自适应水泵系统设计.docx

青岛理工大学毕业设计青岛理工大学毕 业 设 计（论 文）题目： 自适应水泵系统设计 院 别： 汽车与交通学院 专业班级： 车辆132班 学生姓名： 何 朋 朋 学 号： 201324239 指导教师： 刘 尊 民 2011年6月18日 摘 要科技飞速发展，带动了汽车行业的快速发展，传统的冷却系统已经不能满足现代汽车对性能、油耗、排放以及舒适度的要求。传统的发动机冷却系统主要由节温器、储液罐和冷却风扇水套等组成。传统的发动机冷却系统只能机械的对发动机进行降温，而且降温效果还不是太理想。容易造成发动机过热、破坏正常间隙、机械零件强度下降等等一系列的问题。严重影响发动机性能的发挥。水泵的动力取自于发动机的曲轴，只要发动机启动开始工作，水泵就会随着工作，而且发动机不停止工作，水泵也不停止工作。不能实时而有效的根据发动机在各种的不同工况下的冷却需求而自动调节。然而汽车在不同工作环境下，对发动机的动力要求是不同的，而发动机水泵的工作强度是不可以调节的，冷却效果有限，这样就会造成发动机过热，冬天启动时由于发动机过冷而造成启动困难，而且发动机升温也是相当慢的。这样，不仅对发动机造成伤害，甚至损坏发动机，而且还造成了燃油的浪费，燃油利用率降低，汽车的整体性能也会随之降低。为了解决传统发动机不能实时对发动机进行冷却而且冷却效率底下这一问题，本文介绍了基于单片机的发动机自适应水泵系统的设计。通过NTC负温度系数传感器进行发动机冷却液温度数据采集，经过单片机内部A/D转换，然后单片机输出一个继电器控制信号，继电器相应的断开闭合，来控制电磁离合器的吸合。进而切断和结合发动机冷却水泵的驱动力。实时、高效、稳定的对发动机进行降温。本文在硬件设计的基础上，以单片机为水泵控制中心，同时给出了硬件电路原理图和系统控制原理图。对系统的硬件抗干扰和软件抗干扰进行了相应陈述。关键词：冷却水泵；单片机；自适应；Abstract The rapid development of science and technology has led to the rapid development of the automotive industry,The traditional cooling system has been unable to meet the requirements of modern vehicles for performance, fuel consumption, emissions, and comfort.The traditional engine cooling system is mainly composed of thermostat, liquid storage tank and cooling fan water jacket.The traditional engine cooling system can only be used to cool the engine mechanically, and the cooling effect is not very satisfactory。A series of problems, such as overheating of engine, damage of normal clearance, decrease of the strength of machine parts and so on.Play a serious role in engine performance.Water pump power from the engine crankshaft, as long as the engine starts to work, the pump will work with, and the engine does not stop working, the water pump does not stop working.It can not be adjusted automatically in real time and according to the cooling demand of engine under different conditions.However, in different working conditions, the power requirements of the engine are different,The working intensity of the engine water pump can not be adjusted, the cooling effect is limited, which will cause overheating of the engine,When winter