基于MC9S12單片機的汽車發動機智能冷卻泵控制系統設計*

文 凱，張 穎，朱 昊※，王華生，楊佩琦，劉 藝

（1.南京工程學院信息與通信工程學院，南京 211167；2.鹽城海納汽車零部件有限公司，江蘇鹽城 224100）

0 引言

現代汽車發動機的工作性能與發動機冷卻系統息息相關。發動機冷卻系統用來實現水泵中冷卻液在系統中的循環，將發動機工作過程中產生的熱量吸收散發至外界環境，使得發動機的工作環境溫度始終保持在合適的范圍內[1]。發動機冷卻系統工作時，散熱量的控制和冷卻效率的提高，一直以來都是相關領域的研究熱點[2]。汽車的發動機冷卻水泵工作環境惡劣，空間極其受限，其冷卻性能直接影響汽車發動機的使用價值與使用壽命。傳統的發動機冷卻水泵通過發動機轉速來調控水泵的流量，而不是通過對發動機內溫度狀態的變化來調控，因此對散熱的控制不精確，而且增加了發動機的損耗。因此，研制汽車發動機智能冷卻泵控制系統，提高冷卻泵控制精度、冷卻效率，從而實現能源節約。

1 控制系統總體設計方案

1.1 系統整體設計

本控制系統的硬件部分由控制器MC9S12XEQ512、各類傳感器、發動機電風扇、水泵驅動等模塊組成。系統的總體架構設計如圖1所示。水泵常見故障包括壓力不足、堵塞、斷軸、葉片損壞等[3]。本系統針對汽車發動機冷卻泵的工作特點，選擇各類傳感器監控水泵工作狀態。流量傳感器用于監測冷卻液流動狀態，通過A/D 轉換后將數字信號傳至控制器，判斷是否發生扇葉損壞、冷卻回路堵塞等問題；轉速傳感器輸入為磁感應強度，輸出數字信號，通過感應周圍是否存在磁場來控制輸出的電平，主要監測水泵主軸的工作狀態，判斷是否發生堵轉、斷軸等問題；溫度傳感器監測發動機內的冷卻液溫度。工作過程中，當溫度傳感器檢測到發動機內的冷卻液溫度變化范圍超過一定限度，通過A/D 轉換后將數字信號傳至MCU，MCU根據寫入的程序對數字信號進行處理然后發出相應指令[4]。此后，通過脈沖寬度調制改變輸出的平均電壓調節水泵的正轉反轉和轉速變化以及風扇的開關與轉速變化，進而間接控制發動機冷卻系統內部循環的冷卻液溫度，使發動機處在合適溫度工作。工作過程中，若發生扇葉損害等故障問題使傳感器檢測到風扇轉速或液體流速異常，MCU將故障信號通過CAN總線傳至ECU。

圖1 系統總體框架

圖2 核心控制模塊

2 系統硬件設計

2.1 芯片選型

本文設計的發動機智能冷卻泵控制系統以飛思卡爾公司的MC9S12XEQ512 單片機為控制核心，該芯片是飛思卡爾公司推出的汽車專用控制芯片，片上自帶內存保護單元（MPU）、糾錯代碼（ECC）和增強的EEPROM 功能（EEE）、增強的XGATE等。MC9S12XE系列具有16位單片機所有優點和效率，又提供了32位的性能，對所有的外設和內存使用16位寬訪問且沒有等待狀態。MC9S12XE 系列由標準的片上外圍設備組成，包括64 kb 的RAM、2 個16 通道12 位模數轉換器、8 通道IC/OC 增強型捕獲定時器（ECT）等，具有擴展性強、可靠性高、功耗低的優勢且價格更加低廉。

2.2 器件選型

本系統通過溫度傳感器DS18B20 測量冷卻系統工作過程中的冷卻液溫度[5]。DS18B20 只有3 個引腳，控制器可以直接驅動，結構和供電方式靈活簡單，僅需一條口線即可與控制器進行雙向通訊，且此型號的傳感器抗干擾能力優秀、實用性強。DS18B20 測量的溫度范圍為-55～125 ℃，固有測溫誤差為1 ℃，工作電源范圍為3.0～5.5 V，此類型傳感器廣泛應用于軸瓦、汽車空調等設備。

本系統中的轉速傳感器型號為3144E。該傳感器的輸入為磁感應強度，輸出數字信號且通過CAN 總線反饋給ECU。傳感器通過感應周圍是否存在磁場來控制輸出的電平，用于判斷水泵主軸工作狀態是否正常。其工作電壓為3.3～5.0 V。該傳感器的優點在于響應速度快、準確度高、可靠性好且體積較小，特別適合水泵的工作環境。

本系統中的流量傳感器型號為LWGY。該傳感器輸出信號多樣，包括脈沖信號、4～20 mA 模擬信號以及485 信號。輸出信號經CAN總線傳輸至MCU，MCU根據傳感器輸出信號經計算得出液體流量數據。該傳感器具有精確度高、重復性好、輸出信號種類多等優點，適合水泵中冷卻液流量的測量。

2.3 電路原理及功能

2.3.1 核心控制模塊

圖2所示為核心控制模塊，本模塊包含了MC9S12XEQ512單片機、晶振電路、電源接口以及復位按鍵等電路。

2.3.2 電源模塊

圖3 所示為電源電路模塊，本模塊兼容12 V 和24 V 的電源輸入。模塊中選用了LM2576 芯片，可將7～35 V電源電壓轉換為5 V電源電壓。12 V電源經保險絲F11和二極管D11進入電源芯片。F11 為1 A 的保險絲用于保護電路。D11 用于防止用戶插反電源損害電路。R2、R3將電源電壓分壓后接入單片機AD口，用來對電源電壓進行檢測。電路中的電容起到穩壓、濾波作用。

