嵌入式液压油温控制系统的开发与应用

吴 通

（湖南华菱涟源钢铁有限公司，湖南 娄底 417000）

0 引言

液压油温关系到液压系统的稳定、元器件的寿命。油温过高，加速油液氧化变质，加速污染，使油的粘性和润滑性降低，增加缝隙间泄漏等等。一般将油温保持在30℃～50℃，最高不超过60℃，温度过高时，需要冷却油液。当液压系统在寒冷地带工作，温度过低，油液粘度大，系统阻力大，系统启动困难，当低于15℃，这时油液需要加热。对于油温的测量，为了简化硬件，设计采用数字温度传感器DS18B20。在开发过程中，使用KEIL C51 编写C 语言、使用Proteus 对控制系统进行仿真，当仿真达到一定效果后，做出PCB 板配合液压系统调试。Proteus 仿真缩短了开发周期，减少了开发费用。

1 油温控制系统的原理及组成

本系统由电子电气部分和机械液压部分组成电子电气系统，采用AT89S52 作为核心处理单元，由数字温度传感器DS18B20 测量油液温度，温度实时显示，测量值与用户设定值进行比较，当测量值大于设定值时，单片机发出信号，打开冷水电磁阀，让冷水进入水冷却器，冷却循环泵把油箱里的热油送到冷却器进行冷却，从而达到降低温度的目的，当温度降低到设定温度以下1℃，冷水电磁阀关闭，冷却循环泵关闭，停止冷却。若冷却设备热交换充裕，系统温度T 保持在以下范围：[t-1,t]℃（t 为用户设定值）。在寒冷地带，油温过低对系统也不利，当系统测量到的温度值小于15℃时，单片机发出信号启动加热器，将油液加热到15℃。系统框图见图1。

图1 控制系统方框图Fig.1 Block diagram of the control system

采用独立式冷却回路，其独立工作。根据液压系统的工作环境，发热功率等，对水冷却器的参数选择，此回路可用于各种规模的液压系统。相比冷却器装在回油路上的冷却方式，此系统在工作回路停止工作后，油液还可以继续冷却。液压冷却回路见图2。工作原理： 开启冷却循环液压泵将油箱里的热油运送到水冷却器里，同时电磁水阀打开，冷水流入水冷却器，两者热交换，冷水带走热油的热量，油液温度下降，冷却后的油经过滤器净化，回到油箱，如此循环。由图2 可以看出，该回路需要两个电气元件： 液压泵的电机、电磁水阀的线圈。

图2 液压冷却回路Fig.2 Hydraulic cooling circuit

2 基于单片机的控制系统原理及组成

控制系统由硬件系统与软件系统组成。硬件系统包括单片机、数字温度传感器、数码管、继电器、接触器、PCB 板等。软件系统作为本系统的灵魂，控制着数字温度传感器采集温度，逻辑判断，发出信号驱动各执行元件。

2.1 电气原理图设计

虽然，此系统以自动为目的，但在设计时，考虑自动控制万一失效，应加上手动操作功能。经过论证，冷却回路电气原理见图3，加热电气原理见图4。

图3 冷却回路电气控制原理图Fig.3 Electric control schematic diagram of cooling circuit

图4 加热电气原理图Fig.4 Electrical schematic diagram of heating

注意这里没设置手动与自动的切换开关，手动操作仅在自动控制系统断电的情况下使用。冷却回路电气动作次序如下：

加热控制原理： 采用电加热器进行加热。其动作次序如下：

2.2 电子控制系统硬件设计

电子控制部分是以单片机为核心，数字温度传感器为测量元件，数码管实时显示温度，以继电器驱动模块为执行元件等，实现对液压油温的调节控制。

（1）测温电路。采用数字传感器DS18B20，其电路可谓非常简单，数据位与单片机的P1.0 引脚相接。电路原理见图5。

图5 测温电路Fig.5 Temperature measurement circuit

（2）数码管温度显示电路设计。为了能直观地显示DS18B20所测值范围： -55℃～125℃，并显示到温度值小数点后一位，故需要带有点显示的4 位一体共阳数码管。由于此系统没有太多地消耗单片机接口，数码管的段码直接接到单片机的P0 口，位码接单片机的P2 口，动态扫描显示。电路原理图（略）。

（3）驱动电路设计。由于单片机的工作电压典型值为+5V，故不能直接驱动执行元件，所以要通过开关型功率接口去驱动执行元件。开关型功率接口主要有： 晶闸管接口、光电耦合器驱动接口、继电器输出接口、大功率场效应开关管接口和固态继电器接口等。考虑到本系统输出时，开断频率小，可采用继电器输出,继电器型号:5VDC-220VAC。电路图见图6。图中的发光二极管用来指示信号状态。二极管用来续流，防止继电器断电后自感高压对其它元件产生损害。

图6 继电器驱动电路Fig.6 The relay drive circuit

2.3 稳压直流电源设计

直流稳压电源是整个电子控制系统重要组成部分，它的稳定关系到系统的稳定。目前广泛采用各种半导体直流电源。半导体直流电源的原理方框图见图7，它表示把交流电变换为直流电的过程： 变压→整流→滤波→稳压。

图7 直流稳压电源方框图Fig.7 Block diagram of DC regulated power supply

经估算，变压器的容量可选择5W。为了让输出电压稳定，稳压部分采用单片集成稳压电源，它具有体积小、可靠性高、使用灵活、价格低廉等优点，也给电源的电路设计带来了简便。采用7805 稳压器，其输入电压范围是7V～36V，故滤波后的电压在这个范围内就可，但考虑到发热问题尽量选择小的电压，取变压器的二次端的电压为9V，整流管采用1N4001，其压降最大为1.1V，所以滤波后的电压U=（9-1.1）×1.2≈9.5V，经万用表测量，实际值符合以上理论值。直流稳压电源电路见图8。

图8 流稳压电源原理图Fig.8 Schematic diagram of DC stabilized power supply

2.4 软件设计

采用C 语言编程，KEIL C51 作为C 语言开发工具。软件要实现的功能： ①控制并与DS18B20 通信；②数码管温度显示；③响应用户设定；④逻辑判断并发出控制信号。系统程序流程图见图9。注意，这是模块化的流程图，并且自定义了一个高温系统： ≥24℃。

用户按键设定流程图在此没有列出，它由单片机的外部中断0 和外部中断1 响应。

图9 温度测控流程图Fig.9 Temperature measurement and control flow chart

2.5 调试仿真

Proteus 是目前最流行的单片机仿真软件，它不但能建立原理图，还能绘制PCB 图。打开Proteus 仿真软件，从元件库中调出所用器件组成原理图，启动仿真功能，观察各信号是否达到理想值，若不行，则继续修改程序，当仿真达到一定效果后，做出电路实物进行调试。从Proteus 界面进入ARES 界面绘制PCB 图，洗板，焊接元件，最后实物电路调试。

3 结论

本系统采用数字温度传感器DSl8820 作为测温元件，其单总线通信，直接输出数字信号，极大地简化了测量电路。开发过程中使用到的辅助设计软件Proteus、KEIL C51，提高了开发效率，缩短了开发周期，减少了开发费用。故本控制系统体积小、功耗低、制作成本也低。本系统已做出实物且完美的实现了所需功能，若将水冷却回路换成风冷却，该测温控制部分就可作为车载式液压油温控制系统使用，也可作为其它温控系统使用。

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