嵌入式液壓油溫控制系統的開發與應用

吳 通

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司，湖南 婁底 417000）

0 引言

液壓油溫關系到液壓系統的穩定、元器件的壽命。油溫過高，加速油液氧化變質，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。當液壓系統在寒冷地帶工作，溫度過低，油液粘度大，系統阻力大，系統啟動困難，當低于15℃，這時油液需要加熱。對于油溫的測量，為了簡化硬件，設計采用數字溫度傳感器DS18B20。在開發過程中，使用KEIL C51 編寫C 語言、使用Proteus 對控制系統進行仿真，當仿真達到一定效果后，做出PCB 板配合液壓系統調試。Proteus 仿真縮短了開發周期，減少了開發費用。

1 油溫控制系統的原理及組成

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

圖1 控制系統方框圖Fig.1 Block diagram of the control system

采用獨立式冷卻回路，其獨立工作。根據液壓系統的工作環境，發熱功率等，對水冷卻器的參數選擇，此回路可用于各種規模的液壓系統。相比冷卻器裝在回油路上的冷卻方式，此系統在工作回路停止工作后，油液還可以繼續冷卻。液壓冷卻回路見圖2。工作原理： 開啟冷卻循環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，冷卻后的油經過濾器凈化，回到油箱，如此循環。由圖2 可以看出，該回路需要兩個電氣元件： 液壓泵的電機、電磁水閥的線圈。

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

2 基于單片機的控制系統原理及組成

控制系統由硬件系統與軟件系統組成。硬件系統包括單片機、數字溫度傳感器、數碼管、繼電器、接觸器、PCB 板等。軟件系統作為本系統的靈魂，控制著數字溫度傳感器采集溫度，邏輯判斷，發出信號驅動各執行元件。

2.1 電氣原理圖設計

雖然，此系統以自動為目的，但在設計時，考慮自動控制萬一失效，應加上手動操作功能。經過論證，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

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

加熱控制原理： 采用電加熱器進行加熱。其動作次序如下：

2.2 電子控制系統硬件設計

電子控制部分是以單片機為核心，數字溫度傳感器為測量元件，數碼管實時顯示溫度，以繼電器驅動模塊為執行元件等，實現對液壓油溫的調節控制。

（1）測溫電路。采用數字傳感器DS18B20，其電路可謂非常簡單，數據位與單片機的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）數碼管溫度顯示電路設計。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點后一位，故需要帶有點顯示的4 位一體共陽數碼管。由于此系統沒有太多地消耗單片機接口，數碼管的段碼直接接到單片機的P0 口，位碼接單片機的P2 口，動態掃描顯示。電路原理圖（略）。

（3）驅動電路設計。由于單片機的工作電壓典型值為+5V，故不能直接驅動執行元件，所以要通過開關型功率接口去驅動執行元件。開關型功率接口主要有： 晶閘管接口、光電耦合器驅動接口、繼電器輸出接口、大功率場效應開關管接口和固態繼電器接口等。考慮到本系統輸出時，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。圖中的發光二極管用來指示信號狀態。二極管用來續流，防止繼電器斷電后自感高壓對其它元件產生損害。

圖6 繼電器驅動電路Fig.6 The relay drive circuit

2.3 穩壓直流電源設計

直流穩壓電源是整個電子控制系統重要組成部分，它的穩定關系到系統的穩定。目前廣泛采用各種半導體直流電源。半導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→穩壓。

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

經估算，變壓器的容量可選擇5W。為了讓輸出電壓穩定，穩壓部分采用單片集成穩壓電源，它具有體積小、可靠性高、使用靈活、價格低廉等優點，也給電源的電路設計帶來了簡便。采用7805 穩壓器，其輸入電壓范圍是7V～36V，故濾波后的電壓在這個范圍內就可，但考慮到發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，經萬用表測量，實際值符合以上理論值。直流穩壓電源電路見圖8。

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

2.4 軟件設計

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

用戶按鍵設定流程圖在此沒有列出，它由單片機的外部中斷0 和外部中斷1 響應。

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

2.5 調試仿真

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

3 結論

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

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