嵌入式液壓油溫控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

吳 通

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底 417000）

0 引言

液壓油溫關(guān)系到液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定、元器件的壽命。油溫過高，加速油液氧化變質(zhì)，加速污染，使油的粘性和潤滑性降低，增加縫隙間泄漏等等。一般將油溫保持在30℃～50℃，最高不超過60℃，溫度過高時，需要冷卻油液。當(dāng)液壓系統(tǒng)在寒冷地帶工作，溫度過低，油液粘度大，系統(tǒng)阻力大，系統(tǒng)啟動困難，當(dāng)?shù)陀?5℃，這時油液需要加熱。對于油溫的測量，為了簡化硬件，設(shè)計采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。在開發(fā)過程中，使用KEIL C51 編寫C 語言、使用Proteus 對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，當(dāng)仿真達(dá)到一定效果后，做出PCB 板配合液壓系統(tǒng)調(diào)試。Proteus 仿真縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)費用。

1 油溫控制系統(tǒng)的原理及組成

本系統(tǒng)由電子電氣部分和機(jī)械液壓部分組成電子電氣系統(tǒng)，采用AT89S52 作為核心處理單元，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20 測量油液溫度，溫度實時顯示，測量值與用戶設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)測量值大于設(shè)定值時，單片機(jī)發(fā)出信號，打開冷水電磁閥，讓冷水進(jìn)入水冷卻器，冷卻循環(huán)泵把油箱里的熱油送到冷卻器進(jìn)行冷卻，從而達(dá)到降低溫度的目的，當(dāng)溫度降低到設(shè)定溫度以下1℃，冷水電磁閥關(guān)閉，冷卻循環(huán)泵關(guān)閉，停止冷卻。若冷卻設(shè)備熱交換充裕，系統(tǒng)溫度T 保持在以下范圍：[t-1,t]℃（t 為用戶設(shè)定值）。在寒冷地帶，油溫過低對系統(tǒng)也不利，當(dāng)系統(tǒng)測量到的溫度值小于15℃時，單片機(jī)發(fā)出信號啟動加熱器，將油液加熱到15℃。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)方框圖Fig.1 Block diagram of the control system

采用獨立式冷卻回路，其獨立工作。根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，發(fā)熱功率等，對水冷卻器的參數(shù)選擇，此回路可用于各種規(guī)模的液壓系統(tǒng)。相比冷卻器裝在回油路上的冷卻方式，此系統(tǒng)在工作回路停止工作后，油液還可以繼續(xù)冷卻。液壓冷卻回路見圖2。工作原理： 開啟冷卻循環(huán)液壓泵將油箱里的熱油運送到水冷卻器里，同時電磁水閥打開，冷水流入水冷卻器，兩者熱交換，冷水帶走熱油的熱量，油液溫度下降，冷卻后的油經(jīng)過濾器凈化，回到油箱，如此循環(huán)。由圖2 可以看出，該回路需要兩個電氣元件： 液壓泵的電機(jī)、電磁水閥的線圈。

圖2 液壓冷卻回路Fig.2 Hydraulic cooling circuit

2 基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)原理及組成

控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)、數(shù)字溫度傳感器、數(shù)碼管、繼電器、接觸器、PCB 板等。軟件系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的靈魂，控制著數(shù)字溫度傳感器采集溫度，邏輯判斷，發(fā)出信號驅(qū)動各執(zhí)行元件。

2.1 電氣原理圖設(shè)計

雖然，此系統(tǒng)以自動為目的，但在設(shè)計時，考慮自動控制萬一失效，應(yīng)加上手動操作功能。經(jīng)過論證，冷卻回路電氣原理見圖3，加熱電氣原理見圖4。

圖3 冷卻回路電氣控制原理圖Fig.3 Electric control schematic diagram of cooling circuit

圖4 加熱電氣原理圖Fig.4 Electrical schematic diagram of heating

注意這里沒設(shè)置手動與自動的切換開關(guān)，手動操作僅在自動控制系統(tǒng)斷電的情況下使用。冷卻回路電氣動作次序如下：

加熱控制原理： 采用電加熱器進(jìn)行加熱。其動作次序如下：

2.2 電子控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

電子控制部分是以單片機(jī)為核心，數(shù)字溫度傳感器為測量元件，數(shù)碼管實時顯示溫度，以繼電器驅(qū)動模塊為執(zhí)行元件等，實現(xiàn)對液壓油溫的調(diào)節(jié)控制。

