基于單片機的液壓油箱自動散熱系統設計

宋濤，于存貴，蘇騰騰，李宗濤

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

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基于單片機的液壓油箱自動散熱系統設計

宋濤，于存貴，蘇騰騰，李宗濤

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

摘要：針對某機構的液壓油箱，設計一套自動散熱系統。采用單片機控制該系統，通過液體溫度傳感器檢測油液溫度，控制電機轉動進行散熱，并用數字PID算法將油液溫度控制在合適范圍內，減少機構運行過程的能量，降低工作負荷。

關鍵詞：液壓油箱；自動散熱系統；單片機；數字PID

如今能源問題是時代的主題，降低能量損耗，提高能量的利用效率，同時要保證系統工作在良好的工作狀態是我們現在亟需解決的問題［1］。

液壓系統工作時油液的溫度會明顯有所增加，油溫對于液壓系統的工作狀態和工作效率有很大的影響［2］。對油液而言，當油溫過高時，液壓油粘度降低，可壓縮性變差；對于執行系統而言，降低執行元件的運動速度；同時，在控制過程中，降低控制精度和快速性。

目前一般的液壓油箱的散熱方式有：自由冷卻、介質冷卻、油箱散熱器冷卻。自由冷卻是用在液壓油溫變化不大，也即工作負荷較小的情況下。它是靠油箱將液壓回路的油液自然冷卻；這種方法使用的局限性較大，并不能滿足于大部分液壓系統中。介質冷卻一般采用水冷的方式，能夠較快速有效的控制油液的溫度。但是一般體積較大，且還需配備水箱，對于應用在比較精簡的機械結構中，適用性較小。油箱散熱器冷卻方法，通過一套較為緊湊復雜的機械裝置安裝在油箱上（或者油箱自帶），通過電源持續供電，用風扇等進行冷卻。這種方式成本較高，可控性不強，能源利用率較低。針對某機構液壓系統，由于其在工作過程中油箱始終工作在散熱狀態，而系統工作在某些狀態時，沒有很多的熱量輸出，這使系統產生很多不必要的能耗，降低能量利用效率。本文采用單片機，通過液體溫度傳感器，設計了一套自動散熱系統，控制散熱電機的啟動和調速來控制油液溫度，使系統工作在一定的合適范圍內，提高了工作效率，并且降低了能耗。

1　系統方案及原理

1.1系統結構設計

自動散熱系統主要由控制模塊、執行模塊、檢測模塊、顯示模塊組成。控制模塊包括單片機及其外圍電路、A/D、D/A轉換芯片等組成；執行模塊包括一電機作為散熱裝置；檢測模塊包括一液體溫度傳感器，用來實時檢測油液的溫度；顯示模塊包括一液晶顯示屏用來顯示油液的溫度。系統結構原理圖如圖1所示。

圖1　自動散熱系統原理圖

1.2系統功能實現原理

由以上模塊自動散熱系統，機構工作時油液溫度上升，油液溫度通過溫度傳感器，經A/D轉換，將模擬信號［3］轉為數字信號并發送給單片機，單片機對油液溫度進行實時監測并將當前溫度值顯示在液晶屏上，用于操作人員觀測。當溫度達到某一閥值時，記當前溫度為危險溫度，單片機輸出數字信號經D/A轉換成模擬信號并送達執行電機給油箱散熱，當溫度低于閥值時，單片機輸出0 V，電機不轉動。由于油箱溫度在閥值以上一定范圍內變化，將超過閥值的部分分為不同檔位，單片機也輸出0～5 V相應檔位的電壓值，檔位越高輸出越高的電壓，從而根據當前溫度通過控制電機轉速來控制散熱的快慢。

液壓油的正常工作溫度為30～60℃，不要超過70℃。將閥值定為40℃，將40～70℃總共設定5檔，如表1所示?？紤]到溫度越高對系統影響越大，并考慮到散熱不是及時實現的，需要預留一定余量，因此，設定超過55℃為不正常的工作溫度，并將55℃以上設定為最大電壓輸出，以保證系統工作在正常溫度范圍內。

表1　40～70℃對應相應檔位

2　系統硬件設計

系統硬件包括單片機［4］、液體溫度傳感器［5］、A/D、D/A芯片以及一些驅動電路與電器元器件［6］。

2.1單片機選取

在系統運行過程中，單片機作為控制模塊起著至關重要的作用。本文選擇STC89C52單片機。它有4 KB片內程序存儲器ROM；128字節的片內數據存儲器；4個I/O接口——P0～P3；外接11.059 2 MHz晶振。

2.2?檢測模塊設計

傳感器作為感知外界信息的“眼睛”，是本系統中重要的一個環節。一般常用溫度傳感器DS18B20［7］，其具有體積小、抗干擾能力強的特點?？紤]到要探測液體溫度，需要其具有防水、耐腐蝕等的特點，區別于一般的溫度傳感器，選擇液體溫度傳感器。本文選用JCJ100TW簡易式溫度傳感器，采用不銹鋼金屬外殼封裝，內部填充絕緣導熱材料密封而成，最大測溫范圍-55℃～+125℃，精度±0.5℃（-10℃～+85℃）。有體積小、反應靈敏、種類豐富、防水抗震等特點。

