（检测技术与自动化装置专业论文）智能型液体燃油加热器控制系统的设计与研究.pdf

中文摘要 本文从介绍燃油液体加热器的基本概念及工作原理出发，通过对国内 外汽车燃油加热器技术比较及发展的分析，提出了开发新一代燃油加热器 控制系统的必要性。 根据单片机的选型原则，本控制系统采用m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 f 8 7 x 单片机作为核心控制芯片。该单片机具有低功耗、高速度、体积小、功能 强等特点，其强大的外围功能模块( 如模数转换模块、p w m 波输出模块 等) ，大大省去了单片机系统扩展带来的麻烦，并且提高的系统的可靠性。 在本文的第三章，首先介绍了系统的硬件结构框图和针对燃油液体加 热器的控制流程，然后详细的阐述了各部分电路的工作原理和实现方法。 需要l 龅明的是，因为燃油液体加热器的工作环境是比较恶劣的，因此，在 本系统中，控制流程的实现是比较简单的，其中最大的难点在于系统的可 靠性运行。所以，本控制系统在完成加热器基本功能的基础上，增加了大 量保证各控制部件可靠运行的安全保护措施，在第三章中也进行了详细的 阐述。最后，阐述了系统的软件设计原则、编程心得和软件的流程图。 在燃油液体加热器中，点火电热丝和主电机是两个最关键的部件。电 热丝是一个很易损坏的部件，而且它的性能直接关系到加热器点火效果。 在第四章，对电热丝进行了重点的阐述，包括电热丝电路的原理、恒压控 制方法、电热丝的短路和开路检测方法等。主电机是加热器中另一个关键 的部件，它的工作的好坏直接关系到加热器的燃烧效果和发热量。在第五 章，也专门进行了阐述，包括主电机电路的原理、恒压控制方法、主电机 的短路和开路检测方法等。 由于单片机系统的工作环境往往是比较恶劣和复杂的，其应用的可靠 性、安全性就成为一个非常突出的问题。在本文的第六章，详细的论述了 在本控制系统中存在的主要的干扰类型和相应的抗干扰措施。 在本文的最后一章，详细的介绍了一种基于l a bw i n d o w s c v i 的虚拟 测试系统，用于对控制器系统进行产品测试和故障诊断。 关键字：控制器，单片机，p w m 波，抗干扰，测试 v a b s t r a c t f i s r t ，w ei n t r o d u c et h ec o n c e p ta n dp r i n c i p l eo fh o t w a t e rh e a t e r s n e x t ， t h o u g ht h ea n a l y s i so f t h ed e v e l o p m e n to f h o t w a t e rh e a t e r s ，w et h i n ki ti sv e r y n e c e s s a r yt od e v e l o pn e wt y p eo fh e a t e r c o n t r o l l e r s w et a k ep i c l 6 f 8 7 xs c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) a sc o r ec o n t r o l u n i t p i c16 f 8 7 xi s p r o d u c e db am i c r o c h i pc o ，i th a sf e a t u r e so fl o w e n s u m e ， h i g h s p e e d s m a l l v 0 1 h i g h q u a l i t ya n ds oo n i t sp o w e r f u lp e r i p h e r ym o d u l e ( f o re x a m p l e a dm o d u l e ，p w mw a v em o d u l e ) l a r g e l yd e c r e a s et h et r o u b l eo f s y s t e me x t e n s i o n sa n di n c r e a s es y s t e m sr e l i a b i l i t y i nc h a p t e r3 ，f i r s t l yw ei n t r o d u c es y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r eg r a p ha n d c o n t r o lf l o wc h a r t ，n e x t ，w ed e s c r i b et h e p r i n c i p l e o fa l l p a r t s o fc i r c u i t b e c a u s et h ee n v i r o n m e n t so fh o t w a t e rh e a t e r si s v e r yb a d ，t h es y s t e m s r e l i a b l er u ni st h em o s ti m p o r t a n t s o ，w ea d dm a n ys a l t ym e a s u r e m e n