工程机械冷却系统智能控制

万方数据
３．４．２ 电动机驱动 单 片 机 ８ ９Ｃ５１的 ｖｏ口Ｐｌ．２ 输出高低电
平，控制功率开关继电器。本系统选用了 ＸＳＳＲ 一Ｄ４８１０型号的固态继电器。该继电器额定输人
电压为 ３－ ３２Ｖ，输出电压为 ７５－ ４ ５０Ｖ，最大切换
４ 智能控制系统软件设计
４．１ 主程序模块 主程 序 模 块的主要功能是完成定义字节、系统
初始化、协调微控单元各组成部分有效工作等任务。 其中系统初始化完成了指定堆栈指针（ＳＰ）初值，对
内部 ＲＡＭ清零，设定叭，几的工作方式及定时计数 初值，开中断，指定数据存储单元的初值等任务。主 程序模块的主流程图如图７所示：
｝设置 堆 栈指 标 ｝
清标志位及暂存单元
初始化ＴＯ，Ｔ １
Ａｂ ｓｔｒ ａｃ ｔ：Ｔｈｉｓａ ｒｔｉｃｌｅｉ ｓａ ｂｏｕｔｉｎ ｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃ ｏｎｔｒｏｌｓ ｙｓｔｅｍ ｏｆｃ ｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍ ａｃｈｉｎｅｒｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ａｎｄｈ ｙｄｒａｕｌｉｃｓｃ ｏａｌｉｔｉｏｎｄ ｒｉｖｉｎｇｃ ｏｏｌｉｎｇｓ ｙｓｔｅｍ．Ａ ｎｄａ ｒｔｉｃｌｅｉ ｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈ ｅｃ ｏｍｐｏｎｅｎｔ，ｔｈ ｅｗ ｏｒｄｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｓ ｏｆｔｗａｒｅｄ ｅｓｉｇｎ，ｈ ａｒｄｗａｒｅｄ ｅｓｉｇｎｏ ｆｔｈ ｅｉ ｎｔｅｌｉｇｅｎｔｃ ｏｎｔｒｏｌｓｙ ｓｔｅｍ．
参考文献 ：
［１］张铁柱等，内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技
术研 Байду номын сангаас ． 内燃机学报 ，２００２，３
［２］翟丽等．汽车发动机冷却系统的智能控制．汽车电器，
２００ １ ，１ ．
［３］李朝青编著．单片机原理及接 口技术．北京航空航天 大学 出 版 社，２０００
［４］郭新民等．汽车发动机智能冷却系统的研究．内燃机 工程 ，２０ ０１，１．
图 １ 智能控制原理图
３ 智能控制系统硬件设计
０．１ｗ Ｆ
３．１ 微控单元的选择 智能 控 制 系统微处理器选用了高档 ８位单片
机 ８９Ｃ５１，它是 ８０Ｃ５１微 控制器 系列 的派生。 ８９Ｃ５１具有 ４个 ８位 １／０接 口，扩展性能好 ；抗噪 声干扰强，运行温度范围宽（一４０℃ 一＋８５９０）， 允许 电源波动范围大 （５Ｖ１２０％），可靠性高；采 用 ＣＭＯｓ制造工艺，不采用扩展存贮器即可满足 系统需要，功耗低、成本低廉。 ３．２ 信号采集放大电路的设计
调节驱动油路中的油压，改变风扇和水泵的转 速，实现风扇和水泵的无级变速。在液压油冷却 系统中，采集来的油温信号经过处理后，经 Ａ／Ｄ 转换后送人单片机 ８９Ｃ５１。这些信号经过 ８９Ｃ５１
分析处理后，直接通过 ＰＩ．２ 口输出的高低电平
来控制继电器的开闭，从而控制风扇电机的工作
状态。这样就实现了发动机和液压油冷却系统 随着 自身的散热要求 自动调节散热强度，从而避 免出现过热现象。
Ｋｅ ｙ Ｗ ｏ ｒｄｓ：ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭ ａｃｈｉｎｅｒｙ；ＣｏｏｌｉｎｇＳ ｙｓｔｅｍ；Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ；ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣ ｏｎｔｒｏｌ
