基于AVR單片機的汽車發動機冷卻智能控制器設計

南勇暉，張新虎

（69245部隊，新疆烏魯木齊，830002）

1 汽車發動機冷卻原理及系統構成

1.1 冷卻原理

汽車發動機大都采用水冷系統，只有少數汽車發動機采用風冷系統。汽車發動機冷卻系統水冷方法是以水泵為動力使冷卻液在機體內進行強制循環，安裝在缸體前端的水泵將散熱器內的冷卻液從底部泵入缸體內的冷卻水套，然后進入缸蓋，最后從經節溫器流出，完成冷卻液循環。 發動機的散熱量主要由冷卻液帶走，其余由機體吸收或傳給大氣環境。其傳熱特性建模模型可視為連續不可壓縮，無粘滯特性的理想流體，依據熱力學理論，各種熱量和機體平均溫度可以通過下列公式進行計算：（1）Qc=mc(Tout,c-Tin,c)Cp,c；（2）Qenv=(hA)(T-Tenv)；（3）dT/dt=(Qe-Qc-Qenv)/(ρVcp)e。 其 中Tout,c、Tin,c、T分別為冷卻液的進出口溫度和發動機機體的平均溫度；Cp,c為冷卻液的熱容；Qc冷卻液吸收的熱量；Qenv為散入環境的熱量；h為對流換熱系數；A為發動機的散熱面積。

1.2 系統構成

汽車發動機冷卻系統應用過程中，其核心部分是自動溫濕控制裝置，這一部分的智能控制也是通過自動溫濕控制裝置來實現運行效果的。自動溫濕控制裝置的系統構成包括了空調系統、傳感器、執行器三部分共同組成，而空調系統和冷卻系統都要用到冷凝器和散熱器風扇系統，所以，冷卻系統的智能化改進主要的關鍵部分是進行發動機的絕熱效果。但是從實際應用情況來看，受到制造材料和生產技術帶來的影響性，汽車發動機的絕熱效果還無法滿足實際運行階段的要求，對此在系統建立過程中，需要對智能化應用情況進行梳理，借此來提升技術體系內容的可靠性。

2 AVR單片機的應用優勢

2.1 接口簡潔度高

基于AVR單片機來進行系統設計時，會將控制器芯片和單片機直接關聯在一起，不需要在其中設置地址鎖存器，提供了很大的便利條件。而且在應用過程中，因為兩部分結構直接關聯在一起，因此可以節省下原來系統中的地質鎖存器和或非門中的芯片，從而提高了系統應用過程中的便捷性。但是系統在對其進行軟件控制處理時，對于時序方面的要求復雜程度較高，這也是應用該程序時需要注意到的問題。

2.2 功能豐富度高

基于單片機進行智能控制器設計時，其功能豐富度更高，在利用程序進行調試時，不同于以往在硬件平臺上進行調試，在單片機輔助下，會借助Proteus仿真軟件先完成整個控制過程的仿真處理，待仿真過程得到所需結果之后，再將其轉移到平臺上進行調試，這也在很大程度上加快了智能控制系統的研發速度，而且所能夠得到的系統功能性也在增強，可以更好地服務于其他應用系統，確保了應用過程的生產效率。另外，在系統工作期間所產生的PWM信號的頻率相對較低，而且借助仿真軟件也可以解決開發過程中硬件不足的情況，從而滿足系統在運行期間的應用要求。

2.3 控制過程智能化

利用AVR單片機的應用優勢來完成系統運行控制時，能夠進一步提升控制過程的智能化水平，在具體的應用過程中，可以借助溫度傳感器來完成系統內冷卻水溫度的測試，同時也能夠根據已經建立的微控制系統來完成溫度數值袋的計算工作，期間會利用PID模塊來完成該運算工作，同時對于得到的計算結果也會轉換為PWM信號進行輸出，以此來完成冷卻水泵的驅動工作，使整個系統在運行狀態可以保持系統溫度的均衡性。另外，在擬定控制策略時，還利用到模糊PID控制來輔助系統運行，借此來提升控制結果的精準度，達到預期的控制效果。

3 基于AVR單片機智能控制器設計要點

3.1 控制結構設計

在對控制結構展開設計時，控制器的選擇屬于基礎性內容，基于以往的實踐經驗，在控制器的選擇中，主要采用了PID模塊來完成結構設計。在具體的應用過程中，PID模塊中的參數主要是依托于模糊推理來完成在線確定，隨后借助AVR單片機與D/A轉換器來完成冷卻系統的電路控制，從而優化發電機冷卻系統的運行狀態。在PID模型的設計過程中，其控制器輸入和輸出關系之間的比例將調控在合理的應用狀態。另外，在對控制結構進行設計時，還需要兼顧控制器應用過程中的離散化關系，而且也會搭配PID算法來完成控制工作，并且以模糊化關系來完成仿真處理，根據仿真處理時得到的反饋結果，在平臺上對于參數進行調整，從而獲取到更加可靠的數據信息。

