柴油发动机冷却水温控制系统的硬件设计毕业设计论文 精品.docx

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柴油发动机冷却水温控制系统的硬件设计毕业设计论文精品

毕业设计（论文）

题目：

柴油发动机冷却水温控制系统的硬件设计

系别信息工程系

专业名称电子信息工程

班级学号098205222

学生姓名谭政文

指导教师赵珂

二O一三年五月

学士学位论文原创性声明

本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。

对本文的研究成果作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

作者签名：

日期：

导师签名：

日期：

基于单片机的柴油发动机冷却水温控制系统

学生姓名：

谭政文班级：

0982052

指导老师：

赵珂

摘要：

随着能源日益紧张，人们对驾驶汽车的舒适性日益重视，有关发动机冷却水温的研究得到了越来越多科研机构的重视。

冷却水温与发动机的许多工作性能有着直接或间接的联系，如果冷却水温保持在最佳的温度范围内，不仅可以提高柴油机的动力性、减少废气的产生、还可以减少燃料消耗量、增强发动机工作平稳性。

如何来确定最佳冷却水温的范围，只有经过检测冷却水温对柴油机零件磨损、功率、工作噪声、排气质量、润滑油质量、使用寿命、工作粗暴性等的具体影响，然后通过比较数据分析得出最佳温度范围。

进行这些发动机性能测试实验的必备条件是有一个能检测并控制冷却水温在设定范围内的控制装置，研究并试制这样一个自动控制装置就是本课题的研究目的。

本课题以AT89552单片机为检测控制中心的自动控制器，通过温度传感器测量水温，继电器控制风扇的方式，达到降低冷却水温的目的。

控制器正面的4个按键可以进行温度范围的设定，4位数码管显示温度值。

如何将单片机应用到柴油发动机的自动控制领域，是当前柴油机自动化的焦点所在，本课题顺应了这种发展趋势，为柴油发动机冷却水温控制系统进一步深入研究创造条件。

关键词：

柴油机冷却系统温度控制数码管显示

指导老师签字：

DesignofDieselEngineCoolingWaterTemperatureControl

BasedOnsingleChipMicrocomputer

StudentName:

TanZhengWenClass:

0982052

Supervisor:

ZhaoKe

Abstract:

Alongwithenergycrisis,peoplepaymoreandmoreattentiontodrivingcomfort,researchabouttheenginecoolingwatertemperatureismoreandmoretheimportanceofscientificresearchinstitutions.Thereisadirectorindirectcontactmanyperformancethecoolingwaterandtheengine,ifthecoolingwatertemperaturemaintainedatoptimaltemperaturerange,cannotonlyenhancethepowerofdieselengine,reducetheexhaustgasproduced,stillcanreducefuelconsumption,enhancetheworkingstabilityoftheengine.Howtodeterminetheoptimalcoolingtemperaturerange,onlythroughthedetectionofcoolingwaterofdieselenginepartswear,power,noise,exhaustgasquality,lubricatingoilquality,servicelife,workingroughofthespecificeffects,andthencomparethedataanalysisoftheoptimumtemperaturerange.Thesearenecessaryconditionsforengineperformancetestisacandetectandcontrolthetemperatureofcoolingwaterinthecontroldeviceissetwithintherangeofresearchandtrialproduction,anautomaticcontroldeviceisthepurposeofthisresearchtopic.

AutomaticcontrollerforthissubjecttakesAT89552singlechipmicrocomputerasthecontrolcenter,throughthetemperaturesensorformeasuringwatertemperature,fanrelaycontrolmode,toreducethetemperatureofcoolingwaterforthepurposeof.The4buttoncontrollerpositivecanchangethetemperaturerange,the4digitaldisplaytemperaturecontroller.

Howwilltheautomaticcontrolfieldofthesinglechipcomputerisappliedtodieselengine,butalsothefocusofthecurrentdieselengineautomation,thispaperconformedtothistrend,thefurtherresearchtocreateconditionsforthedieselenginecoolingwatertemperaturecontrolsystem.

Keywords:

dieselenginecoolingsystemTemperaturecontroldigitaldisplay

SignatureofSupervisor:

1绪论

1.1本课题的研究背景和意义

在当今社会，人们对汽车的需求和依赖越来越强，汽车已是最重要的现代化交通工具。

汽车工业的发展，促进了其他各行各业的发展,带来了社会经济发展和繁荣，当今世界各个发达国家几乎无一例外地把汽车工业作为国民经济的支柱产业。

但是随着汽车业的发展，汽车也给社会带来一些不易解决的难题：

交通安全问题、能源危机和环境污染。

全世界6亿多辆汽车，每年需要10多亿吨燃油，超过了世界石油年产量的1/3，这些燃料燃烧后约生产0.6亿吨有害气体，严重污染环境。

为了节能和减少排气污染，必须不断改进现代的汽车发动机以提高性能。

汽车经过一百多年的发展，现已是集机械、电子一体化的高科技产品。

但是，现在的汽车仍存在很多不完善的地方，其各总成和部件还存在结构不合理的地方，其各系统设计和控制还存在不完善、不理想之处。

汽车发动机冷却系统就是其中之一。

对于发动机冷却系统，统计资料表明：

发动机冷却系统冷却过度和冷却不足都会造成发动机可靠性下降，零部件磨损加剧，热量不平衡等问题，影响发动机的动力性和经济性[1]。

但是，发动机冷却系统的最佳水温范围是多少呢？

有的资料认为：

许多车型的最佳温度是800C~900C，如果采用闭式冷却系统和采用防冻剂，则可逐步提高到1100C~1300C[2]。

而有的资料认为：

850C~950C最为适宜。

最佳温度范围到底是多少现在尚无定论[3]。

控制好发动机冷却液的温度，可以使发动机处于最佳工作状态，以提高发动机效率，改善燃油经济性，减少排气污染。

因此具有非常重要的应用价值和意义。

1.2国内外的发展与现状

发动机的历史已超过了100年，最早的汽车电动冷却风扇出现在1981年3月的美国专利文件中（专利号US4257554）[4]。

该专利首先提出了用电动冷却风扇取代皮带驱动的冷却风扇，根据发动机温度和负荷情况的不同，实现风扇的运转，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短了发动机的预热时间，减少传热损失。

然而该项专利技术由于没有采用护风罩，降低了风机的容积效率，同时引起风机总效率的降低，最终只能应用在热负荷比较小的轿车散热器上。

1985年，德国大众汽车公司在中国申请发明专利（专利号CN851095/A）。

该项专利在汽车散热器前方设置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。

但辅助通风口从下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土、杂物吸入，造成散热器脏污和堵塞，使散热器的散热效率降低。

1989年，美国发明专利（专利号US4875521）首次在载重汽车上采用电动冷却风扇，风扇布置在散热器中部，叶片直径较大，驱动功率也较大[5]。

1992年，美国发明专利“机动车发动机的通风系统”（专利号US526926）将电动冷却风扇布置在散热器前方，根据发动机温度的高低，冷热气阀可以交替开闭[6]。

1994年，台湾裕隆汽车公司申请专利（专利号94119819），提出了在冷却系统中装置可调转速电动水泵的设计。

以反馈控制水泵冷却液流量，其主要是根据水温、节气门位置、车速等的传感器所传给ECU（微处理器）的信号，以反馈控制的方式，调整电动水泵的转速，使得引擎水套中流动的冷却液流量能随着不同的驾驶状况而作调整，保持发动机的正常温度，以减少HC污染的排放。

纵观国内外汽车发动机冷却系统的发展，目前发动机冷却系统主要采用传统的机械控制。

在最新款的轿车上，其冷却系统有所改进，性能有所提高，但其改进也主要限于结构部件的改进，主要表现在以下几方面：

1、改善了风扇的性能，提高风扇风量。

2、改变散热器的尺寸，以使冷却系统的冷却强度与发动机匹配。

3、改善了电动水泵的转速，以反馈控制水泵冷却液流量。

4、国内外己进行汽车发动机冷却系统先进控制研究，但还没进入实际应用。

从发展看，冷却系统的零部件结构得到了不断改进，发动机的冷却效果得到了改善。

但是从整个冷却系统看，控制装置的控制效果很不精确，相互协调性较差，故发动机未在最佳温度下工作：

且当发动机冷却液温度变化时，控制装置的执行动作十分缓慢（即反应很慢），未能根据发动机工况所需的最适宜温度要求进行控制：

当外界气温比较低时，发动机不容易冷起动,且起动后暖机时间很长，诸如此类情况已不适应现代汽车技术的发展。

因此对发动机冷却系统采用理想的控制方法进行控制，以提高发动机效率、减少燃油浪费、降低排放污染、势在必行。

1.3本课题研究的主要内容

本课题研究的是基于单片机的柴油发动机冷却水温控制系统，以当前广泛使用在汽车上的柴油发动机冷却系统为研究对象，冷却水温为控制对象，对其进行测量和控制。

本课题目标是研制出具有温度测控功能的控制器，实现对冷却水温的测量和自动控制。

系统原理：

DS18B20传感器组成的温度测量电路，把测得数字信号输入AT89S52单片机中。

测得的温度值与预设的温度值进行比较，若高于设定的温度值则输出一个控制信号，发生警报并且使继电器闭合进而使风扇转动；若低于设定的温度值则不产生动作。

课题研究的几个关键性技术：

（1）温度值采集:

采用DS18B20温度传感器进行测量，将测得数字信号输入AT89S52单片机中。

（2）模块化设计：

控制系统整体采用模块化设计，如温度采集模块、数据显示模块、自动控制模块，这样便于扩展，适用性强。

自动控制模块中的继电器可以用于控制电控冷却风扇或者阀门、电控导风板等。

只要增加不同的控制装置，就可以有不同的用途。

2系统总体设计

2.1系统设计要求

设计并制作一个水温自动控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿。

水温上限可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本保持不变。

本课题综合了非电量检测技术与单片机控制技术。

1、温度设定范围为40至900C，最小区分度为10C，标准温差≤10C。

2、环境温度降低时（例如用电风扇降温）温度控制的静态误差≤10C。

3、用十进制数码显示水的实际温度。

4、采用适当的控制方式，当设定温度突变（由400C提高到600C）时，减少系统的调节时间和超调量。

5、温度控制的静态误差≤0.20C

2.2系统设计思路

根据系统的设计要求，需要能够设定温度值和测量水温以及控制继电器闭合使风扇运转来冷却水温，有以下2个方案：

方案一：

采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制温度，对于纯粹的水温控制，这是足够的。

但是附加显示、温度设定等功能，还要附加许多电路，稍显麻烦。

同样，使用逻辑电路也可实现控制功能，但总体的电路设计和制作比较烦琐。

方案二：

采用AT89S52单片机作为控制主板，同时完成温度采集、数据显示、按键设定、自动控制功能。

电路设计和制作比较简单，成本也低，是一种非常好的方案。

综上所述本设计采用方案二作为设计方案。

2.3系统设计框图

本系统基本框图如图1所示：

图1柴油发动机冷却水温控制系统硬件框图

整个系统的组成按功能可以分成以下几个部分:

控制主板,温度采集电路，复位电路,时钟电路，键盘显示电路，报警电路和自动控制电路。

本系统利用AT89S52单片机作为控制核心，键盘电路来设定温度值，显示电路利用数码管显示温度，报警电路对温度高于设定值的信号产生警报，通过单片机的反馈继电器是否闭合来带动风扇的运转达到降温的目的。

DS18B20温度传感器实现对温度的采集，然后把温度数字信号送入单片机进行处理。

单片机根据不同的输入信号分析处理,并将检测到的水温通过数字显示电路显示出来，进而与设定的温度值进行比较，如果超出设定值，立即启动报警系统，继电器闭合使风扇运转进行降温，如果正常，循环采集数据，即可实现发动机水温的自动检测。

3系统硬件设计

根据原理框图，检测器的功能是由以下几个模块实现的：

温度采集、数据显示和继电器控制模块。

采用温度传感器和单片机组成的温度测量系统，测量温度，并且用数码管显示所测温度，当温度超过设定温度值的时候，启动报警系统，实现环境温度的检测和报警。

其中AT89S52为核心控制器件，DS18B20为水温测量采集器件，共阳数码管为显示器件，蜂鸣器为输出报警器件，继电器为控制器件。

3.1单片机最小系统部分电路设计

图2单片机最小系统的结构图

单片机的最小系统是由电源、复位、晶振、/EA=1组成，下面介绍一下每一个组成部分。

1.电源引脚

Vcc　40　电源端GND　20　接地端

工作电压为5V，另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。

2.外接晶体引脚

XTAL1　19

XTAL2　18

图3晶振连接的内部、外部方式图

XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。

内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。

晶振的频率可以从1MHz-24MHz内选择。

电容取30PF左右。

系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。

引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

3.复位　RST9

在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。

复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。

当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。

复位是由外部的复位电路来实现的。

片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。

常用的复位电路如下图4所示：

图4常用复位电路图

3.1.1AT89S52单片机

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

图5单片机引脚图

3.1.2单片机各引脚功能

VCC:

电源GND:

地

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表1所示。

脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

表1AT89S52P1口第二功能表

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2所示。

脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT0（外部中断0）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器写选通）

表2AT89S52P3口第二功能表

RST:

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

PSEN:

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP:

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1:

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

3.2温度采集电路设计

1．一般说明

DS18B20是采用“1-wire”一线总线传输数据的集成温度传感器,信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线。

可采用外部电源供电，也可采用总线供电方式，此时，把VDD连接在一起作为数字电源。

因为每一个DS18B20有唯一的系列号（siliconserialnumber），因此多个DS18B20可以存在于同一条单线总线上，这允许在许多地方放置温度灵敏器件。

此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测，以及过程监视和控制中的温度检测。

2．特性

（1）独特的单线接口，只需一个引脚即可通信

（2）多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化

（3）不需要外部元器件

（4）可用数据线供电

图6DS18B20引脚排列

（5）在1秒内（典型值）把温度变换为数字

（6）用户可定义的，非易失性的温度告警设置

（7）告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）

3．引脚排列如图6。

DS18B20的引脚说明如表3：

4．内部结构

DS18B20内部结构如图7所示，主要由4部分组成：

64位ROM