starts, the engine is difficult to start because the engine is too cold, and the engine heats up quite slowly.In this way, not only damage to the engine, and even damage the engine, but also caused waste of fuel, fuel utilization rate decreased, the overall performance of the car will also be reduced. In order to solve the problem that the traditional engine can not cool the engine in real time and lower the cooling efficiency,This paper introduces an adaptive water pump system for engine based on single chip microcomputer，The temperature data of engine coolant are collected by NTC negative temperature coefficient sensor,After the microcontroller A/D conversion, and then microcontroller output a relay control signal,The relay closes and closes to control the pull of the electromagnetic clutch.It then cuts off and combines the driving force of the cooling water pump of the engine. It cools the engine in real time, efficiently and steadily. This paper is based on the hardware design,With the single chip microcomputer as the intelligent control center, the hardware circuit diagram and the system control principle diagram are also given.The system hardware anti-interference and software anti-interference are stated accordingly.Keywords: cooling water pump; MCU; adaptive;1、 绪论11.1课题研究的意义11.2国内外研究现状11.3本次设计的主要内容32. 系统整体方案及硬件选型42.1系统硬件设计方案42.2系统软件设计方案52.3关键元器件的选择62.3.1单片机选型62.3.2温度传感器的选型72.3.3通信方式选择83. 下位机电路设计123.1 温度采集电路设计123.2 电源模块电路设计143.3 继电器信号输出模块设计143.4 通信模块设计153.5硬件电路防干扰154. 上位机软件系统流程设计184.1 主程序流程图184.2 温度采集程序流程设计194.3 开关量控制流程设计204. 4软件系统防干扰215. 系统测试236、 总结28致谢29参考文献301、 绪论1.1课题研究的意义 当前水泵与发动机曲轴通过传动皮带进行连接，发动机启动后水泵即开始工作。新型自适应水泵与发动机皮带通过电磁离合器连接，当水温到高于设定温度后，水泵启动；水温低于设定温度，水泵停止工作。采用自适应水泵后，发动机暖机时升温快，且有效降低发动机能耗。系统分为上位机部分及下位机部分：下位机实现温度数据的采集及对电磁离合器的控制等硬件功能；上位机实现数据的存贮、实时曲线及报表等软件功能。传统的节温器、百叶窗、冷却风扇、水套等构成的发动机冷却系统属于被动的冷却系统，并且三者各自相互独立工作。不能给发动机有效实时的降温，而且能耗也大，只能够有限机械得调节发动机温度，不能胜任现代车辆发动机各种工况下高效运转的需求。本设计采用了单片机电子智能控制技术，用NTC热敏电阻温度传感器采集发动机冷却水的温度值，经过单片机内部资源的A/D转换，将温度信号输入给单片机；同时，微处理器根据该反馈信号，输出一个继电器控制信号，继电器控制电磁离合器的吸合；实现水泵的启动和停止，当发动机温度高于设置的最高温度时，电器离合器结合，水泵开始工作。