圖3 電源模塊

2.3.3 直流電機驅動模塊

圖4 所示為直流電機驅動模塊，電路選用N 溝道的MOS管IRF1010 作為驅動器件，使用IR2103 芯片驅動H 橋，實現對電機的正反轉和轉動速率的連續調節[6]。

H 橋由 4 個 MOS 管構成。工作時，令 Q74 和 Q71 導通，Q73和Q72關閉斷開，則電流從VBAT進入系統，從motor+流至motor-再回到GND，實現電機正向轉動。令Q73 和Q72 導通，Q74和Q71關閉斷開，則電流從VBAT流入，經motor-流至motor+再回到GND，電機反向轉動。通過使用PWM波來操控MOS管，在使用過程中調制PWM波占空比，進而改變電機的轉速。在H 橋的驅動中還要注意在H 橋同臂的上管和下管（圖4中的Q71和Q73）不能同時導通。

圖4 直流電機驅動模塊

IR2103 是專用驅動芯片，芯片輸入信號是HIN 和LIN，輸出信號是HO 和LO。當輸入信號HIN 和LIN 的電壓值不同時，HO、LO輸出低電平。當輸入信號HIN和LIN的電壓值相同時，HO、LO輸出電平的高低相反。其中，輸入均為高電平時，輸出信號HO 為高電平；輸入均為低電平時，輸出信號HO為低電平。

2.3.4 CAN總線模塊

圖5 所示為CAN 總線模塊，本模塊中有兩個CAN 總線接口，選用了TJA1050芯片，通過使用5 V電源進行供電，該芯片與芯片內的CAN模塊相連，實現了CAN的通信功能。

圖5 CAN總線驅動模塊

2.3.5 按鍵與LED燈模塊

圖6 按鍵與LED模塊

圖6所示為按鍵與LED燈模塊，該電路中有4個獨立LED和四路獨立按鍵。4 個獨立LED 由MC9S12 的I/O 口直接控制，工作過程中，電路采用I/O口灌電流方式驅動LED，不需要驅動便可以點亮LED。引腳輸電平為高時，LED 熄滅。模塊中有四路獨立按鍵輸入，按鍵沒有按下，由于電阻R39、R310、R311、R312作用CPU檢測到的引腳為高電平，按鍵按下后CPU檢測到的引腳為低電平。

2.4 布局布線注意事項

進行PCB 設計時，在布局布線方面需要注意多方面因素[7]。要盡量做到簡潔、均衡、疏密有序和美觀，總體布局前應先確定大致尺寸，再根據工作特性劃分元器件，篩選出特殊的元器件，以便在布局時優先考慮其具體位置。例如，考慮到散熱問題時，應將高熱元器件均衡分布在PCB 板上且與熱敏元器件保持一定距離；對于布局過程存在的相關可調元件，在布局前需考慮此類元件的使用需求。布線前要先在即將繪制的區域繪制禁止布線層，設置好相關參數，如線寬、線間距、焊盤大小。布線時，布線的方向為水平或垂直，有垂直轉水平要用走45h斜線或圓弧過渡，走線要整齊有序，分門別類地集中排序，避免信號間的相互干擾也便于檢查修改，盡量加大地線電源線的寬度。

3 系統軟件設計

系統的軟件部分由C 語言編程實現。軟件總體結構采用通用的模塊化設計方法[8]，由主程序、水泵驅動程序、風扇驅動程序、轉速采集程序、流量采集程序、溫度采集程序、LCD顯示程序、PWM脈沖調制程序等模塊組成。

系統軟件控制流程如圖7 所示，在實現冷卻液溫度的控制過程中，傳感器先將采集的溫度、水泵轉速以及冷卻液流速信息通過CAN總線傳至MCU計算出實際溫度。MCU提前設定好了4個溫度范圍，依據實際溫度所處的范圍調整風扇轉速與水泵轉速。例如，當測得冷卻液溫度大于或等于90 ℃時，風扇和水泵全速轉動對冷卻液降溫；當溫度小于90 ℃且大于或等于70 ℃時，風扇和水泵中速轉動對冷卻液降溫；當溫度小于70 ℃且大于或等于50 ℃時，風扇和水泵低速轉動對冷卻液降溫；當溫度小于45 ℃時，風扇和水泵停止轉動。風扇與水泵轉速調整后，MCU 通過流速傳感器監測冷卻液流動狀態，判斷是否發生扇葉損壞、冷卻回路堵塞等問題；通過轉速傳感器監測水泵主軸的工作狀態，判斷是否發生堵轉、斷軸等問題。若流速異常或轉速異常，則通過CAN總線將異常信息發送給ECU。

圖7 系統控制流程

4 結束語

為克服傳統汽車發動機冷卻水泵無法自適應控制冷卻液流量、冷卻效率不高、燃料利用率低等問題，本文設計了一種發動機智能冷卻水泵控制系統。本系統以MC9S12XEQ512單片機為控制核心，接受水泵內各類傳感器數據，根據寫入的程序，計算得出的水泵環境數據與設定好閾值比較，根據比較結果調節水泵與風扇轉速，實現對冷卻水泵的智能控制，提高冷卻水泵控制精度與冷卻效率。