tt o e n s u r et h i s ，w ed e s c r i b et h e s ei nc h a p e r3t o o a tl a s t ，w ed e s c r i b es o f t e w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ef l o w c h a r t i nh o t w a t e rh e a t e r s ，t h ei g n i t i o ne l e c t r i cc o i la n dm a i nm o t o rp a r et h et w o m o s ti m p o r t a n tp a r t s i g n i t i o ne l e c t r i cc o i li sad e s t r u c t i b l ec o m p o n e n t ，a n di t s c a p a b i l i t yi s r e l a t e dw i t hh e a t e r si g n i t i o nd i r e c t l y i nc h a p t e r4 ，w ed e s c r i b e i g n i t i o ne l e c t r i c c o i l s p e c i a l l y ，i n c l u d i n g c i r c u i tp r i n g c i p l e ，v o l t a g ec o n t r o l ， d e t e c t i o n o g s h o r tc i r c u i ta n d o p e nc i r c u i t t h e m a i nm o t o ri sa n o t h e r i m p o r t a n tc o p o n e n t ，i t sw o r k a f f e c t st h eh e a t e r sb u r n ta n dq u a n t i t yo fh e a t i n c h a p t e r5 ，w ed e s c r i b em a i nm o t o rs p e c i a l l yt o o ，i n c l u d i n gc i r c u i tp r i n g c i p l e ， v o l t a g ec o n t r o l ，d e t e c t i o no g s h o r tc i r c u i tm a do p e nc i r c u i t b e c a u s et h ee n v i r o n m e n t so fh e a t e r si s v e r yb a da n dc o m p l i c a t e d ，t h e r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yi s ad i s t i n g u i s h e dm a t t e r i nc h a p t e r6 ，w ed e s c r i b et h e m a i n t y p eo f d i s t u r bi nc o n t r o l l e rs y s t e ma n da n t i - j a m m i n gm e a s u r e i nt h el a s tc h a p t e r , w ei n t r o d u c eav i s u a lt e s t ys y s t e n ，b a s eo i ll a bw i n d o w s c v l ，i t i su s e dt oc o n t r o l l e r st e s ta n df a u l td i a g n o s i s k e y w o r d s ：c o n t r o l l e r , s c m ，p w m ，a n t i - j a m m i n g ，t e s t v 原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 牡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山尔大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部r j 域机构送交论文的复印什和电子版，允许论文被查阅辛借阅； 本人授权山尔人学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采_ 【；l j 影印、缩印或其他复制手段保存论文利汇编本学位论文。 f 保密沦文在解密后应遵守此规定) 敝储虢铷翩虢啦盟日期：燮孙 已i圭 jl口 汽车燃油加热器最早产生于2 0 世纪4 0 年代的欧洲，主要用于冬季预 热发动机并供货车驾驶室耿暖或客车车室取暖。其后产品迅速遍布欧洲及 北荚市场p o ) 【3 1 】。