当发动机温度低于设置最低温度时，电器离合器分离，水泵停止工作，发动机温度开始回升，进而更实时的调控发动机温度。1.2国内外研究现状法雷奥公司经过长期刻苦钻研锲而不舍的致力于发动机自适应冷却系统的研究，终于在1999年，提出了智能热调控系统的全新电子调节冷却系统，并且运用于汽车发动机，对汽车发动机的性能进行改变，提高了发动机的整体性能。这套发动机的自适应冷却系统将发动机的水泵和缸体进行了分离，通过控制单元ECU对发动机冷却水泵的流量以及风扇等其他装置进行控制和调节，大大方便了水泵的安装，而且水泵离缸体远，这样发动机对水泵的材料要求就不再是耐热耐高温的材料，可以大大的节约材料和成本。这样以来，水泵的转速就可以随着发动机在不同工况下的冷却液温度而自动调节，很大程度上降低了发动机的传热损失和机械损失，对发动机的排放和油耗液有了很大程度上的降低，提高了发动机2的整体性能，提高了车辆的舒适性和整体性能。台湾裕隆汽车公司提出了在发动机冷却系统中安装速度可以调节的水泵系统，以冷却液的温度作为反馈信号对水泵的转速进行控制，进而控制冷却液的流量，控制单元根据节气门、水温、车速等传感器反馈来的信息，用反馈的方式来调整发动机冷却水泵的转速，让发动机水套中的冷却液的流量可以根据不同的驾驶工况而调整相应与之匹配的流量，及时高效的给发动机进行降温，使得发动机的温度在正常的工作温度范围内。很大程度上降低了发动机的传热损失和机械损失，对发动机的排放和油耗液有了很大程度上的降低，提高了发动机的整体性能，提高了车辆的舒适性和整体性能。并且在1994年申请了专利。维斯通公司研制出了精确冷却系统，主要使用电控水泵和精确开闭的电磁阀对传统发动机的节温器和水泵进行了替换，控制单元可以根据发动机的不同工况对发动机的电控风扇、电控节温器和电控水泵进行调节，将发动机的温度控制在正常的工作范围内。使得发动机的性能保持在一个较好的状态，这套系统的主要特点是精确电控，使得发动机的冷却系统的效率大大提高而且还有效的减少了有害物质的排放。 据网上资料显示，2005年上市的宝马6系新型轿车，是世界首款搭载电动水泵的高级轿车。宝马6系新型轿车搭载着电动水泵系统，这样水泵的转速就与发动机的曲轴转速无关了，进而可以独立的对发动机输送适当流量的冷却水，控制单元在必要的时候对水泵的转速进行调节，改变流进发动机的冷却液流量，可靠高效的降低发动机的温度，而且发动机在暖机的时候，升温会更快。也可以有效的提高冷却水的利用效率，降低车辆的使用费运。国内对发动机冷却系统的研究起步比较晚，但是国内也在积极的研究和学习现有的国外的先进新型冷却系统方案，在此基础上研发并且提出了新的冷却系统设计。在发动机冷却领域内，国内有很多机构提出并研制除了高效率的冷却系统。比如山东农业大学，山东大学提出了新型电控节温器，之后又提出了以单片机为控制中心的冷却系统理念，这个理念意味着国内在发动机自适应冷却系统方面的研究迈出了很大一步，这种先进的理念实现了对风扇不同工况下的调速，及其可以让风扇工作在静止、低速、高速等工况下。华中农业大学、哈尔滨工业大学也提出了在发动机上匹配无极变速控制冷却风扇的自适应冷却控制系统，并且这套系统在吉林轻型车厂的CA6360车用发动机上进行过试验研究，这套系统可以有效的吧发动机的温度控制在发动机有效的工作范围内。可以高效可靠的对发动机进行降温和预热时的升温。青岛大学研制出了液压驱动发动机冷却风扇的液冷却系统，这种电液比列控制还没有运用与实际，目前正在试验过程中。1.3本次设计的主要内容 本课题的主要内容是设计一种针对传统发动机冷却系统对发动机降温不足，发动机预热时升温慢，不能实时、高效、稳定降温问题的自适应水泵系统。该系统主要包括下位机硬件系统和上位机软件系统。下位机实现温度数据的采集及对电磁离合器的控制等硬件功能；上位机实现数据的显示、存贮、实时曲线及报表等软件功能。系统分为上位机部分及下位机部分：下位机实现温度数据的采集及对电磁离合器的控制等硬件功能；上位机实现数据的存贮、实时曲线及报表等软件功能。具体功能如下：下位机硬件系统：通过NTC温度传感器实现对发动机冷却液温度的实时采集，防止车载电器设备对系统的干扰，传感器与单片机之间用屏蔽线连接，将采集的发动机冷却液温度信号输入到单片机。单片机输出一个控制信号给继电器，用继电器的结合与断开来控制电磁离合器的吸合与断开。上位机软件系统：软件系统实现数据的显示、存贮、实时曲线及报表等软件功能，实现数据的高效管理。以下是本次设计的主要工作内容：1 系统整体结构方案设计；2 下位机硬件系统设计；3 上位机软件系统设计；4 软件测试；验证系统是否可以正常工作，是否可以有效降低发动机温度，是否可以有效的将发动机温度控制在正常温度范围内。结合数据进行成果分析。2. 系统整体方案及硬件选型 当前水泵与发动机曲轴通过传动皮带进行连接，发动机启动后即开始工作。