內(nèi)燃機(jī)車百葉窗溫度控制器的設(shè)計

趙 磊，史經(jīng)科，王 寅，曾 潔

（大連交通大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，大連116000）

內(nèi)燃機(jī)車中柴油機(jī)是最重要的動力裝置，在內(nèi)燃機(jī)車正常運(yùn)作時，由于柴油的燃燒以及壓縮的空氣都會產(chǎn)生很大的熱量，因此會使很多部件和設(shè)備因為受熱而溫度過高。受熱部件的溫度太高就會有所損壞，從而影響機(jī)車的正常運(yùn)行，所以為了防止受熱部件溫度過高而影響其正常工作，必須及時有效地將這些多余的熱量散發(fā)出去。因此，冷卻水系統(tǒng)的作用，就是對需要及時散熱的機(jī)械和設(shè)備提供足夠的冷卻水進(jìn)行冷卻，以保證其在合適的溫度范圍內(nèi)安全、可靠地工作[1-4]。但冷卻水的溫度也會隨著吸收熱量的增多而升高，當(dāng)冷卻水溫也達(dá)到一定溫度時，便不能很好地將多余的熱量散發(fā)出去，所以需要實時監(jiān)測冷卻水的溫度。該款百葉窗溫度控制器的設(shè)計能夠?qū)崟r監(jiān)測冷卻水溫度，以及對內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻間的百葉窗進(jìn)行控制，使其能夠隨著柴油機(jī)冷卻水溫度的變化開啟或關(guān)閉。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計的主要功能是實時監(jiān)測柴油機(jī)冷卻水的溫度，以及在冷卻水溫度過高時能夠及時開啟內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻間的百葉窗，而當(dāng)冷卻水溫度下降到設(shè)定值時自動關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)冷卻間的百葉窗?？傮w設(shè)計思路：首先將機(jī)車上110 V 直流電接入百葉窗裝置；然后經(jīng)過降壓模塊將110 V 直流電壓降為系統(tǒng)所需要的直流8 V 和5 V 電壓，供系統(tǒng)正常工作使用；最后通過溫度傳感器將冷卻水溫信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)采集到溫度信息后進(jìn)行計算和比較，來控制電磁閥的動作使百葉窗開啟/關(guān)閉及數(shù)碼管溫度顯示[5-9]。設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 系統(tǒng)硬件部分

百葉窗溫度控制器按其功能可劃分為5 部分：電源部分、冷卻水溫檢測部分、微處理器部分、冷卻水溫度顯示部分、控制電磁閥執(zhí)行部分。

2.1 電源部分

電源部分將機(jī)車上的110 V 直流電源轉(zhuǎn)換為控制板上的工作電源[10-11]，機(jī)車上110 V 電首先經(jīng)過一個二極管、保險絲以及濾波電容，同時接入一個P6KE160CA 瞬變抑制二極管防止操作人員誤操作將電壓反接而導(dǎo)致MC110D08-15W 電源轉(zhuǎn)換模塊以及其他元器件燒壞。然后經(jīng)過MC110D08-15W 直流降壓模塊降到直流8 V 的VDD，再經(jīng)過電容濾波后輸入LM7805 穩(wěn)壓管降為直流5 V 的VCC，以供電路板單片機(jī)工作、溫度值顯示和電磁閥控制，電源轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換原理圖Fig.2 Schematic diagram of power conversion

2.2 柴油機(jī)冷卻水溫度信號檢測部分

將柴油機(jī)冷卻水的溫度信號通過PT1000 溫度傳感器轉(zhuǎn)變成電阻信號，送入百葉窗溫度控制器，百葉窗溫度控制器使用電橋法將該信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行采集。CPU將采集到的溫度信號經(jīng)過運(yùn)算和比較，進(jìn)行溫度值的顯示和百葉窗的開啟控制。其中RB4，RB5 連接微處理器的6，7 引腳。其電路原理如圖3所示。

圖3 溫度信號采集原理圖Fig.3 Schematic diagram of temperature signal acquisition

2.3 微處理器部分

本系統(tǒng)的微處理器采用了DSPIC30F4011 這款芯片，該芯片的最小系統(tǒng)原理如圖4所示。系統(tǒng)采用微處理器來控制溫度采集過程和數(shù)值顯示以及電磁閥開關(guān)動作，上電后處理器首先讀取溫度采集信號和電磁閥當(dāng)前狀態(tài)，并顯示于LED 數(shù)碼管上，同時隨電磁閥的動作切換顯示內(nèi)容。并且進(jìn)行溫度信號的運(yùn)算和比較[12]，完成其核心的溫度超限百葉窗開啟、溫度回落百葉窗關(guān)閉功能。

圖4 微處理器最小系統(tǒng)Fig.4 Microprocessor minimum system

2.4 柴油機(jī)冷卻水溫度顯示部分

為了便于使用人員判斷或檢修，該百葉窗溫度控制器增加了百葉窗開啟/關(guān)閉動作值的顯示功能。通過按下設(shè)定值顯示按鈕，LED 顯示器可顯示高、低溫百葉窗開啟的動作值，松開該按鈕則正常顯示高、低水溫度值。

高、低水溫度值的顯示是通過百葉窗溫度控制器將采集到的溫度信號經(jīng)過計算比較后控制LED數(shù)碼管進(jìn)行溫度值的顯示，同時還通過發(fā)光指示燈指示出當(dāng)前百葉窗開啟或關(guān)閉的狀態(tài)。