随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，人们对 出行交通工具的舒适度要求也越来越高，其中车内取暖是很重要的一个方 面，因此，国产汽车加热器发展空间很大。 宏业汽车加热器有限责任公司是中国燃油加热器的发源地，在国内最 早丌始研究、设计、生产汽车燃油加热器，其技术水平在国内一直处于领 先地位。但是，由于我国汽车整体技术水平较低，燃油加热器在技术方面 与发达国家相比存在较大差距。这种差距是多方面的，其中在控制方面， 与国外相比，国内加热器的控制技术较为落后。国内加热器主要采用继电 器控制或继电器与传感器联合动作的简易自动控制，而国外大多采用单片 机集中控制p o l j 3 2 j 。 因此，我们应用户( 河北宏业公司) 要求，以该公司现有的燃油加热 器产品为基础，为其开发全新的液体燃油加热器控制器，最终实现加热器 在控制器方面达到甚至超过国外水平。本文详细的讲述了控制器系统的整 个玎发过程，包括单片机的选型、硬件电路的设计、软件的书写、抗干扰 措施以及上位机调试系统，从整体上打破了原来控制器的设计思路，大大 的提高了产品档次。 第一章绪论 1 1 汽车液体燃油加热器 1 1 1 汽车液体燃油加热器的工作原理1 2 9 1 汽车液体燃油加热器是河北宏业公司开发生产的一种车内取暖设备， 它通过燃烧换热原理加热循环系统内冷却液介质。其控制方式为自动型， 陔产品采用与环境温度相适应牌号的轻柴油作燃料。能在4 0 0 c 以上的环 境条件下正常起动和运转。使用2 4 v 直流电源。它可与发动机及强制散热 器等辅助散热装置组成循环系统，为各种车辆发动机低温起动、风档玻璃 除霜和车室内取暖提供热源。 图1 1 和1 2 分别是燃油加热器的工作原理图和外形图： i 保护单 5 助燃风扇 9 弊化_ ： 1 3 散热 1 7 水套体 2 i 进水u 2 汕寺 ： 6 甘流器 l o 生燃烧室 1 4 过热保护 1 8 放水螺采 2 2 输油管 3 联接休 7 进水口 1 1 旋j 1 5 点火传感器 1 9 排焖管 2 3 电磁阀 图1 1 4 u 动机 8 电热丝 1 2 后燃烧室 1 6 水口 2 0 滴油管 + 空气流向 c = = = = 液体流向 电动机( 4 ) 带动油泵( 2 ) 、助燃风扇( 5 ) 及雾化器( 9 ) 转动。油泵 吸入的燃油经输油管( 2 2 ) 送到雾化器，雾化后与助燃飙扇吸入的空气在 主燃烧室( 1 0 ) 内混合，被炽热的电热丝( 8 ) 点燃，在后燃烧室( 1 2 ) 内充分燃烧后折返，经水套内壁的散热片( 1 3 ) ，将热量传给水套夹层中 的冷却液介质，被加热介质在水泵的带动下，在整个管路系统中循环，达 到加热的目的。燃烧的废气山排烟管排出。 1 1 ，2 国内外汽车燃油加热器技术比较及发展【3 0 1 1 3 1 1 【3 2 1 汽车燃油加热器最早产生于2 0 世纪4 0 年代的欧洲，主要用于冬季预 热发动机并供货车驾驶室取暖或客车车室取暖。其后产品迅速遍布欧洲及 北美市场。我国的汽车燃油加热器与欧洲和北美相比发展较晚。2 0 世纪 8 0 年代初，河北泊头仪表厂和武汉车身附件研究所仿制德国产品率先投 产并推出f j 系列空气燃油加热器，随后北京京威汽车设备有限公司在消化 吸收国内外技术的基础上推出了y j 、q n 系列燃油加热器，这些产品基本 满足了当时国产客车和其他车辆的采暖要求并占据了绝大部分市场。进入 9 0 年代以后，随着国外环保法规的日趋严格以及乘客乘坐舒适性要求的 提高，汽车法规中的空润技术对燃油加热器的燃烧控制、排放控制以及噪 声控制等提出了更高的要求，推进了国外汽车燃油加热器的技术进步。我 国由于汽车整体技术水平较低，生产厂家对加热器技术的投入较少，因此 在技术方面与发达国家相比存在较大差距。 1 国内汽车燃油加热器的技术与国外相比，差距主要表现在以下几个 方面。 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 燃油供给方面。燃油供给系统通常有低压和高压两大类型。国外 加热器大多采用高压喷射的供油方式，这种供给方式能提高燃油的雾化性 能，使燃油和空气得到更为均匀的混合，从而减少积碳和废气排放并易于 实现多档控制。目f i i j we b a s t o s c h ol a s ti c 系列加热器就是采用这种供油方 式，如图l 所示。这利r 供油系统由进油管2 1 、高压计量油泵2 0 、喷嘴预热 器2 4 、喷油嘴1 1 ( 无回油管) 等组成。而国产燃油加热器无论是空气还是 液体加热器，都采用离心式雾化结构的低压供给系统，这种结构雾化质量 较差，不易于实现多档控制。雾化效果差不仅导致排烟严重和c o 、h c 的 排放较高等不良现象( 特别是点燃初期，由于燃烧室温度不高和供油不均 匀，使得这一缺陷更为明显) ，而且难以实现与多工况相适应的多档调节， 从而油耗增加，不能达到较好的综合效果。 ( 2 ) 助燃空气。国内外加热器助燃空气系统的工作原理基本相同，只 是园总体结构和燃烧室工作压力不同丽采用不同的助燃风扇。国产加热器 由于结构简单，通常采用成本较低的简易离心式风扇，供气压力较低，而 国外加热器则采用供气压力较高的离心式风扇，以增强燃烧室的工作压力， 提高燃烧性能。 ( 3 1 冷却系统。冷却系统的主要差别在于冷却介质的不同。国外加热 器的主流产品采用液体作冷却介质，这种加热器供热柔和、无需加湿。