片機(jī)給ENB一個(gè)高電平信號輸入時(shí)，IN3和IN4變?yōu)橛行顟B(tài)，即EN為1時(shí)，IN3為0，IN4為0，直流電機(jī)就是制動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)IN3=1，IN4=0 時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) IN3=0，IN4=1 時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)IN3和IN4都為1時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)（快速停止）。

圖3 L298N與單片機(jī)連接圖

1.5 顏色采集模塊

由于冷卻液渾濁度在行車過程中難以用傳感器測定，此處通過采用顏色傳感器計(jì)算冷卻液與新冷卻液間的色差來判斷冷卻液質(zhì)量的好壞、是否需要更換等。文章選用的TSC3200是某帶數(shù)字兼容接口的RGB彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部集成了可配置的硅光電二極管陣列和一個(gè)電流/頻率轉(zhuǎn)換器。通過不同的引腳組合可以實(shí)現(xiàn)不同顏色的識別。不同引腳組合，如表1所示。

表1 RGB彩色光/頻率轉(zhuǎn)換器的不同引腳組合表

1.6 顯示模塊

顯示模塊主要由OLED顯示屏構(gòu)成，承擔(dān)將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)、信息及判斷出的冷卻液質(zhì)量狀況顯示給用戶的功能，它具有結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)速度快、顏色對比度高、不需背光源自發(fā)光、屏幕輕薄及視角廣等特點(diǎn)[6]。

1.7 電源模塊

電源模塊主要是將外部直流電壓穩(wěn)壓為系統(tǒng)中使用的電壓，本次設(shè)計(jì)使用的是7805穩(wěn)壓電路，它是三端穩(wěn)壓電路，是電流源型穩(wěn)壓電路，通過調(diào)節(jié)輸出電流來保證輸出端電壓。電源模塊電路原理圖，如圖4所示。

圖4 電源模塊電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件搭建完畢，要進(jìn)行系統(tǒng)算法程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件程序主要編寫冷卻液溫度、高度和顏色模塊的返回值，并加以處理，其中冷卻液溫度傳感器測得的溫度信息傳到系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)去執(zhí)行和動(dòng)作，而高度和顏色信息通過OLED顯示屏進(jìn)行有效的顯示。

在構(gòu)建完成系統(tǒng)硬件后，使用嵌入式C語言來編寫本系統(tǒng)的軟件程序。采用模塊化軟件設(shè)計(jì)，編寫了初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、各傳感器及電機(jī)的測試與控制程序等。系統(tǒng)軟件總體流程，如圖5所示。

圖5 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)經(jīng)過初始化后，主程序通過調(diào)用各子程序完成預(yù)定動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

3 結(jié)論

1）系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，搭建了系統(tǒng)的硬件及相應(yīng)的控制電路，從而實(shí)現(xiàn)汽車在行駛過程中對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、顏色及余量等參數(shù)的智能化監(jiān)測，可實(shí)時(shí)反饋給駕駛員并幫助駕駛員判斷是否需要更換或者補(bǔ)液。

2）系統(tǒng)可根據(jù)冷卻液溫度控制散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)時(shí)減小散熱，負(fù)荷工作時(shí)加強(qiáng)散熱，過熱時(shí)加大散熱強(qiáng)度等功能。

3）系統(tǒng)通過分時(shí)、分段采集溫度變化幅度和趨勢的方法，有效地分析了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作狀況，提供了燃油噴射、進(jìn)氣調(diào)節(jié)等更多方面的參考條件。