基于MC9S12單片機的汽車發(fā)動機智能冷卻泵控制系統(tǒng)設計*

文 凱，張 穎，朱 昊※，王華生，楊佩琦，劉 藝

（1.南京工程學院信息與通信工程學院，南京 211167；2.鹽城海納汽車零部件有限公司，江蘇鹽城 224100）

0 引言

現(xiàn)代汽車發(fā)動機的工作性能與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)息息相關。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)用來實現(xiàn)水泵中冷卻液在系統(tǒng)中的循環(huán)，將發(fā)動機工作過程中產生的熱量吸收散發(fā)至外界環(huán)境，使得發(fā)動機的工作環(huán)境溫度始終保持在合適的范圍內[1]。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作時，散熱量的控制和冷卻效率的提高，一直以來都是相關領域的研究熱點[2]。汽車的發(fā)動機冷卻水泵工作環(huán)境惡劣，空間極其受限，其冷卻性能直接影響汽車發(fā)動機的使用價值與使用壽命。傳統(tǒng)的發(fā)動機冷卻水泵通過發(fā)動機轉速來調控水泵的流量，而不是通過對發(fā)動機內溫度狀態(tài)的變化來調控，因此對散熱的控制不精確，而且增加了發(fā)動機的損耗。因此，研制汽車發(fā)動機智能冷卻泵控制系統(tǒng)，提高冷卻泵控制精度、冷卻效率，從而實現(xiàn)能源節(jié)約。

1 控制系統(tǒng)總體設計方案

1.1 系統(tǒng)整體設計

本控制系統(tǒng)的硬件部分由控制器MC9S12XEQ512、各類傳感器、發(fā)動機電風扇、水泵驅動等模塊組成。系統(tǒng)的總體架構設計如圖1所示。水泵常見故障包括壓力不足、堵塞、斷軸、葉片損壞等[3]。本系統(tǒng)針對汽車發(fā)動機冷卻泵的工作特點，選擇各類傳感器監(jiān)控水泵工作狀態(tài)。流量傳感器用于監(jiān)測冷卻液流動狀態(tài)，通過A/D 轉換后將數(shù)字信號傳至控制器，判斷是否發(fā)生扇葉損壞、冷卻回路堵塞等問題；轉速傳感器輸入為磁感應強度，輸出數(shù)字信號，通過感應周圍是否存在磁場來控制輸出的電平，主要監(jiān)測水泵主軸的工作狀態(tài)，判斷是否發(fā)生堵轉、斷軸等問題；溫度傳感器監(jiān)測發(fā)動機內的冷卻液溫度。工作過程中，當溫度傳感器檢測到發(fā)動機內的冷卻液溫度變化范圍超過一定限度，通過A/D 轉換后將數(shù)字信號傳至MCU，MCU根據(jù)寫入的程序對數(shù)字信號進行處理然后發(fā)出相應指令[4]。此后，通過脈沖寬度調制改變輸出的平均電壓調節(jié)水泵的正轉反轉和轉速變化以及風扇的開關與轉速變化，進而間接控制發(fā)動機冷卻系統(tǒng)內部循環(huán)的冷卻液溫度，使發(fā)動機處在合適溫度工作。工作過程中，若發(fā)生扇葉損害等故障問題使傳感器檢測到風扇轉速或液體流速異常，MCU將故障信號通過CAN總線傳至ECU。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 核心控制模塊

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 芯片選型

本文設計的發(fā)動機智能冷卻泵控制系統(tǒng)以飛思卡爾公司的MC9S12XEQ512 單片機為控制核心，該芯片是飛思卡爾公司推出的汽車專用控制芯片，片上自帶內存保護單元（MPU）、糾錯代碼（ECC）和增強的EEPROM 功能（EEE）、增強的XGATE等。MC9S12XE系列具有16位單片機所有優(yōu)點和效率，又提供了32位的性能，對所有的外設和內存使用16位寬訪問且沒有等待狀態(tài)。MC9S12XE 系列由標準的片上外圍設備組成，包括64 kb 的RAM、2 個16 通道12 位模數(shù)轉換器、8 通道IC/OC 增強型捕獲定時器（ECT）等，具有擴展性強、可靠性高、功耗低的優(yōu)勢且價格更加低廉。

