汽车发动机冷却液监测系统的设计*

郝亮 吴桐 张成 陆毅

（辽宁工业大学）

汽车冷却系统是一个复杂的系统，要充分考虑散热风扇、冷却液质量和特性等诸多方面进行设计[1]。冷却液作为汽车发动机冷却系统的重要组成部分，它在发动机冷却系统中循环流动将发动机中产生的多余热能带走，使发动机能以正常工作温度运转，因此，冷却液质量的好坏以及对温度变化幅度和趋势的精确监测对于发动机散热效果影响至关重要[2]。单片机技术的普及促进了汽车智能化[3]，把此项技术应用在冷却系统信号采集，可以有效、自动地控制散热强度，还可以提醒用户当前冷却系统的状况，以便及时保养与维修。文章采用单片机控制技术设计了一种汽车冷却系统的智能化监测系统，该系统可实时监测汽车冷却液温度、补偿水箱中冷却液余量以及及时显示使用的冷却液质量状况等参数，具有很好的实用价值。

1 系统硬件设计

本系统主要是由温度传感器、颜色传感器及液位传感器、单片机、OLED显示屏和电源模块等主要硬件组成，通过硬件可有效地监测冷却液质量与散热强度，文章分别对各系统硬件进行介绍。

1.1 单片机控制模块

单片机控制模块是整体系统的控制中心和数据处理中心[4]。本系统以STC12C5A60S2单片机作为微处理器,它通过接收温度和颜色等传感器信号，采用算法程序对汽车冷却系统的冷却温度及冷却液的浑浊程度等参数进行实时的智能化监测，对冷却系统进行预警判断，其最小系统电路，如图1所示。

图1 STC12C5A60S2单片机的最小系统电路图

1.2 温度采集模块

温度采集模块是整个设计工作的重点，其温度传感器采集的温度信号是单片机系统完成控制工作的重要判断依据[5]。同时主程序中采取间隔采样的方法获取并计算行车时间段内的温度变化以及变化幅度，通过和正常值范围、变化率等作对比，给出对用户的保养清洗建议。文章采用的是某种改进智能型温度传感器DS18B20，其电路如图2所示。

图2 DS18B20温度传感器电路图

1.3 液位监测模块

液位监测模块在本设计中承担监测冷却液液面位置的功能，其输出的模拟信号要经A/D转换后才能被单片机处理判断，因此在此模块中添加了A/D转换程序。

1.4 步进电机驱动模块

步进电机驱动模块主要是由1个L298N电机驱动芯片、8个续流二极管组成的续流电路和1个三端稳压器78M05构成的稳压电路组成。图3示出L298N电路图。它具有15个引脚，在本设计中只用它驱动1个直流电机（这里只使用 IN3，IN4 和 ENB），IN3，IN4，ENB分别接到单片机P2.1，P2.2，P2.3端口上，实际上它的输出也只用到OUT3和OUT4。当单片机给ENB一个高电平信号输入时，IN3和IN4变为有效状态，即EN为1时，IN3为0，IN4为0，直流电机就是制动状态；当IN3=1，IN4=0 时，电机正转；当 IN3=0，IN4=1 时，电机反转；当IN3和IN4都为1时，电机处于制动状态（快速停止）。

图3 L298N与单片机连接图

1.5 颜色采集模块

由于冷却液浑浊度在行车过程中难以用传感器测定，此处通过采用颜色传感器计算冷却液与新冷却液间的色差来判断冷却液质量的好坏、是否需要更换等。文章选用的TSC3200是某带数字兼容接口的RGB彩色光/频率转换器，它内部集成了可配置的硅光电二极管阵列和一个电流/频率转换器。通过不同的引脚组合可以实现不同颜色的识别。不同引脚组合，如表1所示。

表1 RGB彩色光/频率转换器的不同引脚组合表

1.6 显示模块

显示模块主要由OLED显示屏构成，承担将单片机处理后的数据、信息及判断出的冷却液质量状况显示给用户的功能，它具有结构简单、反应速度快、颜色对比度高、不需背光源自发光、屏幕轻薄及视角广等特点[6]。

1.7 电源模块

电源模块主要是将外部直流电压稳压为系统中使用的电压，本次设计使用的是7805稳压电路，它是三端稳压电路，是电流源型稳压电路，通过调节输出电流来保证输出端电压。电源模块电路原理图，如图4所示。

图4 电源模块电路原理图

2 系统软件设计

系统硬件搭建完毕，要进行系统算法程序设计。本系统软件程序主要编写冷却液温度、高度和颜色模块的返回值，并加以处理，其中冷却液温度传感器测得的温度信息传到系统的执行机构步进电机去执行和动作，而高度和颜色信息通过OLED显示屏进行有效的显示。

在构建完成系统硬件后，使用嵌入式C语言来编写本系统的软件程序。采用模块化软件设计，编写了初始化程序、A/D转换程序、各传感器及电机的测试与控制程序等。系统软件总体流程，如图5所示。

图5 汽车发动机冷却液监测系统软件流程图

系统经过初始化后，主程序通过调用各子程序完成预定动作，实现系统的功能。

3 结论

1）系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，搭建了系统的硬件及相应的控制电路，从而实现汽车在行驶过程中对发动机冷却液温度、颜色及余量等参数的智能化监测，可实时反馈给驾驶员并帮助驾驶员判断是否需要更换或者补液。

2）系统可根据冷却液温度控制散热风扇的转速，实现冷启动时减小散热，负荷工作时加强散热，过热时加大散热强度等功能。

3）系统通过分时、分段采集温度变化幅度和趋势的方法，有效地分析了发动机冷却系统工作状况，提供了燃油喷射、进气调节等更多方面的参考条件。