而 国内由于汽车档次较低，对供暖的性能要求不高，因此，结构简单、工作可 靠、价格低廉的空气燃油加热器是主流产品。随着公路等级的提高和社会 经济的发展，中高档客车的市场需求日益旺盛，液体加热器的需求量逐步 加大。 ( 4 ) 点火系统。点火系统方面，国内技术与国外技术相比存在较大的差 距。至今，国内仍采用传统的电热丝点火塞，而国外已普遍采用耐高温、 耐腐蚀、高强度的金属或全陶瓷点火塞，并将点火塞和火焰探测器结合在 一起封装在陶瓷外壳内，通过热敏电阻来决定其动作的新型点火塞，有的 产品甚至采用了电子点火。如we b a s t os c h ol a s ti c 系列加热器就是采用这 种点火方式：通过图1 中点火线圈3 和点火电极1 0 实现电子点火。 ( 5 ) 热交换器。国外加热器的燃烧室结构紧凑并大多采用耐高温耐腐 蚀的新型材料，有的甚至在燃烧室内壁周围贴有耐高温隔热的石棉材料， 以提高燃烧室温度( 通常在10 0 0 。c 左右) ，便于燃油的蒸发，减少c o 、 h c 的排放。而国内加热器的燃烧室结构大多只采用了一些较简单的耐高 温抗腐蚀措施，燃烧室温度通常只在8 0 0 。c 左右。 ( 6 ) 控制系统。与国外相比，国内加热器的控制技术较为落后。国内加 热器主要采用继电器控制或继电器与传感器联合动作的简易自动控制，而 因外大多采用单片机集中控制。例如，美国p ht i ps & t h e r m o 公司在1 9 9 6 年推出的z e r o s t a r t 加热器上，采用了一种利用程序化的计时器可在驾驶 室2 4 h 监控系统工作的恒温控制系统；德国we b a s t o 公司在s c h ol a s ti c 系列产品上采用单片机集中控制技术，能实现自动换档和自动诊断检测； 美国e s p a r 公司在其系列加热器上采用单片机控制技术，可实现根据车室 温度自动换档，利用计算机控制的程序化计时器可最多在7 天前设定起动 时问和温度。这些技术的采用不仅提高了乘坐舒适性，而且减轻了驾驶员 的劳动强度，提高了燃油经济性。 2 国产加热器发展展望 山上述分析可知，国产汽车加热器与国外加热器在技术上存在较大的 差距，因此，国产汽车加热器发展空问很大，特别是随着汽车技术的飞速 发展，国产汽车档次的迅速提高，将对汽车附件提出更高的技术要求，国 内汽车加热器技术尤其是其供油技术和控制技术将面临更新，归纳起来主 要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 燃油供给技术。目前，国产汽车加热器的供油泵、冷却风扇、助燃 风扇和雾化器出同一马达驱动。这种结构在通过改变电机转速来调节加热 器的供热量时，严重影响燃油雾化器的工作性能，导致长时间工作在低档 时产生积碳，从而影响加热器的正常运转。因此，采用喷油技术或寻找 种新型的雾化结构( 受风扇马达影响较小) 是彻底解决这一问题的根本途 径。 ( 2 ) 点火系统。国产汽车加热器的点火性能虽然比以前有很大提高，但 由于其抗腐蚀性能不够强，不能将电阻丝完全暴露在混合气中，以达到更 好的点火性! 能，因此，有必要寻求其它材料的电热丝或新型的点火型式。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 控制系统。由于空调系统发展的需要，对加热器的自动化控制要求 更为强烈，甚至要求达到完全智能化控制，如恒温控制、有毒气体报警控 制、自动检测启动控制、预设启动时间控制、自动换档控制、模糊控制等。 这些功能的实现仅通过传统的继电器控制是不可能的，只有依靠微型计算 机、各种传感器和执行器的联合动作才能实现。 ( 4 ) 总体结构。由于汽车上的空间非常有限，因此，开发一种结构紧 凑、热效能高的新型加热器是当前汽车加热器发展的一大趋势。 以上从汽车加热器技术的几个方面阐述了国内外加热器的差异以及国 产加热器的技术发展趋势，目的在于进一步认清我国汽车加热器的发展现 状和发展方向。当前，我国汽车加热器技术正处于发展阶段，产品档次和 自动化控制程度有待进一步提高。 1 2液体燃油加热器控制器 液体燃油加热器控制器是用来控制加热器工作的装置，它的技术水平 直接影l 啊着加热器整体的技术水平，它的控制性能是加热器可靠工作的最 关键因素之一。 1 2 1 旧式控制器存在的问题 河北宏业公司原来的控制器同国外同类型产品比，在控制方法上有很 大的差距，主要有以下儿点： ( 1 ) 没有负载检测及保护功能，常囚负载短路或开路造成控制器损坏。 ( 2 ) 没有主电机调速功能，电机转速由于电平电压变化而变化，这样 单位时j - 白j 送入燃烧室的风和油及比例不恒定，造成燃烧不充分，浪费燃料， 污染环境。 ( 3 ) 点火用电热丝采用串联大功率降压电阻的方法降压，降压电阻发 热浪费大量电能。而且当电平电压升高时，电热死很容易烧坏。 ( 4 ) 对加热器工况没有测量监视，常因异常情况没有得到处理造成加 热器损坏。 因为以上诸多的不足，我们应用户( 河北宏业公司) 要求，以该公司 现有的燃油加热器产品为基础，为其丌发全新的液体燃油加热器控制器， 最终实现加热器在控制器方面达到甚至超过国外水平。该控制器以单片机 6 山东大学硕士学位论文 作为核心控制部件，围绕加热器工作原理加以辅助的外围器件，并以用户 提供的工作流程为基础编写相应的软件，从而实现燃油加热器的自动控 制。 