基于AVR單片機(jī)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻智能控制器設(shè)計(jì)

南勇暉，張新虎

（69245部隊(duì)，新疆烏魯木齊，830002）

1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻原理及系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 冷卻原理

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大都采用水冷系統(tǒng)，只有少數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用風(fēng)冷系統(tǒng)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)水冷方法是以水泵為動(dòng)力使冷卻液在機(jī)體內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，安裝在缸體前端的水泵將散熱器內(nèi)的冷卻液從底部泵入缸體內(nèi)的冷卻水套，然后進(jìn)入缸蓋，最后從經(jīng)節(jié)溫器流出，完成冷卻液循環(huán)。 發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量主要由冷卻液帶走，其余由機(jī)體吸收或傳給大氣環(huán)境。其傳熱特性建模模型可視為連續(xù)不可壓縮，無(wú)粘滯特性的理想流體，依據(jù)熱力學(xué)理論，各種熱量和機(jī)體平均溫度可以通過(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)算：（1）Qc=mc(Tout,c-Tin,c)Cp,c；（2）Qenv=(hA)(T-Tenv)；（3）dT/dt=(Qe-Qc-Qenv)/(ρVcp)e。 其 中Tout,c、Tin,c、T分別為冷卻液的進(jìn)出口溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的平均溫度；Cp,c為冷卻液的熱容；Qc冷卻液吸收的熱量；Qenv為散入環(huán)境的熱量；h為對(duì)流換熱系數(shù)；A為發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱面積。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，其核心部分是自動(dòng)溫濕控制裝置，這一部分的智能控制也是通過(guò)自動(dòng)溫濕控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效果的。自動(dòng)溫濕控制裝置的系統(tǒng)構(gòu)成包括了空調(diào)系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行器三部分共同組成，而空調(diào)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)都要用到冷凝器和散熱器風(fēng)扇系統(tǒng)，所以，冷卻系統(tǒng)的智能化改進(jìn)主要的關(guān)鍵部分是進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱效果。但是從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，受到制造材料和生產(chǎn)技術(shù)帶來(lái)的影響性，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱效果還無(wú)法滿足實(shí)際運(yùn)行階段的要求，對(duì)此在系統(tǒng)建立過(guò)程中，需要對(duì)智能化應(yīng)用情況進(jìn)行梳理，借此來(lái)提升技術(shù)體系內(nèi)容的可靠性。

2 AVR單片機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 接口簡(jiǎn)潔度高

基于AVR單片機(jī)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)將控制器芯片和單片機(jī)直接關(guān)聯(lián)在一起，不需要在其中設(shè)置地址鎖存器，提供了很大的便利條件。而且在應(yīng)用過(guò)程中，因?yàn)閮刹糠纸Y(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)在一起，因此可以節(jié)省下原來(lái)系統(tǒng)中的地質(zhì)鎖存器和或非門中的芯片，從而提高了系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的便捷性。但是系統(tǒng)在對(duì)其進(jìn)行軟件控制處理時(shí)，對(duì)于時(shí)序方面的要求復(fù)雜程度較高，這也是應(yīng)用該程序時(shí)需要注意到的問(wèn)題。

2.2 功能豐富度高

基于單片機(jī)進(jìn)行智能控制器設(shè)計(jì)時(shí)，其功能豐富度更高，在利用程序進(jìn)行調(diào)試時(shí)，不同于以往在硬件平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試，在單片機(jī)輔助下，會(huì)借助Proteus仿真軟件先完成整個(gè)控制過(guò)程的仿真處理，待仿真過(guò)程得到所需結(jié)果之后，再將其轉(zhuǎn)移到平臺(tái)上進(jìn)行調(diào)試，這也在很大程度上加快了智能控制系統(tǒng)的研發(fā)速度，而且所能夠得到的系統(tǒng)功能性也在增強(qiáng)，可以更好地服務(wù)于其他應(yīng)用系統(tǒng)，確保了應(yīng)用過(guò)程的生產(chǎn)效率。另外，在系統(tǒng)工作期間所產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率相對(duì)較低，而且借助仿真軟件也可以解決開發(fā)過(guò)程中硬件不足的情況，從而滿足系統(tǒng)在運(yùn)行期間的應(yīng)用要求。