3.2 離散化和模糊化設計

在模糊PID控制器的應用過程中，也需要做好離散化和模糊化的設計工作，從實際的應用情況來看，控制器會在fuzzy集當中來完成計算工作，其具體的應用要點如下：第一，對于控制器進行模糊化處理，可以假設輸入后的數值偏差為e，而偏差變化率可以定義為ec，那么此時存在著相互關系，即偏差=預計數值-實際測量數值。第二，根據冷卻系統的工作情況，其溫度變化的取值范圍在-10℃到80℃，為了方便后續的定量計算，可以將其轉換為數字量，即取值范圍為-50到400，此時可以計算量化因子Ke=0.011，而溫度變化率的范圍在±10℃。第三，根據得到的計算量內容，在實際處理過程中會將其和模糊集上的論域進行關聯，同時也會搭配一些語言變量，可以利用編程來完成計算工作，該內容也滿足三角函數分布規律，可以基于此來完成下一階段的計算處理。

3.3 模糊控制規則表設計

對于模糊控制規則表的確定，在實際設計的過程中，會通過實驗的方式來完成參數信息的調控處理，以得到可靠的分析數據。在具體的計算過程中，其內容包含了以下幾部分內容：第一，結合3.2中的內容，在e數值處于較大范圍時，此時系統的響應速度會處于不斷加快的狀態，那么此時得到的Kp數值會比較大，而得到的Kd數值會比較小，并且為了防止過大超調情況的出現，此時所得到的Ki應進行較小數值。第二，在e數值處于中等范圍時，此時系統的響應速度會處于較小的變化狀態，那么此時得到的Ki數值和Kp數值均處于較小的狀態[1]。第三，在e數值處于較小范圍時，此時系統的響應速度會處于穩定的變化狀態，那么此時得到的Ki數值和Kp數值均處于較大的狀態。而且系統中的穩態誤差較小，便于對系統展開振蕩處理。

3.4 硬件結構設計

在對系統的硬件進行設計時，需要包括以下幾方面內容：（1）在單片機的選擇中，可以選擇ATmega16型號的單片機，這也是維持系統穩定運行的基礎條件，而且還會對溫度感測器和采樣時間進行合理控制，借此來穩定系統運行狀態[2]。（2）DA 轉換單元設計，在該單元的設計過程中，會利用SPI串行端口來完成系統的順利轉換，同時可以利用DAC來完成各個端口的應用設計，使其能夠順利完成信息轉換設計，提升設計內容的可靠性。（3）在對PWM控制器進行選擇時，需要針對脈寬比較器的應用狀態進行調整，這樣可以獲取到更加準確的評估信號，而且在電感峰值的處理過程中，還對誤差電壓的變化情況進行調整，從而提升評估結果的可靠性和準確性。

3.5 軟件結構設計

在對軟件結構進行應用設計時，會利用ICCAVR 編譯軟件來完成軟件的開發工作，同時在分析處理的過程中，也會使用到C語言來完成編程處理[3]。在程序開始應用的過程中，會利用按鍵來控制中斷操作，而且在此過程中也會對定時器進行優化控制，其采樣周期需要控制在20ms以內，并且每一個采樣周期都需要進行一次模糊處理，借助PID來完成數據運算，隨后利用AD轉換來完成數字量的處理工作，并且將Kp、Ki、Kd幾個數字量進行優化控制，此時可以利用表格來完成參數信息的獲取，隨后利用PID運算來完成輸出量的控制，從而得到所需要的控制數據，滿足具體的應用需求。

3.6 顯示界面設計

在完成上述內容的設計后，也需要對顯示界面進行優化設計，在具體的設計過程中，第一，應確保通訊系統的穩定性，在冷卻系統智能控制過程中，需要對通訊線路進行合理設置，減少多余線路的應用處理，確保系統輸入和輸出過程的穩定性。第二，在顯示界面的設計過程中，需要對頁面布局進行優化，在頁面上可以顯示冷卻系統溫度、發動機轉速等內容，而且系統內還設置了預警系統，對于冷卻系統中所存在的故障內容進行及時反饋，以便于對系統進行及時處理，以此來確保系統運行過程的穩定性[4]。

4 結束語

在對冷卻系統智能控制器進行設計時，需要注重自動濕溫控制工作，而傳統的冷卻系統容易受到許多不確定因素的影響，影響到系統工作狀態的穩定性?；诖?，利用AVR單片機的應用優勢，對于冷卻系統智能化控制器進行優化設計，這對于提升系統工作狀態穩定性，延長發動機系統的使用壽命有著積極地意義。