１ 概述
工程 机 械 一般长期低速高负荷工作在高温、 粉尘的恶劣环境中，经常出现发动机过热和液压 油温度过 高 的现象 ，导 致 工程 机 械 不能 正常工 作，从而影响正常的施工和工程进度。产生这些 现象的主要原因是：传统工程机械的冷却风扇由 发动机曲轴以定传动比驱动，且发动机散热器和 液压油散热器并排安装。为了解决上述问题，工 程机械可采用电液 比例控制液力驱动冷却系统 对发动机进行冷却，对液压系统采用电动冷却风 扇进行冷却。为了使工程机械的冷却系统能够 随着发动机和液压油的散热要求 自动调节，且使 发动机和液压油始终工作在最佳工作温度范围 内，该冷却系统采用了单片机对该冷却系统进行
２００５年第 １期（总第 ８５期 ）
山东内燃机 ＳＨＡＮＤＯＮＧＩ ．Ｃ ．Ｅ ．
２００５年 ２月
【电控技术】
工程 机 械 发 动 机 及 液压系统的冷却系统的智能控制
孟 建 ，郭 新 民 ，傅 旭 光 ， 刘 永进 （山东农业大学机械与电子工程学院，山东，泰安 ２７１０１８）
摘 要 ：本 文介绍了工程机械电液混和驱动冷却 系统的智能控制 系统的组成、工作原理、软 件设计、硬件设计等。
开中断
循环采样
数据处理
图７ 主程序流程框图
万方数据
４．２ Ｔｏ中断服务模块
山东 内燃机
２００５年 ２月
度变化较慢，故定时器定时时间为 １５ｓｏ
图 ８ 中 断 服 务 程 序 流 程 图
定时 器 Ｔ 。中断是一个执行程序，主要是完成
对发动机冷却系统温度 的采样、滤波、Ｄ／Ａ转换 、 求当前温度、并判断测量温度超出上下限温度值 与否、并送 Ｄ／Ａ输出驱动等任务。为了实现上下 限控制 ，在软件 中设置 了标志位 ，用 以判断当前 风扇是否处于工作状态。如果测量温度高于上 限温度，或者测量温度低于上限温度且标志位不
Ｍｅ ｎｇ Ｊ ｉａ ｎ， Ｇ ｕｏ Ｘ ｉｎｍ ｉ ｎ， Ｆ ｕ ｘ ｕｇ ｕａ ｎｇ ， Ｌ ｉｕｙ ｏｎｇｉｉｎ
（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥ ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣ ｏｌｌｅｇｅ，Ｓ ｈａｎｄｏｎｇＡ 幼ｃｕｌｔｕｒａｌＵ ｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉ一ａｎ２ ７１０１８）
图 ５电 磁 阀 驱 动 电 路
３．３． ２ Ｄ／Ａ转换及接 口电路
电流为 １０Ａ。液压冷却系统中风扇的驱动框图如
单 片 机 输 出的控制信号需要经过Ｄ／Ａ转换， 图 ６所示 ：
变为电流信号来驱动电磁阀的移动。本系统中 Ｄ／Ａ转换器选用 了 ＤＡＣ０８３２。 Ｄ ＡＣ０８３２的转换 精度为 １／２Ｉ ＳＢ；线性度误差不超过 １１ ／２ＩＳＢｏ
统中，由信号采集电路采集的发动机水温信号经 过处理后送人 Ａ／Ｄ转换器中 ＩＮＯ信号通道，由转 换器把采集来的模拟信号转换为数字信号并读 人单片机 ８９Ｃ５１。这些信号经过 ８９Ｃ５１的分析处 理后输出控制信号，控制信号经过 Ｄ／Ａ转换器转 换成电流模拟信号 ，电流信号经过驱动电路放大
后来控制电磁比例阀移动量（调节溢流量），从而
等任务，上下限控制同上。定时器 Ｔ，中断服务程 序流程框图如图９所示。因为液压冷却系统的温
图９ Ｔ．中断服务程序流程图
５ 结论
工程 机 械 冷却系统单片机控制系统实现了 工程机械发动机和液压系统散热能力的智能化。 控制系统使发动机冷却系统的散热能力随着发 动机的散热要求而变化，使发动机始终工作在最 佳工作温度范 围 内，避 免 了发动机 出现过 热现 象 ，从而提高了筑路机械 的工作效率 ，节能降耗 ， 加快筑路进度 ，保证筑路质量。在液压油冷却系 统中能够使液压油工作在最佳工作温度范围。
液压油进行冷却，其电源由发电机提供；微控单