新型自适应水泵与发动机皮带通过电磁离合器连接，当水温到高于设定温度后，水泵启动；水温低于设定温度，水泵停止工作。采用自适应水泵后，发动机暖机时升温快，且有效降低发动机能耗。系统分为上位机部分及下位机部分：下位机实现温度数据的采集及对电磁离合器的控制等硬件功能；上位机实现数据的显示、存贮、实时曲线及报表等软件功能。系统分为上位机部分及下位机部分：下位机实现温度数据的采集及对电磁离合器的控制等硬件功能；上位机实现数据的显示、存贮、实时曲线及报表等软件功能。自适应水泵系统在传统的冷却系统基础上，增加了微控制器和温度传感器。本次设计采用了单片机电子控制技术，以NTC热敏电阻作为温度采集传感器，实时有效的采集发动机冷却液温度，经过A/D数字电路转换，输入到微处理器将物理量转换为电子信号；同时，微处理器根据该反馈信号输出一个开关信号来控制继电器，继电器进而控制电磁离合器；实现水泵的启动和停止，当发动机温度高于设置的最高温度时，电磁离合器结合，水泵开始工作，当发动机温度低于设置最低温度时，电磁离合器分离，水泵停止工作，从而实时、快速、有效的给发动机进行降温。2.1系统硬件设计方案1.系统硬件的组成分为五部分：1 电源模块：12v转为5v电压；2 控制模块：工业级微控制器；3 信号输入：热电阻温度信号，经信号调理与A/D转换后，输入MCU；4 串口通信模块：采用RS485芯片，与上位机完成通信；5 继电器输出模块：采用车用75A继电器模块；五部分硬件电路的具体组成和详细信息将在后面章节中继续设计，下面是整个自适应冷却系统硬件的整体构架：2. 主要功能说明：（1）温度传感器； 主要实时发动机冷却液的实时温度，并将其温度反馈到A/D转换电路，采集频率可由上位机设定为：1S、2S、5S、30S、1M、3M。（2） A/D转换： 以水温信号为基础，经过A/D转换后，输入到单片机中，单片机经过与设置好的温度对比之后，输出控制信号，控制电磁离合器的吸合；采用信号逻辑控制方式对系统进行控制。（3） 电源稳压模块： 为整个系统提供稳定可靠的电压，将车载电源的12V电压稳定的降为5V的能为整个系统所用的稳定电压。并且要防止其它设备的干扰。（4） 串口485通信方式上位机采集水温信号及输出开关量信号；1 实时显示水温信号及开关状态信号；2 存储水温历史数据；3 报表及实时曲线显示；4 完整的系统日志文件；2.2系统软件设计方案系统软件的功能是正合好单片机内部资源积极有序的参与系统工作，并且和外接电路高效的合作，辅助硬件系统完成水温检测信号的接收、存储水温、报表及实时曲线显示，并且完成系统日志文件。软件部分主要包括：1 温度采集的实现；2 串口485通信；3 开关量控制实现；4 上位机软件测试；软件是整个系统的灵魂所在，主要任务是让整个系统高效而且可靠的运行起来，而且少出或者不出错误。软件设计的流程图将在后面的章节中详细介绍。2.3关键元器件的选择任何系统都是建立在硬件系统之上的，硬件系统又是由一个个元器件所组成的。所以选择合适的元器件就对整个系统非常的重要了。根据发动机自适应水泵系统的性能和功能要求，选择单片机及其它主要元器件，原件是否选择的恰到好处，关系到整个系统能够高效可靠的工作。针对其中温度采集、通信等功能，要选择合适的元器件来实现。，并且这些元器件的使用寿命要足够长，具体选择如下：2.3.1单片机选型目前，单片机【4】种类繁多，功能强大。通用型单片机按位数分有4位机、8位机、16位机和32位机等等；我国目前最常常用的单片机生产厂家如下：Intel- MCS51系列，MCS96系列Atmel- AT89系列，MCS51内核Microchip- PIC系列Motorola- 68HCXX系列Zilog- Z86系列Philips- 87、80系列，MCS51内核Siemens- SAB80系列，MCS51内核NEC- 78系列 考虑到以本系统的稳定性、可靠性、以及应用要求，最终选择 MCS51单片机4。MCS51单片机是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器。性能可靠、技术成熟。其主要功能特性：表2-1 MCS51功能特性 ：MCS-51 指令系统8k 可反复擦写ISP Flash ROM32 个双向 I/O 口4.5-5.5V 工作电压3 个 16 位可编程定时/计数器时钟频率 0-33MHz 全双工 UART 串行中断口线256x8bit 内部 RAM2 个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3 级加密位看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的 ISP 字节和分页编程双数据寄存器指针MCS51单片机【4】的有如下三个特点；u 指令执行时间快。很大一部分指令执行时间为1个机器周期，少数指令为两个机器周期，仅有乘、除两条指令为4个机器周期。