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行設(shè)計[1]。冷卻液作為汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，它在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動將發(fā)動機中產(chǎn)生的多余熱能帶走，使發(fā)動機能以正常工作溫度運轉(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)動機散熱效果影響至關(guān)重要[2]。單片機技術(shù)的普及促進了汽車智能化[3]，把此項技術(shù)應(yīng)用在冷卻系統(tǒng)信號采集，可以有效、自動地控制散熱強度，還可以提醒用戶當(dāng)前冷卻系統(tǒng)的狀況，以便及時保養(yǎng)與維修。文章采用單片機控制技術(shù)設(shè)計了一種汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的智能化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時監(jiān)測汽車?yán)鋮s液溫度、補償水箱中冷卻液余量以及及時顯示使用的冷卻液質(zhì)量狀況等參數(shù)，具有很好的實用價值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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、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)量與散熱強度，文章分別對各系統(tǒng)硬件進行介紹。

1.1 單片機控制模塊

單片機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)進行實時的智能化監(jiān)測，對冷卻系統(tǒng)進行預(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設(shè)計工作的重點，其溫度傳感器采集的溫度信號是單片機系統(tǒng)完成控制工作的重要判斷依據(jù)[5]。同時主程序中采取間隔采樣的方法獲取并計算行車時間段內(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 步進電機驅(qū)動模塊

步進電機驅(qū)動模塊主要是由1個L298N電機驅(qū)動芯片、8個續(xù)流二極管組成的續(xù)流電路和1個三端穩(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個引腳，在本設(shè)計中只用它驅(qū)動1個直流電機（這里只使用 IN3，IN4 和 ENB），IN3，IN4，ENB分別接到單片機P2.1，P2.2，P2.3端口上，實際上它的輸出也只用到OUT3和OUT4。當(dāng)單片機給ENB一個高電平信號輸入時，IN3和IN4變?yōu)橛行顟B(tài)，即EN為1時，IN3為0，IN4為0，直流電機就是制動狀態(tài)；當(dāng)IN3=1，IN4=0 時，電機正轉(zhuǎn)；當(dāng) IN3=0，IN4=1 時，電機反轉(zhuǎn)；當(dāng)IN3和IN4都為1時，電機處于制動狀態(tài)（快速停止）。

圖3 L298N與單片機連接圖

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電流/頻率轉(zhuǎn)換器。通過不同的引腳組合可以實現(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[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

系統(tǒng)硬件搭建完畢，要進行系統(tǒng)算法程序設(shè)計。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)行機構(gòu)步進電機去執(zhí)行和動作，而高度和顏色信息通過OLED顯示屏進行有效的顯示。

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，編寫了初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、各傳感器及電機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)動機冷卻液監(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)定動作，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

3 結(jié)論

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

2）系統(tǒng)可根據(jù)冷卻液溫度控制散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)冷啟動時減小散熱，負荷工作時加強散熱，過熱時加大散熱強度等功能。

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