元是利用 ８９Ｃ５１开发的单片机控制系统。
作者简介：孟建（１９７９一 ），男 ，山东滕州人，硕士，主要研究方向为发动机冷却能力智能控制。 收稿 日期：２００４－０９一１０
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２００５年 ２月
２．２ 系统的工作原理 系统 工 作 原理如图 １所示：在发动机冷却系
为０，风扇工作；如果测量温度低于下限温度，或 者测量温度高于下限温度而标志位为 ０，则风扇 停止工作。风扇系统中断服务程序流程框图如 图８所示。因为发动机冷却系统中冷却液温度变 化较快 ，故定时器定时时间为 ０．２ｓ，，
４．３ Ｔ，中断服务模块
定 时 器 Ｔ ，中断也是一个执行程序，它完成的
是对液压系统的冷却 系统温度采样及数据处理 ， 判断温度是否超出上下限温度值 ，并由 １／０口输 出高低电平控制继电器开闭以控制风扇的起停
因为 温 度 传感器采集的温度信号较弱，不能 直接进行模数转换 ，需要对模拟电信号进行放大 处理。放大电路采用低漂移、低噪声的运算放大 器 ＯＰ０７。放大后的模拟信号经电容器滤波后输 人至 Ａ／Ｄ转换模块中 ＡＤＣ０８０９的 ＩＮＯ通道，再 由Ａ／Ｄ转换器输人到单片机 ８９Ｃ５１中。信号采 集放大电路如图２所示：
关键词：工程机械；冷却系统；单片机；智能控制 中国分类号：ＴＰ２７ 文献标识码：Ａ 文章编码：１６７１－ ２ ４７１（２ ００５） ０１ － ０ ０１７－ ０ ４
Ｉｎｔ ｅｌｌ ｉｇｅ ｎｔ Ｃ ｏｏｌｉｎｇＳ ｙｓｔｅｍ ｆｏｒｔ ｈｅＤ ｉｅｓｅｌａ ｎｄＨ ｙｄｒａｕｌｉｃＳ ｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｏ ｎｓ ｔｒｕ ｃｔ ｉｏｎ Ｍ ａ ｃｈ ｉｎｅ ｒｙ
图２ 信 号采 集 放 大 电 路
３．３ Ａ／Ｄ转换和Ｄ／Ａ转换电路 ３．３．１ Ａ／Ｄ转换及接口电路
本智 能 控 制系统的测量对象是连续变化的 模拟量温度，输人的模拟信号需要经过 Ａ／Ｄ转换 后才能送给单片机 ８９Ｃ５１。系统的 Ａ／Ｄ转换器 选用了 ＡＤＣ０８０９ｏ Ａ ＤＣ０８０９是八位逐位逼近式
ＤＡＣ０８３２的硬件接 口电路如图４所示 ：
１／０口输 出
闷﹄
ｊ ．
卜
１ 门
－ － １ －
！ ！ 了０
继电器 卜一｛发电机
Ｌ州液压系统风扇电机
风扇驱动框图
Ｖｏｕｔ
０
图４ Ｄ ＡＣ ０８ ３２ 转换 接 口 电 路
３．４ 系统驱动电路的设计 ３．４．１ 电液比例阀的驱动电路
Ｄ／ Ａ转 换 后 的输 出电流还不足以驱动电磁 比例阀，因此必须对 Ｄ／Ａ转换后模拟量进行功率 放大，为电磁阀提供连续变化的驱动电流从而改 变电磁阀的溢流量，使液压系统产生连续变化的 压力来驱动液压马达，实现风扇和水泵的无级变 速。系统驱动电路选用达林顿管 ＴＩＰ１４２构成电 流驱动器。驱动电路设计如图５所示：
Ａ／Ｄ转换器，它有以下特点：不需要进行零点校
准；满刻度校准；转换时间为１００ｐ。 Ａ／Ｄ转换的
硬件接 口电路设计如图 ３所示 ：
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２００５年第 １期
孟建 ，等：工程机械发动机及液压系统的冷却系统的智能控制
模拟数据输人
ｔｏ
＋２４Ｖ
川西 、
图 ３ ＡＤ Ｃ０ ８０ ９ 接 口电 路
控制。本文主要介绍了此冷却系统的单片机控
制部分。
２ 智能控制系统的组成和工作原理
２．１ 智能控制系统的组成
该系 统 由 微控单元、信号采集电路、Ａ／Ｄ转
换电路 、Ｄ／Ａ转换 电路 、继 电器、驱动 电路 、电磁 比例阀、电控冷却风扇等组成。采用电液 比例控 制液力驱动冷却系统对发动机进行冷却，发动机 带动油泵泵油来驱动风扇和水泵转动，通过电磁 比例阀的溢流量大小 的变化来 改变风扇和水泵 的转速；在液压油冷却系统中，采用电动风扇对