1 2 2 技术需求( i i 户提供) 遮蕉剑墨旦壅塞现邀住缝渔加垫墨鲤自弛启动! 羞也。：叵量：垫瞳塑 鳖! 垫瞳丝逝笠功能! 逝丝! 控剑墨堂堑揸金加垫墨的直差拯准! 旦处： 奎主尥焦旦王迅丛王佳竖撞：撞剑墨也要遗星。塑控剑墨噩随尘! 丝盔： 挝低显二抗遗奎王选! 二：型昼矍处塑的墨苤! 堕 三：控剑墨挂盔璺盛( 坠2 三：蓬童蔓亟 ! ：垦丘扭女l j 鱼复僮卮! 噩堕些鱼扭! 鱼垫丝! 史磁阎匿闻道鱼! 丝量 直血整鱼垫的壹佥1 2 ：亟麴二控盔昼女目厦接堡塑功能! 逝直的! i 出撞旦垂直堡韭功能：互! 能固塑厘撞重垡接通拯坯撞剑矍! ! ：圭电拯! 血垫丝! 电丝阎旦扬熬廑筻控剑! 羞女g 过选握坦! 圭虫扭 丞四丛盈隆压塑适量氇匡! 电垫丝苤旦然擅隆匡氇廷! ：县直过! 筮匿堡垃丝篚! ：县直故瞳途逝功能! ：县直过垫堡垃功能1 2 ：县查速盐： 亘! 量功能e ：垫垫墨王往啦! 地墨直么佳壁整些到到加垫器丞么! 蔓重堑启动1 7 第二章单片机微型计算机 2 1 单片微型计算机的应用技术 单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个重要分支，是在 一块硅片上集成了中央处理器、存储器和各种输入输出接口等微型计算机 的主要部分，具有计算机的功能，因而叫做单片微型计算机。由于单片机 的硬件结构与指令系统的功能都是按着工业控制要求设计的，主要用于工 业检测、控制装霞中，因而也称为微控制器或嵌入式控制器。 单片机自问世以来与微处理器的发展方向就不同。微处理器是向着高 速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用 计算机的性能而单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着 增强控制功能、提高工业环境下的可靠性的方向发展。因此，单片机有着 自己的特点，主要是： 1 ) 控制功能强。为了满足3 2 5 1 k 控制的要求，一般单片机的指令系统都 有极其丰富的条件转移指令、i o 口的逻辑操作以及位处理功能。一般来 浣单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。 2 ) 系统扩展容易。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部 有许多供扩展的并行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的计算机 应用系统。 3 1 可靠性高。芯片本身是按着工业测控环境要求设计的，其抗工业噪 声干扰的能力比一般通用c p u 强；程序指令以及常数、表格等都固化在 r o m 和f l a s h 中，不易被破坏；许多信号通道均在一个芯片内，不易受 到干扰；系统体积小，容易采取屏蔽措施，在各种恶劣的环境下都能可靠 的工作。 由于单片机具有高可靠性、高控制功能和高运行速度，而且系统结构 简单，价格低廉，因而广泛的应用于各种工业测控、数据采集、智能仪器、 计算机外围设备以及通讯等各个领域。【1 4 1 山东大学硕士学位论文 2 2 为什么要选择p 1 6 f 8 7 x 单片机 2 2 1 单片机的选型原则【1 4 l ，单片机的系统适应性 单片机的系统适应性是指能否用这个单片机完成对应用系统的控制 任务，或增加一些附加的集成电路完成控制任务，而不是一味的追求高性 能。这是单片机选型最重要的原则。 系统适应性主要考虑下列问题： ( 1 ) 单片机是否含有所需的i o 端口数目 如果所选的单片机i o 端口太少，满足不了系统的功能要求，那么再 去扩展就比较麻烦，成本也高；如果堆片机的i 0 端口太多，势必造成单 片机资源的浪费，这样相对来说也即选择了价格过高的单片机。 ( 2 ) 单片机是否含有所需的中断源和定时器 高效率的程序，往往以中断方式来实现对突发事件的处理。如中断源 1 ；够，用扩展的方法解决，往往需要占用到i o 口，这就需要额外的开支， 增加成本；另外，在一个应用系统中总是要用到定时器，定时器资源是否 能满足需要，也是选择单片机时应注意的问题。 ( 3 ) 单片机是否含有所需的外围端口部件 一个应用系统所需的外围部件是多种多样的，如在单片机的工1 1 t 3 端 口中包含这些外围端口部件，即可简化电路设计，降低成本，提高可靠性a 例如，a d 转化、d a 转化、串行e l 终端、l c d 显示驱动等。 ( 4 ) 单片机的c p u 是否有合适的吞吐量 单片机的处理能力主要表现在其c p u 的位数、运行速度、指令的功 能、指令周期的长短、中断能力、堆栈大小等指标上。 ( 5 ) 单片机的极限性能是否能满足要求 一个应用系统必有其特定的应用环境，即对环境温度、功耗和电压状 态等有特定的要求。 2 单片机的可购买性 ( 1 1 单片机的购买途径是否顺畅 即是否直接从单片机生产厂家或其代理商处买到。 ( 2 ) 单片机的供应薰是否足够 单片机一般均用在一个控制或民用产品中，作为产品来既，势必有数 量的要求，这就要求所选用的单片机也应有数量的保证，只有这样，才能 满足批量生产的需要。