2.5 控制電磁閥動作執(zhí)行部分

當(dāng)百葉窗溫度控制器采集到的溫度值達(dá)到或超過百葉窗開啟的設(shè)定值后，微處理器給出開關(guān)量信號，使繼電器常開端閉合，從而驅(qū)動電磁閥開啟百葉窗；當(dāng)百葉窗溫度控制器采集到的溫度值降到百葉窗開啟的設(shè)定值以下時，微處理器給出開關(guān)量信號，電磁閥停止動作，使百葉窗關(guān)閉。圖中有兩路控制電路，其中RF4 控制高溫側(cè)百葉窗，RF5控制低溫側(cè)百葉窗。電磁閥工作電路原理如圖5所示。

圖5 電磁閥電路原理圖Fig.5 Solenoid valve circuit schematic diagram

3 系統(tǒng)軟件部分

本系統(tǒng)采用MPLAB IDE 編程環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境使用內(nèi)部編輯器創(chuàng)建和編輯源代碼，可在線調(diào)試程序，在觀察窗口觀測變量，調(diào)試完成可使用MPLAB IDE2 編程器對單片機(jī)進(jìn)行程序燒寫。系統(tǒng)主程序主要包含模塊初始化子程序、溫度采集子程序、數(shù)據(jù)計算比較子程序、電磁閥控制子程序等。該部分是整個系統(tǒng)的核心，可以實時進(jìn)行溫度采集、計算和比較，并控制電磁閥的開關(guān)動作，以及開關(guān)狀態(tài)和溫度值的顯示[13-15]。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件工作流程Fig.6 Software flow chart

4 實物測試

4.1 手動控制測試

手動控制的作用是為了保證自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時候能夠手動控制百葉窗的開啟、關(guān)閉，按鍵示意圖如圖7所示。

圖7 手動控制按鍵示意圖Fig.7 Schematic diagram of manual control keys

按住“設(shè)定值”按鈕，LED 顯示高、低溫設(shè)定值（76 ℃，54 ℃）；松開“設(shè)定值”按鈕，LED 顯示高、低溫的當(dāng)前值；按下“高溫”或“低溫”按鈕切換到手動模式，電磁閥接通110 V 電壓，使百葉窗開啟。

低溫顯示值：松開“低溫”按鈕，LED 顯示低溫的當(dāng)前值，與PT1000 的對應(yīng)表一致。

高溫顯示值：松開“高溫”按鈕，LED 顯示高溫的當(dāng)前值，與PT1000 的對應(yīng)表一致。

低溫設(shè)定值：按住“低溫”按鈕，LED 同時顯示低溫百葉窗動作的設(shè)定值，與需要的一致（54 ℃）。

高溫設(shè)定值：按住“高溫”按鈕，LED 同時顯示高溫百葉窗動作的設(shè)定值，與需要的一致（76 ℃）。

上文所做的測試說明各個按鍵功能完善，能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的動作和切換功能。

4.2 實物測量精度調(diào)試

結(jié)束手動控制測試后恢復(fù)按鈕為自動位置，自動測試時我們需采用2 個電阻箱來代替高、低溫傳感器，通過調(diào)整電阻值的大小模擬冷卻水高、低溫側(cè)的實時溫度變化，觀察顯示溫度大致符合溫度傳感器的溫度與阻值對照表[16]，如表1所示。其中當(dāng)溫度達(dá)到76 ℃時阻值表和顯示溫度會有一定的誤差，通過調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部電位器使得阻值與溫度顯示對應(yīng)，使得系統(tǒng)滿足設(shè)計初衷。同時觀察到實際測量電阻值代表的溫度變化到達(dá)臨界點時百葉窗能夠及時動作，其中實物示意圖如圖8所示。

圖8 實物示意圖Fig.8 Physical schematic diagram

表1 PT1000 溫度與阻值對照Tab.1 Comparison of PT1000 temperature and resistance value

通過觀測電阻值對應(yīng)的溫度顯示可以確定系統(tǒng)的正常運(yùn)行，高、低溫側(cè)百葉窗的動作也滿足系統(tǒng)設(shè)計預(yù)期。自動模式下能夠直觀地顯示當(dāng)前柴油機(jī)冷卻水高、低側(cè)溫度，同時百葉窗的開啟、關(guān)閉動作能隨著溫度的變化自動運(yùn)行。加入了自動/手動切換按鈕控制百葉窗的動作，能夠滿足不同狀況下對冷卻間百葉窗的開啟和關(guān)閉，進(jìn)而防止柴油機(jī)冷卻水溫度過高而造成部件損壞。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于DSPIC30F4011數(shù)據(jù)采集和計算的百葉窗溫度控制器，本系統(tǒng)包括了電源轉(zhuǎn)換電路、冷卻水溫度檢測、溫度及動作顯示、電磁閥控制等部分。通過比較計算溫度信號，該系統(tǒng)能及時的自動控制百葉窗的開啟/關(guān)閉，同時加入了手動控制部分，能夠滿足不同工況的需求。具有穩(wěn)定運(yùn)行、響應(yīng)迅速、顯示直觀等優(yōu)點，大大避免了由于冷卻水溫度過高帶來的部件損壞等問題。