u 指令短。大多数为1或两个字节，少数为3个字节。u 具有丰富的位操作指令。可对内部数据存储器和特殊功能寄存器中的可寻址位进行多种形式的位操作。 2.3.2温度传感器的选型发动机冷却液的温度可以通过温度传感器【12】来进行实时采集，温度传感器的种类繁多，一般有电阻式、热电偶式、PN结型、辐射型、光纤式及石英谐振型，它们大多数采用温度变化而引起其电阻或者电压等变化的原理。选择一种适合本系统性能要求的温度传感器是非常必要的。NTC 热敏电阻器【12】，是以过渡金属氧化物为主要原料，参杂一定比例的杂质。热敏半导体陶瓷组件是通过电子陶瓷工艺制成的。而热敏半导体的电阻值会随着温度的变化而变化，当温度升高时，热名电阻的阻值随之降低。利用热敏电阻的这一特性，可制成温度采集的温度传感器。NTC热敏电阻的阻值随温度的变化非常灵敏。当NTC热敏电阻的温度每降低一摄氏度时，热敏电阻的阻值就相应的要减少7至3。NTC热敏电阻传感器的测量温度宽度是测量温度范围宽时使用的最为林敏的传感器。温度增加时，NTC热敏电阻的阻值开始下降，这时电阻值远离线性。NTC热敏电阻的温度比较低时，原材料金属氧化物中的载流子数目减少，所以电阻阻值就变得很高了。当温度越来越高时，金属氧化物中的载流子数目开始增多，NTC热敏电阻的阻值也就随之降低了。NTC热敏电阻器在正常室温下变化范围非常大，通常在1001000000，NTC热敏电阻的温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器的应用是非常广泛的，从航天到汽车，再到生活中的一些家用电器等等，主要功用是测温、控温、温度补偿等方面。NTC热敏电阻的寿命非常长，经过各种试验之后，得出结论，NTC热敏电阻可以在超高温环境，高压力环境等恶劣的环境中高灵敏的可靠工作。而且就是在这种恶劣的环境中工作之后，NTC热敏电阻还能长时间的可靠稳定的工作。所以本次设计最终决定采用NTC热敏电阻作为温度采集传感器。2.3.3通信方式选择通信在整个系统中占有相当重要的地位，与上位机进行高效可靠的通信，才能保证整个系统井然有序的工作，如果下位机与上位机之间没有有效的通信方式，那么整个系统都不会正常的工作，所以通信方式的选择是非常重要的。1、 通信方式种类计算机与外界的信息交换称为通信【4】。基本的通信方式有两种; 并行通信所传输数据的各个数位同时进行发送或同时进行者接收； 在并行通信中，所传输的数据占的二进制数位和所需的数据线根数是成正比的，这种通信方式通信速度是相当之快的，适合近距离通信，但是价格比较贵。 串行通信所传输数据的每个数位按顺序依次的发送或依次的接收； 串行通信跟并行通行不一样，只需一根或者两根数据线进行通信，但是串心通信每次智能传送一位，这就降低了传送效率。并行通信中，数据线的根数是根据数据所占二进制数位而确定的。并行通信的传输速度快适合近距离通信。考虑到本系统是上位机与下位机距离不远，所以采用并行通信方式。二、通信协议Rs-232c接口【4】：它是一种串行通信标准，由美国EIA公司和BELL公司一起开发的通信协议，Rs-232c做出了很多明确的规定，比如对信号线的功能、对电器特性、对连接器等都做了明确的规定。目前微机最常用的是九针的D型连接器。其插座引脚信号如下： 图2-3 RS-232C 9针D型插座引脚信号RS-232C通过九针D型插座传输数据，而且还对双方的互传起到协调的作用，被称作握手信号。每根信号线的作用如表2-2；引脚作用引脚作用RTS请求发送信号，输出信号DTR数据终端CTS清除数据，对RTS响应TXD数据发送引脚DCD数据载波检测，输入信号RXD数据接收引脚DSR数据通信准备就绪，输入信号GND信号接地线表2-2 RS-232C 9针D型插座引脚作用Rs-232c特点如下： 传输速率较低； 抗噪声干扰能力差； 传输距离比较有限； 不能实现联网功能； RS-485接口【4】：采用差分信逻辑，+2V+6V表示“1”，- 6V- 2V表示“0”。RS485有两种接线，两线制和四线制，最常用的是两线制半双工。RS-485接口带有600W防雷防浪涌的保护功能可以防止浪涌和雷对系统的影响，还带有光电隔离；通信线路采用RS-485总线，便于扩充系统，可扩展性好。接口如图2-4:图2-4 RS485接口RS485特点： . RS-485的电气特性：两线之间的电压差为正的两到六伏特，表示逻辑0；以两线之间间的电压差负两到六伏特表示逻辑1。RS-232的接口电平高与 RS-4854的接口电平，所以不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。 RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。 RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。 RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达1219米，另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。 因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线(一般叫AB线)，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。经过 RS-232C 的优点与 RS-485的优点对比之下，最后决定选择RS485作为本系统的通信协议。RS485的整体性能更加优越，更适合本系统。143. 下位机电路设计系统硬件电路靠近发动机，所以要求抗震动能力、抗电子信号干扰能力、抗磁场干扰能力要足够好。本章主要叙述系统硬件电路的设计过程。系统温度采集电路的设计，电源模块电路的设计，继电器信号输出模块电路设计，RS485通信模块电路的设计。现将这四部分部分电路设计分术如下：3.1 温度采集电路设计温度采集电路是整个系统的重要组成部分，安全、可靠、高效率的温度采集电路对本系统是必不可少的。以下是温度采集电路的详细设计过程。1 实时：温度采集系统所采集的发动机冷却液温度有迟滞现象，惯性较大，过程反应慢，所以要求温度采集系统要有一定的实时性；2 稳定：温度采集系统要求能够长时间工作，所以硬件电路要有足够的稳定性，并且要求采集到的温度要足够准确，可靠地输入到微处理器；3 可靠：因汽车的使用环境繁多，所以发动机的使用工况也就相当复杂了，这就要求温度采集系统要有足够高的可靠性；4 安全：驾驶员以及乘客的安全第一，这就要求温度采集系统要有足够的安全性，防止电路发烧、短路、短路等不安全因素的影响；本次设计电路实现NTC热敏电阻器对发动机冷却液温度的实时采集。负温度系数热敏电阻NTC，其温度值与模拟电压信号成反比其温度值与模拟电压信号成反比。通过NTC热敏电阻传感器把温度的变化转换为电阻阻值的变化，通过到A/D电路把阻值的变化转换为电压的变化；输入到单片机中，设计电路图如右： 图 3-1 温度采集电路图3-1为一个简单的串联分压电路，由NTC 热敏电阻 Rv 和测量电阻 Rm组成。可以通过对参考电压VCC_Ref 的分压而得到一个电压值随着温度值变化而变化的数值，得到的电压的大小可以反应出NTC 电阻的大小，通过电压这个关系就可反映出温度的大小。 输出电压值 Vadc 和 NTC 电阻值的关系可以通过欧姆定律来带到，关系式如下： （3-1）：参考电压5 V：精密分压电阻：NTC温度传感器式（3-1）为后边章节的温度采集软件的实现的基础。模拟电压信号经过A/D转换器输人单片机MCS51的接口。当发动机开始工作时，温度采集电路检测到温度，将所得到的温度输入到单片机中，与设置好的温度存储器中的参考温度值进行比较，若小于参考值，则发动机温度偏低，继电器信号输出电路不工作。发动机继续升温，当温度大于参考值时，则发动机温度偏高，继电器信号输出电路开始工作，进而水泵开始工作，保持发动机温度在正常温度范围内。3.2 电源模块电路设计 电源模块功能：将车辆的12v电压转为5v电压，并且能有效持续的给单片机提供稳定的5v电压，并且要保证模拟信号的采样不受到任何干扰，以提高采样精度。电源线应该有防接反的功能，一旦电源线由接错或者接反，系统马上自动切断电源，进而保护整个系统模块不受损毁。还要有当电压过高时保护功电路的功能能，当电压过高时，自动断开电路，保护整个系统模块不被损毁。现将电源模块电路图设计如下：图3-2 电源稳压电路为了降低电路的输入与输出纹波噪声在隔离模块的两端都加入了 LC 滤波电路，但在进行电容值选取时，应选择合适的滤波电容。若输出端的电容值选取过大容易造成模块启动时过流或启动不良，根据技术手册的推荐值表，最终做如下选择 C05=100Uf，C06=330uF，C31=10uF，C32=0.1uF。3.3 继电器信号输出模块设计继电器输出模块作为控制开关在整个系统中起到打开电磁离合器的作用，本设计选用的是车用75A继电器模块。由单片机接收到从温度传感器采集到的温度信息，单片机的微处理器把采集到的温度和温度存储器中的参考温度值进行比较，然后做出判断，发出相应的信号给继电器。继电器开始执行微处理器发出的指令，对电磁离合器进行控制，进而控制水泵的启停。图3-3 继电器信号输出电路继电器的信号输出电路接在单片机的P2.1口，当温度采集电路将采集的发动机冷却液温度经过A/D转换电路输入到单片中，单片机将温度数据和原有设定饭动机愣却液正常温度进行对比，如果温度正常或者小于正常温度，则继电器信号输出电路输出继电器断开信号，水泵不工作，发动机升温。如果温度信号高于设定的温度，则继电器信号电路输出继电器结合信号，水泵工作，发动机降温。