而且对某型号单片机的社会整体需求量是决定此单 片机价格的一个很重要因素。 ( 3 ) 单片机是否仍然在生产之中 有一些型号的单片机山于其性能价格比己不适应当前的市场需求，生 产厂家就将其停产。因此，在选择单片机时，一定要注意此型号单片机是 否停产。否则，将在技术支持，甚至价格上碰到很大的困难。 3 单片机的可丌发性 单片机的可开发性是选择单片机的一个十分重要的因素。如果所选择 的单片机没有足够的开发手段，那么单片机应用系统的开发将很难顺利进 行，此单片机也很难应用于被控制对象中。 总之，遵循以上原则对单片机进行选择，一般来说可以选择出最能适 用于具体应用系统的单片机。但是，单片机的选型是一个涉及面广的复杂 过程，在实际应角中影响的因素较多，往往不可能面面俱到，因此，需要 抓住主要因素，力求达到最佳。 2 2 2 系统对资源的需求 ( 1 ) 以下是河北宏业提供的液体燃油加热器的主要可控部件清单及需 要的单片机控制端口 l 序号部件名称部什功能端口数量端口功能 f ， 热电偶检测燃烧宝着灭火 k d1 l 2 热电阻1检测循环水入口温度 a i d1 i ，热电阻2 检测循环水山口温度 a d1 4主电机 向燃烧室送油和风p w m 1调制电机稳压运行 5 电热丝点火p w m 1 调制哇搽咝稳压翊亍 6开关s 1水泵电机单独运行 7开关s 2 系统启动开关 d ll 检测s 2 闭合，断开 8电磁阀向燃烧室供油d o1 控制供，停油 0 9 指示灯红 水泵运行指示d o1 控制红灯亮t 灭 1 0 指示灯绿着火付r 警指示d o1 控制绿灯亮灭 1 1 蜂呜器报警d o1 控制蜂鸣器响 ( 2 ) 以下是根据河北宏业提供的设计需求列出的需求明细及需要的单 片机控制端口 i 序号需求功能名称端口数量 端口功能 【- 主l h 机的短路断路保护外中断1电机短路时中断保护 2 电磁阀短路保护电平中断 l 电磁阀短路时中断保护 3 吐 磁阀断路保护 d l1 系统启动时检测电磁剃断路 4 电热丝短路保护 d i1电热丝运行中检测是否短路 5系统有过欠压保护功能a ，d1测量电瓶电压 6热电阻1 和2 、热电偶短已有 路、短路检测 7过热保护功能已有 8 液体恒温功能已有 9 系统具有白保功能 d ol系统断电控制 ( 3 ) 定时控制，系统是以时间为线索运行的，需要一个定时器，对电 热丝的短路检测也需要一个定时器，共需要两个定时器。 ( 4 ) 看门狗电路，为了使微处理器尽快摆脱因干扰而陷入的死循环， 需要配置w a t c h d o g 电路。 ( 5 ) 在未来的计划中，用户希望系统能都与上位机通讯，了解系统运 行状念、报警以及修改参数，所以还需要单片机有串行通讯功能。 综上所述，我们需要至少含有4 路模，数转换( a d ) ，2 路p w m 输出， 8 路数字输入输出( d i d o ) ，2 路外中断电平中断，2 个定时器，一个串 行口。 2 2 3 p i c l 6 f 8 7 x 单片机【9 】 p i c l 6 f 8 7 x 单片机是美国m c i r o c h i pt e c h n o l o g y 公司推出的8 位中档 p i c 单片机，采用精简指令集、哈佛总线结构、二级流水线取指令方式， 具有实用、低价、指令集小，低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易 学等特色。 单片机性能特点： 只有3 5 条单字指令。 高达8 k 字的f l a s h 程序存储器，高达3 6 8 字节的数据存储器 ( r a m ) ，高达2 5 6 字节的e e p r o m 数据存储器。 多达1 4 个内部外部中断源。 直接、间接和相对寻址方式。 带有片内r c 振荡器的监视器( w d t ) 以保证可靠工作。 通过2 个引脚可进行在线串行编程，编程只需单5 v 电压源，通过 2 个引脚可进行在线调试。 宽范围的工作电压：2 o 5 5 v ，最大拉电流，灌电流可达2 5 m a 。 外围功能模块特征： 定时器t m r 0 ：带有8 位前分频器的8 位定时器，计数器。 定时器t m r l ：带有8 位前分频器的8 位定时器计数器，在休眠 期间可以通过外部晶振时钟增量计数。 定时器t m r 2 ：带有8 位周期寄存器、前分频器和后分频器的8 位定时器计数器。 两个捕捉比较脉宽调制( p w m ) 模块。 1 0 位多通道模数转换器( a d ) 。 具有地址第9 位检测的通用异步接收器和发送器( u s m s c i ) 。 山东大学硕士学位论文 2 2 4 系统需求与p i c l 6 f 8 7 3 功能之间的对照表 系统需求 p 1 6 f 8 7 3 功能 至少4 路a i d 通入 r a 0 一r a 3 、r a 5 是输入输出或模拟量输入 至少2 路p w m 输出r c l r c 2 是输入腺自出或p w m 输出 至少2 路外中断，电 r b 0 趋输入输出或外中断输入，r b 4 r b 7 是输入，输山或电 平中断 平中断输入 一个串行口r c 6 是输入，输山或串行异步发送，r c 7 是输入输山或串行异 步接收 至少8 路d i d o除去以上的特殊功能复_ l 1 引脚外，还剩下大约1 0 个惜通的输 入输山，足够满足需要 至少2 个定时器t m r 0 ，t m r i ，t m r 2 ，其中t m r 2 被p w m 使用 看狗一个看门狗 因此，我们认为p 1 6 f 8 7 3 能完全满足系统的需求，并且资源几乎没有 浪费。