2.2 器件選型

本系統(tǒng)通過溫度傳感器DS18B20 測量冷卻系統(tǒng)工作過程中的冷卻液溫度[5]。DS18B20 只有3 個引腳，控制器可以直接驅動，結構和供電方式靈活簡單，僅需一條口線即可與控制器進行雙向通訊，且此型號的傳感器抗干擾能力優(yōu)秀、實用性強。DS18B20 測量的溫度范圍為-55～125 ℃，固有測溫誤差為1 ℃，工作電源范圍為3.0～5.5 V，此類型傳感器廣泛應用于軸瓦、汽車空調等設備。

本系統(tǒng)中的轉速傳感器型號為3144E。該傳感器的輸入為磁感應強度，輸出數(shù)字信號且通過CAN 總線反饋給ECU。傳感器通過感應周圍是否存在磁場來控制輸出的電平，用于判斷水泵主軸工作狀態(tài)是否正常。其工作電壓為3.3～5.0 V。該傳感器的優(yōu)點在于響應速度快、準確度高、可靠性好且體積較小，特別適合水泵的工作環(huán)境。

本系統(tǒng)中的流量傳感器型號為LWGY。該傳感器輸出信號多樣，包括脈沖信號、4～20 mA 模擬信號以及485 信號。輸出信號經CAN總線傳輸至MCU，MCU根據(jù)傳感器輸出信號經計算得出液體流量數(shù)據(jù)。該傳感器具有精確度高、重復性好、輸出信號種類多等優(yōu)點，適合水泵中冷卻液流量的測量。

2.3 電路原理及功能

2.3.1 核心控制模塊

圖2所示為核心控制模塊，本模塊包含了MC9S12XEQ512單片機、晶振電路、電源接口以及復位按鍵等電路。

2.3.2 電源模塊

圖3 所示為電源電路模塊，本模塊兼容12 V 和24 V 的電源輸入。模塊中選用了LM2576 芯片，可將7～35 V電源電壓轉換為5 V電源電壓。12 V電源經保險絲F11和二極管D11進入電源芯片。F11 為1 A 的保險絲用于保護電路。D11 用于防止用戶插反電源損害電路。R2、R3將電源電壓分壓后接入單片機AD口，用來對電源電壓進行檢測。電路中的電容起到穩(wěn)壓、濾波作用。

圖3 電源模塊

2.3.3 直流電機驅動模塊

圖4 所示為直流電機驅動模塊，電路選用N 溝道的MOS管IRF1010 作為驅動器件，使用IR2103 芯片驅動H 橋，實現(xiàn)對電機的正反轉和轉動速率的連續(xù)調節(jié)[6]。

H 橋由 4 個 MOS 管構成。工作時，令 Q74 和 Q71 導通，Q73和Q72關閉斷開，則電流從VBAT進入系統(tǒng)，從motor+流至motor-再回到GND，實現(xiàn)電機正向轉動。令Q73 和Q72 導通，Q74和Q71關閉斷開，則電流從VBAT流入，經motor-流至motor+再回到GND，電機反向轉動。通過使用PWM波來操控MOS管，在使用過程中調制PWM波占空比，進而改變電機的轉速。在H 橋的驅動中還要注意在H 橋同臂的上管和下管（圖4中的Q71和Q73）不能同時導通。

圖4 直流電機驅動模塊

IR2103 是專用驅動芯片，芯片輸入信號是HIN 和LIN，輸出信號是HO 和LO。當輸入信號HIN 和LIN 的電壓值不同時，HO、LO輸出低電平。當輸入信號HIN和LIN的電壓值相同時，HO、LO輸出電平的高低相反。其中，輸入均為高電平時，輸出信號HO 為高電平；輸入均為低電平時，輸出信號HO為低電平。