3.4 通信模块设计通信模块主要完成下位机与上位机的通信，RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好；传输距离远，传输效率高；但是要防止车载电器及其他信号源的干扰，进行高效精确的通信。图3-4 通信模块电路3.5硬件电路防干扰汽车的使用工况复杂多变，工作环境恶劣；尤其是发动机舱里，整车空间狭小，车载设备布置紧凑，系统器件处在强磁干扰的环境中，同时由于进行激烈驾驶时产生的震动和冲击也会对设备产生干扰，因此需要采取有效的抗干扰措施抑制干扰，保证系统正常运行，所采集到的数据准确可靠。 干扰来源：整个系统中电源有两种：一种是车辆自带的电源车载载蓄电池，标准电压为12v。但是车载电源电压受各种车用电器设备工作负载变化的影响比较大，波动范围比较大，一般达6-15V。对于其它要求电压保持在5V5范围内的电路，由降压电路电源为其供电。也就是将车载电源经稳压电路使其成为稳定的5v电压。电源和接地的抗干扰： 电源： 使用宽电压稳压模块为系统供电，这样当稳压模块输入端电压波动较大时（比如在车辆启动阶段）输出端也不会受影响产生电压波动，避免因此导致系统工作不正常的情况。此外由于车上感性负载比较多（电池阀、电机等），在其开闭瞬间都容易产生浪涌电压，为有效消除干扰，必须在电源输入端并入大容值的去耦电容，单片机的电源两端也都要加去耦电容。 接地：地线抗干扰措施，主要是进行硬件设计时尽可能加大地线，保证地端各点电位都相等，不易因系统负载变化等原因而产生电位差；模拟地与数字地也要分开，防止数字地的高频工作影响到；输入信号抗干扰：1.输入信号线用屏蔽线：因为输入信号线下端连接传感器，距离高压线很近，发动机点火时会产生很强的电磁场，对信号有所干扰，容易从信号输入线中进入到控制单元，干扰控制单元的正常运行。所以必须对信号线进行屏蔽，让其屏蔽层接地，将信号线上的干扰电压降至最低。2. 信号线固定稳定可靠： 防止信号线在高压线以及其他电器设备产生的磁场中运动，而产生感应电压，形成不必要的干扰。尽管硬件电路系统中下设计除了选用抗干扰性强的元器件，但是这样还是不够，要增强整个电路抗干扰性能力，我们在电路设计过程中采取了以下几项抗干扰措施：（1）电源去耦在电路中，每个 IC 器件的电源端都要加一个 0.1uF 无极性电容接到地。在单片机悬空的 I/O 引脚上拉 10K的电阻，以减少噪声等的干扰。（2）接地 地线要尽量的宽，各个 IC 器件的接地引脚要尽量用最短的连线接到地，以减小阻抗，尽量使开关电源远离模拟元器件，关系密切的尽量靠近。（3）滤波 在 TLC2543 的模拟量输入通道分别接上阻容滤波电路，减小杂波对 A/D 转换处理的影响。同时在 I/O 输出做控制线。（4）传感器通信的外接线，采用屏蔽双绞线，以减少环境对信号的干扰。（5）采用看门狗（WDT）监控4，在系统运行过程中可能出现死机和程序跑飞的情况下，强制处理器复位，并加手动复位电路，在上电和电源波动过程中实现可靠复位。 4. 上位机软件系统流程设计本系统采用MCS51单片机作为系统 处理核心软件，把NTC温度传感器采集到的温度存入MCS51的内部数据存储器中。并且将其输出到数码管显示温度值。再与设定好的发动机正常温度进行对比，然后由单片机输出相应的继电器控制信号，控制继电器的吸合与断开，进而控制电磁离合器的吸合与断开，以达到实时控制水泵，通过对不同温度信号反馈，进行数据的显示、存贮、实时曲线及报表等软件功能；系统软件主要有主程序、温度采集A/D程序、开关量控制输出程序组成。各部分流程图如下：4.1 主程序流程图 系统主程序主要完成系统初始化，等待系统初始化完成之后，调用温度采集子程序，对发动机冷却液温度进行采集，然后调用开关量控制子程序，对采集到的温度与设置好的温度进行对比，输出开关控制量。具体流程图如下：图 4-1 主程序流程框图4.2 温度采集程序流程设计 温度信号经过NTC传感器，将物理信号转化为电信号，经过AD转换为变为数字量。经过标度变换将电压信号转化为温度值。温度采集程序流程图如下图4-2:对所采集到的数据进行数据处理，参考压为 5V，因此这里可以选择 Vref （ 参考电压）5V。各温度点对应的 ADC 转换后的数字量可以通过以下公式进行计算：发动机的正常工作时水温是80-90度，所以只要得出80-90度之间的数字量； （4-1）为温度采集电路的输出电压；Dadc 1024*Vadc/5V （4-2）Dadc 为A/D转换后的数字量；结合（1）、（2）式可以得到以下公式Dadc 1024*Rm/(Rv+Rm) （4-3）根据这种数量关系可以得到相应的温度值，对采集到的数据进行预处理。