而且它给用户所提供的在线编程和调试功能非常适合现场调试，给 丌发工作带来了极大的便利。其在国内的需求量也是很客观的，具有很好 的性价比。 山东大学硕士学位论文 第三章控制器的整体设计 3 1控制器工作原理 我们选定了p 1 6 f 8 7 3 作为控制器的核心控制芯片，硬件设计力争既要 完全满足用户的需求，又要充分考虑用户规模生产，应该尽量降低生产成 本的要求。 控制器系统框图如图3 1 所示。 翥机开关检b_ 霪薷水水泵洲广一一7 茹源电压检l 二竺斗 ! ：! 卜i 电热丝控制 洲厂一 7 p 1 6 f 8 7 x 点火检测l 兰-单片机 一主电机控制 棠蒹豁口卜- ! ! ! ，l 电磁泵控制 水溢检测广一 票磊黜口卜- j 叫篙黧蔷蜂 水温检测广一一 图3 1 控制器系统框图 系统的工作流程【2 9 a ：开机 1 水泵开关接通，水泵( 6 ) 运行，水泵运行指示灯亮，水泵带动水 套夹层中的冷却液介质循环流动。 主机开关( 1 ) 接通，负载检测注，约3 0 秒后，加热器开始工 作。主电机( 8 ) 注2 1 、电磁阀( 9 ) 同时通电，上油约5 秒后，断开；接 通电热丝( 7 ) 注 ，预热约5 0 秒，主电机( 8 ) 、电磁阀( 9 ) 再同时通电， 加热器点火。约4 0 秒后，点火传感器( 3 ) 发出着火信号，表示点火成功， 进入第二步。如果点火传感器( 3 ) 5 0 秒内未发出着火信号，控制器自动 切断主电机( 8 ) 和电磁阀( 9 ) ，电热丝( 7 ) 继续预热2 0 秒后，再接通 主电机( 8 3 和电磁阀( 9 ) ，f ：始第二次点火。 2 着火后，控制器切断电热丝( 7 ) ，着火指示灯( 1 0 ) 亮，加热器正 常工作，进入第三步。 3 ，控制器根据加热器循环水入口水温传感器( 4 ) 注4 1 ( 7 8 。c 时，断 开电磁阀( 9 ) ，停止燃烧，灭火；6 5 0 c ，重新点火) 自动控制循环系统内 冷却液介质恒温。若7 8 0 c 灭火后，3 分钟后加热器进口温度降不到6 5 0 c ， 则主电机( 8 ) 停，水泵( 6 ) 继续工作。 b ：关机 关闭主机丌关( 1 ) ，主电机延时3 分钟后自动关闭。再关闭水泵开关， 水泵停( 6 ) ，系统结束运行。 注： 1 在主机开关( 1 ) 接通后，单片机对系统所有负载进行例行检测， 内容包括电源电压( 2 ) 异常、点火传感器开路( 3 ) 、循环水入口水温传 感器短路和丌路( 4 ) 、循环水出口水温传感器短路和开路( 5 ) 、电热丝短 路和开路( 7 ) 、电机短路和开路( 8 ) 、电磁阀短路和开路( 9 ) 。如果负载 有异常，系统停止工作并报警( 1 0 ) 。 2 电机( 8 ) 是由单片机输出的p w m 波控制，在起动时由低速逐渐 达到高速，并且在起动完成后，单片机根据电源电压( 2 ) 调整p w m 占空 比，使电机( 8 ) 稳压工作。并且如果电机( 8 ) 在运行过程中发生短路， 系统要立即停止工作并报警( 1 0 ) 。 3 电热丝( 8 ) 是由单片机输出的另一路p w m 波控制。在电热丝工 作时，单片机也要根据电源电压( 2 ) 调整p w m 占空比，使电热丝( 7 ) 稳压工作。并且如果电热丝( 7 ) 在工作过程中发生短路，系统要立即停 止工作并报警( 1 0 ) 。 4 在燃烧过程中，如果发生水温异常，即循环水入口水温( 4 ) 5 秒 ，i ：y t 7 。c 或者循环水出口水温( 5 ) 比循环水入口水温( 4 ) 高1 0 0 c ，系统 要立即停j l 工作并报警( 1 0 ) 。 3 2 系统硬件各部分电路 内容包括除电热丝控制部分和电机控制部分以外的各部分，电热丝控 f 础鄢分和电机控制部分将存第四章乖j 第五章专门讨论。 3 2 1 点火检测部分 图3 , 2 点火检测电路 点火检测l u 路如图3 2 所示，其中m v 是热电偶，通过测量加热器排 娴的温度来确定是甭点火。根据试验当加热器未着火时，排烟口温度 0 9 0 h ，即认为点火成功。 2 点火传感器( 热电偶) 的开路检测 在系统起动时，要对点火传感器的状态进行检测，如果发生开路故障， 报警。 当热电偶发生丌路时，运算放大器的负端接地，即v = 0 ，而v + 0 ， 所以v + v ，此时运算放大器输出5 v ，即p a l = 5 v ，经a d 转换后， a d l = 3 f f h 。也就是，当a d l = 3 f f h 时，认为热电偶开路了。 3 2 2 循环水入( 出) 口水温检测 部分 以循环水入口水溢为例，出口与入口相 同。循环水入口水温检测电路如图3 3 所示， 其中r t l 是负系数热敏电阻，其电阻随着水 温的升高而变小，电阻与温度的对应关系见表 3 1 。r a l 引脚是p i c l 6 f 8 7 x 的第1 路模拟输 入通道，其参数与第0 路模拟输入通道r a 0 相同。 