（1）測溫電路。采用數(shù)字傳感器DS18B20，其電路可謂非常簡單，數(shù)據(jù)位與單片機(jī)的P1.0 引腳相接。電路原理見圖5。

圖5 測溫電路Fig.5 Temperature measurement circuit

（2）數(shù)碼管溫度顯示電路設(shè)計。為了能直觀地顯示DS18B20所測值范圍： -55℃～125℃，并顯示到溫度值小數(shù)點后一位，故需要帶有點顯示的4 位一體共陽數(shù)碼管。由于此系統(tǒng)沒有太多地消耗單片機(jī)接口，數(shù)碼管的段碼直接接到單片機(jī)的P0 口，位碼接單片機(jī)的P2 口，動態(tài)掃描顯示。電路原理圖（略）。

（3）驅(qū)動電路設(shè)計。由于單片機(jī)的工作電壓典型值為+5V，故不能直接驅(qū)動執(zhí)行元件，所以要通過開關(guān)型功率接口去驅(qū)動執(zhí)行元件。開關(guān)型功率接口主要有： 晶閘管接口、光電耦合器驅(qū)動接口、繼電器輸出接口、大功率場效應(yīng)開關(guān)管接口和固態(tài)繼電器接口等?？紤]到本系統(tǒng)輸出時，開斷頻率小，可采用繼電器輸出,繼電器型號:5VDC-220VAC。電路圖見圖6。圖中的發(fā)光二極管用來指示信號狀態(tài)。二極管用來續(xù)流，防止繼電器斷電后自感高壓對其它元件產(chǎn)生損害。

圖6 繼電器驅(qū)動電路Fig.6 The relay drive circuit

2.3 穩(wěn)壓直流電源設(shè)計

直流穩(wěn)壓電源是整個電子控制系統(tǒng)重要組成部分，它的穩(wěn)定關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定。目前廣泛采用各種半導(dǎo)體直流電源。半導(dǎo)體直流電源的原理方框圖見圖7，它表示把交流電變換為直流電的過程： 變壓→整流→濾波→穩(wěn)壓。

圖7 直流穩(wěn)壓電源方框圖Fig.7 Block diagram of DC regulated power supply

經(jīng)估算，變壓器的容量可選擇5W。為了讓輸出電壓穩(wěn)定，穩(wěn)壓部分采用單片集成穩(wěn)壓電源，它具有體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優(yōu)點，也給電源的電路設(shè)計帶來了簡便。采用7805 穩(wěn)壓器，其輸入電壓范圍是7V～36V，故濾波后的電壓在這個范圍內(nèi)就可，但考慮到發(fā)熱問題盡量選擇小的電壓，取變壓器的二次端的電壓為9V，整流管采用1N4001，其壓降最大為1.1V，所以濾波后的電壓U=（9-1.1）×1.2≈9.5V，經(jīng)萬用表測量，實際值符合以上理論值。直流穩(wěn)壓電源電路見圖8。

圖8 流穩(wěn)壓電源原理圖Fig.8 Schematic diagram of DC stabilized power supply

2.4 軟件設(shè)計

采用C 語言編程，KEIL C51 作為C 語言開發(fā)工具。軟件要實現(xiàn)的功能： ①控制并與DS18B20 通信；②數(shù)碼管溫度顯示；③響應(yīng)用戶設(shè)定；④邏輯判斷并發(fā)出控制信號。系統(tǒng)程序流程圖見圖9。注意，這是模塊化的流程圖，并且自定義了一個高溫系統(tǒng)： ≥24℃。

用戶按鍵設(shè)定流程圖在此沒有列出，它由單片機(jī)的外部中斷0 和外部中斷1 響應(yīng)。

圖9 溫度測控流程圖Fig.9 Temperature measurement and control flow chart

2.5 調(diào)試仿真

Proteus 是目前最流行的單片機(jī)仿真軟件，它不但能建立原理圖，還能繪制PCB 圖。打開Proteus 仿真軟件，從元件庫中調(diào)出所用器件組成原理圖，啟動仿真功能，觀察各信號是否達(dá)到理想值，若不行，則繼續(xù)修改程序，當(dāng)仿真達(dá)到一定效果后，做出電路實物進(jìn)行調(diào)試。從Proteus 界面進(jìn)入ARES 界面繪制PCB 圖，洗板，焊接元件，最后實物電路調(diào)試。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DSl8820 作為測溫元件，其單總線通信，直接輸出數(shù)字信號，極大地簡化了測量電路。開發(fā)過程中使用到的輔助設(shè)計軟件Proteus、KEIL C51，提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)周期，減少了開發(fā)費用。故本控制系統(tǒng)體積小、功耗低、制作成本也低。本系統(tǒng)已做出實物且完美的實現(xiàn)了所需功能，若將水冷卻回路換成風(fēng)冷卻，該測溫控制部分就可作為車載式液壓油溫控制系統(tǒng)使用，也可作為其它溫控系統(tǒng)使用。

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