2.3 控制過(guò)程智能化

利用AVR單片機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)來(lái)完成系統(tǒng)運(yùn)行控制時(shí)，能夠進(jìn)一步提升控制過(guò)程的智能化水平，在具體的應(yīng)用過(guò)程中，可以借助溫度傳感器來(lái)完成系統(tǒng)內(nèi)冷卻水溫度的測(cè)試，同時(shí)也能夠根據(jù)已經(jīng)建立的微控制系統(tǒng)來(lái)完成溫度數(shù)值袋的計(jì)算工作，期間會(huì)利用PID模塊來(lái)完成該運(yùn)算工作，同時(shí)對(duì)于得到的計(jì)算結(jié)果也會(huì)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)進(jìn)行輸出，以此來(lái)完成冷卻水泵的驅(qū)動(dòng)工作，使整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)可以保持系統(tǒng)溫度的均衡性。另外，在擬定控制策略時(shí)，還利用到模糊PID控制來(lái)輔助系統(tǒng)運(yùn)行，借此來(lái)提升控制結(jié)果的精準(zhǔn)度，達(dá)到預(yù)期的控制效果。

3 基于AVR單片機(jī)智能控制器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)控制結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)時(shí)，控制器的選擇屬于基礎(chǔ)性內(nèi)容，基于以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在控制器的選擇中，主要采用了PID模塊來(lái)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，PID模塊中的參數(shù)主要是依托于模糊推理來(lái)完成在線確定，隨后借助AVR單片機(jī)與D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)完成冷卻系統(tǒng)的電路控制，從而優(yōu)化發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在PID模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其控制器輸入和輸出關(guān)系之間的比例將調(diào)控在合理的應(yīng)用狀態(tài)。另外，在對(duì)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還需要兼顧控制器應(yīng)用過(guò)程中的離散化關(guān)系，而且也會(huì)搭配PID算法來(lái)完成控制工作，并且以模糊化關(guān)系來(lái)完成仿真處理，根據(jù)仿真處理時(shí)得到的反饋結(jié)果，在平臺(tái)上對(duì)于參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而獲取到更加可靠的數(shù)據(jù)信息。

3.2 離散化和模糊化設(shè)計(jì)

在模糊PID控制器的應(yīng)用過(guò)程中，也需要做好離散化和模糊化的設(shè)計(jì)工作，從實(shí)際的應(yīng)用情況來(lái)看，控制器會(huì)在fuzzy集當(dāng)中來(lái)完成計(jì)算工作，其具體的應(yīng)用要點(diǎn)如下：第一，對(duì)于控制器進(jìn)行模糊化處理，可以假設(shè)輸入后的數(shù)值偏差為e，而偏差變化率可以定義為ec，那么此時(shí)存在著相互關(guān)系，即偏差=預(yù)計(jì)數(shù)值-實(shí)際測(cè)量數(shù)值。第二，根據(jù)冷卻系統(tǒng)的工作情況，其溫度變化的取值范圍在-10℃到80℃，為了方便后續(xù)的定量計(jì)算，可以將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，即取值范圍為-50到400，此時(shí)可以計(jì)算量化因子Ke=0.011，而溫度變化率的范圍在±10℃。第三，根據(jù)得到的計(jì)算量?jī)?nèi)容，在實(shí)際處理過(guò)程中會(huì)將其和模糊集上的論域進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)也會(huì)搭配一些語(yǔ)言變量，可以利用編程來(lái)完成計(jì)算工作，該內(nèi)容也滿足三角函數(shù)分布規(guī)律，可以基于此來(lái)完成下一階段的計(jì)算處理。

3.3 模糊控制規(guī)則表設(shè)計(jì)