v c c l p i c l 6 f 8 7 x r t l 单片机 1 1 1 0 3 a t u l r a 】 ijijij 薛 l o 位a d 结果寄存器 i l 图3 3 循环水入 ( 出) 口水温检测 山东大学硕士学位论文 1 热敏电阻的短路、开路检测 当r t l 短路时，r a l = 5 v ，经模数换后，a d = 3 f f h ；当r t l 开路时， r a l = 0 v ，经模数换后，a d = 0 0 h 。这样，在系统起动时，将r a l 进行模 数转换后，如果a d = 3 f f i l ，表明r t l 短路：如果a d = 0 0 h ，表明r t l 开 路。 2 温度的计算 第一步，首先根据r a l 的m d 结果计算出r t l ，设r a l 电压是v 0 1 ， 山电路可以看出 v01=比c=面3甬000rt1面sl + 只 r ? l + 3 0 0 0 所以 r t l ：1 5 0 0 0 3 0 0 0 v 0 1 山m d 转换的线性关系可以得出，a i d 转换结果为 a d l ：婴3 劢 5 所以 上：旦 p r 0 15 a d l 所以 翮娟o o o 羔- 3 0 0 0 = 等瑚o o 第二步，由计算得出的电阻值r t i 查表求得对应的温度值t ，因为热 敏电阻的电阻值与温度不是线性关系，所以无法通过计算获得温度值，只 能通过查表的办法。 在加热器水温控制中，要求的精度是以l o c ，所以我们将i - 0 5 。c - i + o 5 。c 都看成是i 。c ，i + 0 5 。c 对应的电阻值就是表3 1 中的+ 2 ( r t i + r t i + 1 ) 2 ， 例如0 5 。c 对应的电阻值是2 6 8 5 0 0 、1 5 。c 对应的电阻值是2 5 8 8 0 ，依 次类推。 查表的方法是这样的，我们首先根据r a i 的a d 结果计算出r t l ，然 后将r t l 与o 5 。c 对应的电阻值2 6 8 5 0 q 进行比较，如果r t l 2 6 8 5 0q ， 则认为温度t = o 。c ，否则再将r t i 与1 5 。c 对应的电阻值2 5 8 8 0 q 进行比 较，如果r t l 2 5 8 8 0 q ，! l l l j 认为温度t = i 。c ，依次比下去，最后就可以得出 r t l 对应的温度值t 。如果r t l 小于表中所以的列的内容，就认为温 度 1 0 0 。 表3 1 1 0 3 a t 热敏电阻温度对照表【4 5 1 tr t = ( r t i + r t i + i ) 2 tr t “= ( r t i + r t i + i ) 2 ( 。c ) ( k q ) ( q ) ( o c )( k 0 ) ( 0 ) 02 7 2 6 2 6 8 5 05 14 0 1 23 9 4 8 l2 6 4 4 2 5 8 8 05 23 8 8 33 8 2 1 22 5 3 22 4 7 8 55 33 7 5 9 3 7 0 0 32 4 2 52 3 7 4 05 43 6 4 03 5 8 3 42 3 2 32 2 7 5 05 53 5 2 53 4 7 0 52 2 2 72 1 8 0 55 63 4 1 53 3 6 2 62 1 3 42 0 9 0 05 73 3 0 83 2 5 7 72 0 4 62 0 0 4 55 83 2 0 53 1 5 6 81 9 6 31 9 2 3 05 9 3 1 0 63 0 5 9 91 8 8 31 8 4 5 06 0 3 0 l l2 9 6 5 1 01 8 0 71 7 7 0 5 6 l29 1 92 8 7 5 l lt 7 3 41 6 9 9 56 22 8 3 0 2 7 8 7 1 21 6 6 51 6 3 1 56 32 7 4 42 7 0 3 1 31 5 9 81 5 6 4 06 4 2 6 6 22 6 2 2 j 4j 5 3 01 5 0 2 56 52 5 8 2 2 5 4 4 1 51 4 7 51 4 4 6 06 62 5 0 52 4 6 8 1 61 4 1 71 3 8 9 56 7 2 4 3 l2 3 9 5 1 7l3 6 21 3 3 5 56 8 2 _ 3 5 92 3 2 5 1 813 0 91 2 8 4 06 92 2 9 0 2 2 5 7 1 91 2 5 91 2 3 5 0 7 02 2 2 32 】9 l 2 01 2 1 11 1 8 8 07 12 1 5 8 2 1 2 7 2 11 1 6 51 1 4 3 07 2 2 0 9 62 0 6 6 2 21 1 2 11 1 0 0 07 3 2 0 3 62 0 0 7 9 东大学硕士学 山东大学硕士学位论文 3 2 3 电磁阀控制部分 p i c l 6 f 8 7 x 单片机 图3 4 电磁阀控制电路 1 1 乜磁l 闽工作控制 如图3 , 4 所示足电磁阀控制部分1 u 路，其中r c 0 设置为数字量输出， 当r c 0 = 0 时，三檄管n 4 截至，场效应管f e t l 导通，电磁阀y v 工作； 当r c 0 = i 或高阻时，电磁阀不工作。 2 电磁阀短路和开路故障检测 在系统起动时，要列电磁阀的状态进行检测，如果发生短路或开路故 障，报警。r b 5 和r c 6 设置