2.3.4 CAN總線模塊

圖5 所示為CAN 總線模塊，本模塊中有兩個CAN 總線接口，選用了TJA1050芯片，通過使用5 V電源進行供電，該芯片與芯片內的CAN模塊相連，實現(xiàn)了CAN的通信功能。

圖5 CAN總線驅動模塊

2.3.5 按鍵與LED燈模塊

圖6 按鍵與LED模塊

圖6所示為按鍵與LED燈模塊，該電路中有4個獨立LED和四路獨立按鍵。4 個獨立LED 由MC9S12 的I/O 口直接控制，工作過程中，電路采用I/O口灌電流方式驅動LED，不需要驅動便可以點亮LED。引腳輸電平為高時，LED 熄滅。模塊中有四路獨立按鍵輸入，按鍵沒有按下，由于電阻R39、R310、R311、R312作用CPU檢測到的引腳為高電平，按鍵按下后CPU檢測到的引腳為低電平。

2.4 布局布線注意事項

進行PCB 設計時，在布局布線方面需要注意多方面因素[7]。要盡量做到簡潔、均衡、疏密有序和美觀，總體布局前應先確定大致尺寸，再根據(jù)工作特性劃分元器件，篩選出特殊的元器件，以便在布局時優(yōu)先考慮其具體位置。例如，考慮到散熱問題時，應將高熱元器件均衡分布在PCB 板上且與熱敏元器件保持一定距離；對于布局過程存在的相關可調元件，在布局前需考慮此類元件的使用需求。布線前要先在即將繪制的區(qū)域繪制禁止布線層，設置好相關參數(shù)，如線寬、線間距、焊盤大小。布線時，布線的方向為水平或垂直，有垂直轉水平要用走45h斜線或圓弧過渡，走線要整齊有序，分門別類地集中排序，避免信號間的相互干擾也便于檢查修改，盡量加大地線電源線的寬度。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分由C 語言編程實現(xiàn)。軟件總體結構采用通用的模塊化設計方法[8]，由主程序、水泵驅動程序、風扇驅動程序、轉速采集程序、流量采集程序、溫度采集程序、LCD顯示程序、PWM脈沖調制程序等模塊組成。

系統(tǒng)軟件控制流程如圖7 所示，在實現(xiàn)冷卻液溫度的控制過程中，傳感器先將采集的溫度、水泵轉速以及冷卻液流速信息通過CAN總線傳至MCU計算出實際溫度。MCU提前設定好了4個溫度范圍，依據(jù)實際溫度所處的范圍調整風扇轉速與水泵轉速。例如，當測得冷卻液溫度大于或等于90 ℃時，風扇和水泵全速轉動對冷卻液降溫；當溫度小于90 ℃且大于或等于70 ℃時，風扇和水泵中速轉動對冷卻液降溫；當溫度小于70 ℃且大于或等于50 ℃時，風扇和水泵低速轉動對冷卻液降溫；當溫度小于45 ℃時，風扇和水泵停止轉動。風扇與水泵轉速調整后，MCU 通過流速傳感器監(jiān)測冷卻液流動狀態(tài)，判斷是否發(fā)生扇葉損壞、冷卻回路堵塞等問題；通過轉速傳感器監(jiān)測水泵主軸的工作狀態(tài)，判斷是否發(fā)生堵轉、斷軸等問題。若流速異?；蜣D速異常，則通過CAN總線將異常信息發(fā)送給ECU。

圖7 系統(tǒng)控制流程

4 結束語

為克服傳統(tǒng)汽車發(fā)動機冷卻水泵無法自適應控制冷卻液流量、冷卻效率不高、燃料利用率低等問題，本文設計了一種發(fā)動機智能冷卻水泵控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以MC9S12XEQ512單片機為控制核心，接受水泵內各類傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)寫入的程序，計算得出的水泵環(huán)境數(shù)據(jù)與設定好閾值比較，根據(jù)比較結果調節(jié)水泵與風扇轉速，實現(xiàn)對冷卻水泵的智能控制，提高冷卻水泵控制精度與冷卻效率。