2.3D/A、A/D轉換模塊設計

D/A芯片選取TLC5615，是一個串行10為DAC芯片。只要通過3根串行總線就可以完成10位數據的串行傳輸。其設計電路如圖2所示。其DIN、SLK、CS引腳分別接P2?7、P2?6、P2?5口。

圖2　TLC5615芯片電路圖

A/D芯片選取AD0804，是連續漸進式A/D轉換器，具有轉換速度快、分辨率高、價格便宜的特點。其與單片機P1口并行連接，用來將由液體溫度傳感器探測到的溫度模擬信號轉換為數字信號傳輸給單片機進行處理。其電路圖如圖3所示。

圖3　AD0804芯片電路圖

3　單片機溫控系統軟件開發

整個系統控制通過C語言［8］實現，流程圖見圖4。程序設計為兩種功能模式：自動模式和手動模式，通過檢測模式切換按鍵是否按下來判斷，按鍵開關接P3?7口，當按下時，輸入單片機低電平，為手動模式，否則為自動模式。手動模式下，3個按鍵分別連接P3?4～P3?6口，用來給電機發送加速、減速、啟動和停止指令；自動模式下，通過設置定時器，定時傳感器每50 ms采樣一次，即每隔50 ms檢測油液溫度。傳感器自己工作通過閥值來控制電機散熱。這種設計不僅可以防止自動模式失效預防故障，還可以自主進行手動操作，并且可以實時進行兩種模式的轉換。

圖4　程序流程圖

4　數字PID控制

PID控制器（如圖5），是一種線性控制器，根據給定值r（t）與實際輸出值y（t）的誤差e（t），進行比例微分積分線性組合，作用于控制對象［9］。

圖5　PID控制原理圖

式中：Kp、KI、KD分別為比例、積分、微分系數。

在PID算法中，由于偏差e貫穿整個積分過程，計算機對e（t）進行累加產生很大的累計偏差，影響控制的效果，在工程上多采用數字PID的控制方法［10］。它是一種增量式的，其輸出是控制器的增量△u（t）。

將上式離散化處理，并取t=k、t=k-1，得：將上兩式相減

調節KP、KI、KD3個系數的值綜合考慮系統進入穩定的時間長短、系統超調的大小、穩態精度的高低以及過渡過程的穩定性等因素，調試出最優系統。

將上式變型：

即△u（k）=Ae（k）+Be（k-1）+Ce（k-2）只要控制A、B、C獲取3次誤差值即可。

5　結論

基于單片機的自動散熱系統應用于液壓油箱中，具有一定的實用性。能夠有效的檢測與控制油箱的溫度在合適的范圍內，同時提供了兩種工作的模式，方便于人工的操作和預防故障。該系統設計成本低、結構小、可靠性較好，能夠有效的減少液壓系統工作時系統的能耗，節省了一定電力，特別在一些移動式或對于供電有特殊要求的設備中，有較好的推廣前景。

參考文獻：

［1］張忠遠.液壓節能技術［M］.北京：清華大學出版社，2012.

［2］秦大同，謝里陽.液壓傳動與控制設計［M］.北京：化學工業出版社，2013.

［3］吳鎮揚.數字信號處理［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［4］李朝青.單片機原理及接口技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［5］侯建華.基于51單片機的溫室測試［J］.電子技術，2007（7）：3-7.

［6］秦立煌.電子技術［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［7］夏志華.基于單片機的溫度控制系統的研究與實現［J］.煤炭技術，2013（2）：191-193.

［8］郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發、拓展全攻略［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［9］余成波，張蓮，胡曉倩.自動控制原理［M］.北京：清華大學出版社，2009.

［10］歷風滿.數字PID控制算法的研究［J］.遼寧大學學報，2005，32 （4）：367-370.

Deslgn of hydraullc oll boX automatlc heat dlsslPatlon system based on slngle-chlP mlcrocomPuter

SONG Tao，YU Cun-guj，SU Teng-teng，LI Zong-tao
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract:Ajmjng at hydrau1jc oj1 box of some mechanjsms，desjgn a automatjc heat djssjpatjon system. The system whjch contro11ed by sjng1e-chjp mjcrocomputer djssjpates heat by e1ectromotor to majntajn the oj1 temperature jn approprjate range wjth fjgure PID arjthmetjc，and detects the oj1 temperature wjth 1jqujd-temperature sensor. Thjs system reduces energy and work-1oad jn mechanjsm operatjon.

Key words:hydrau1jc oj1 box；automatjc heat djssjpatjon system；sjng1e-chjp mjcrocomputer；fjgure PID

中圖分類號：TN431.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0132-03

收稿日期：2015-06-02稿件編號：201506027

作者簡介：宋濤（1991—），男，江蘇鎮江人，碩士研究生。研究方向：機、電、液控制。