對(duì)于模糊控制規(guī)則表的確定，在實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，會(huì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)完成參數(shù)信息的調(diào)控處理，以得到可靠的分析數(shù)據(jù)。在具體的計(jì)算過(guò)程中，其內(nèi)容包含了以下幾部分內(nèi)容：第一，結(jié)合3.2中的內(nèi)容，在e數(shù)值處于較大范圍時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)處于不斷加快的狀態(tài)，那么此時(shí)得到的Kp數(shù)值會(huì)比較大，而得到的Kd數(shù)值會(huì)比較小，并且為了防止過(guò)大超調(diào)情況的出現(xiàn)，此時(shí)所得到的Ki應(yīng)進(jìn)行較小數(shù)值。第二，在e數(shù)值處于中等范圍時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)處于較小的變化狀態(tài)，那么此時(shí)得到的Ki數(shù)值和Kp數(shù)值均處于較小的狀態(tài)[1]。第三，在e數(shù)值處于較小范圍時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)處于穩(wěn)定的變化狀態(tài)，那么此時(shí)得到的Ki數(shù)值和Kp數(shù)值均處于較大的狀態(tài)。而且系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)誤差較小，便于對(duì)系統(tǒng)展開振蕩處理。

3.4 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要包括以下幾方面內(nèi)容：（1）在單片機(jī)的選擇中，可以選擇ATmega16型號(hào)的單片機(jī)，這也是維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)條件，而且還會(huì)對(duì)溫度感測(cè)器和采樣時(shí)間進(jìn)行合理控制，借此來(lái)穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[2]。（2）DA 轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)，在該單元的設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)利用SPI串行端口來(lái)完成系統(tǒng)的順利轉(zhuǎn)換，同時(shí)可以利用DAC來(lái)完成各個(gè)端口的應(yīng)用設(shè)計(jì)，使其能夠順利完成信息轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)內(nèi)容的可靠性。（3）在對(duì)PWM控制器進(jìn)行選擇時(shí)，需要針對(duì)脈寬比較器的應(yīng)用狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，這樣可以獲取到更加準(zhǔn)確的評(píng)估信號(hào)，而且在電感峰值的處理過(guò)程中，還對(duì)誤差電壓的變化情況進(jìn)行調(diào)整，從而提升評(píng)估結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

3.5 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)利用ICCAVR 編譯軟件來(lái)完成軟件的開發(fā)工作，同時(shí)在分析處理的過(guò)程中，也會(huì)使用到C語(yǔ)言來(lái)完成編程處理[3]。在程序開始應(yīng)用的過(guò)程中，會(huì)利用按鍵來(lái)控制中斷操作，而且在此過(guò)程中也會(huì)對(duì)定時(shí)器進(jìn)行優(yōu)化控制，其采樣周期需要控制在20ms以內(nèi)，并且每一個(gè)采樣周期都需要進(jìn)行一次模糊處理，借助PID來(lái)完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，隨后利用AD轉(zhuǎn)換來(lái)完成數(shù)字量的處理工作，并且將Kp、Ki、Kd幾個(gè)數(shù)字量進(jìn)行優(yōu)化控制，此時(shí)可以利用表格來(lái)完成參數(shù)信息的獲取，隨后利用PID運(yùn)算來(lái)完成輸出量的控制，從而得到所需要的控制數(shù)據(jù)，滿足具體的應(yīng)用需求。

3.6 顯示界面設(shè)計(jì)

在完成上述內(nèi)容的設(shè)計(jì)后，也需要對(duì)顯示界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，第一，應(yīng)確保通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在冷卻系統(tǒng)智能控制過(guò)程中，需要對(duì)通訊線路進(jìn)行合理設(shè)置，減少多余線路的應(yīng)用處理，確保系統(tǒng)輸入和輸出過(guò)程的穩(wěn)定性。第二，在顯示界面的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)頁(yè)面布局進(jìn)行優(yōu)化，在頁(yè)面上可以顯示冷卻系統(tǒng)溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等內(nèi)容，而且系統(tǒng)內(nèi)還設(shè)置了預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)于冷卻系統(tǒng)中所存在的故障內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)反饋，以便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)處理，以此來(lái)確保系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)冷卻系統(tǒng)智能控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重自動(dòng)濕溫控制工作，而傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)容易受到許多不確定因素的影響，影響到系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定性。基于此，利用AVR單片機(jī)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)于冷卻系統(tǒng)智能化控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這對(duì)于提升系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的使用壽命有著積極地意義。