温度电阻值温度 电阻值温度电阻值80795.1781772.4382750.4483729.1784708.685688.786669.4487650.888632.7689615.390598.3991582.02表4-1 电阻温度关系表计算的出80-90度之间的数字量表：温度数字量温度数字量温度数字量805698157982586835958460485613866248763388642896429065091658表4-2 温度与对应的数字量关系4.3 开关量控制流程设计开关量输出主要功用是输出继电器控制信号，完成电磁离合器的吸合与分离，有效可靠的使执行机构工作，而且不受其它因素的影响。温度采集电路和继电器控制电路与RS-485总线相互完全隔离，与整个系统隔离。继电器连接在单片机的P2.1口，单片机将温度采集电路输入的温度信号和设置好的温度进行对比，如果采集到的冷却液温度小于等于80，则单片机输出继电器吸合指令，并且继电器保持吸合状态，冷却水泵停止工作。当采集到的冷却液温度大于等于90时，单片机输出继电器断开指令，并且继电器保持断开状态，水泵持续工作，对发动机进行实时降温。程序流程图如下：图4-3 开关量控制流程图4. 4软件系统防干扰 软件抗干扰22主要包括消除模拟输入信号的嗓声、程序运行混乱时使程序重入正轨。1. 指令冗余： CPU是先取操作代码然后取操作数，程序“乱飞”是因为PC受干扰出现错误。如果在取指令的过程中，先取了操作数，程序就会误将操作数当做操作码，这时程序将会出错。处理措施；为了防止系统出现错误，双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP，这样就可以防止去指令时发生错误，当乱飞程序到操作数上时，由于NOP的存在，程序自动进入正轨继续运行。2. 对乱飞指令拦截 在对乱飞程序处理之前，将其引导到指定的位置即是乱飞指令拦截。一般是合理设置陷阱，将其放在合适的位置，将扑捉到的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱：NOP NOP LJMP 0000H其机器码为0000020000；5. 系统测试 软硬件设计好后，搭建上下位机系统进行联合调试，检测上位机和下位机系统的能否正常有效的工作。下位机主要进行各个硬件模块的功能测试，以及检测车载终端在真实环境下的抗干扰能力。进行整个系统的功能测试。上位机部分：1.设置串口选择串口，选择通信波特率等参数，点击OPEN打开串口。并可进行通信测试。2.系统标定及实时数据部分（1） 参数标定左侧为数值读取：为已设定启动温度、停止温度、延时时间读取。图5-3 参数标定右侧为参数标定：启动温度、停止温度、延时时间设定。（2）实时数据读取按开始按钮读取数据，并可设置数据采集频率。最新上传数据的显示，最新收到的5条动态数据在如下两个文本框中显示，新数据自动覆盖原来信息。数据采集频率可在如下下拉框进行选择，目前可选择2秒、5秒、10秒、20秒、30秒、一分钟、三分钟、五分钟。选定完成后，点击开始按钮按照设定频率进行数据采集工作。按下停止按钮暂停数据采集工作。（3） 水泵控制系统启动后，水泵默认为受控状态。 点击水泵停止按钮后，水泵停止工作，并且不受在控制状态，该按钮变为红色。 再次点击水泵受控，则恢复水泵受控状态。3.实时数据曲线实时显示最新500个实时数据点，可设置纵轴范围。4. 历史数据处理系统可后台实时存储所采集的数据到Access数据库中，以备后续分析查询报表使用。如下图所示，设定StartTime及EndTime后，单击查询按钮可对历史数据进行查询，查询结果在表格中显示。也可对所查询到的数据进行删除操作，以维护Access数据库内容，点击删除按钮，则该时间段数据被删除。同时系统为用户提供了上位机报表功能，单击报表按钮，对当前查询数据报表，该报表为水晶报名形式，其效果如图所示。在报表界面里面，可方便用户对数据的使用及存储，如用户可将数据保存在Excel格式进行存档。历史数据查询界面历史数据报表界面1.7日志文件的生成上位机自动保存系统日志，如操作日志，错误信息日志，数据存储信息等。日志文件以”Logg+操作日期+.Log”扩展名的形式存在，可用文本文件打开，存贮目录为安装主目录下,如下图为系统在2016年8月19号所生成的日志文件，文件名为Logg20160819.Log，在日志文件中提示了打开串口Com1的信息，以及测试股调试信息。6、 总结该发动机自适应冷却系统设计以单片机为控制核心,通过温度传感器实时检测冷却系统中冷却液温度,并将该信号经过滤波放大处理后输送到单片机中,单片机经过相应的计算,将处理结果发送到控制电路,控制电路控制电磁离合器的结合和断开。该系统各模块组成闭环控制,能够合理的调节整个系统的工作,使发动机运行更加稳定,同时降低了发动机的燃油消耗率。 本论文刚开始讨论了发动机智能冷却系统的发展及其现状进行了说明，在现有智能冷却系统的基础上提出了发动机自适应水泵系统的概念。并且进一步设计了发动机自适应水泵系统的硬件和软件。制定