基于AVR单片机的汽车发动机冷却智能控制器设计

南勇晖，张新虎

（69245部队，新疆乌鲁木齐，830002）

1 汽车发动机冷却原理及系统构成

1.1 冷却原理

汽车发动机大都采用水冷系统，只有少数汽车发动机采用风冷系统。汽车发动机冷却系统水冷方法是以水泵为动力使冷却液在机体内进行强制循环，安装在缸体前端的水泵将散热器内的冷却液从底部泵入缸体内的冷却水套，然后进入缸盖，最后从经节温器流出，完成冷却液循环。 发动机的散热量主要由冷却液带走，其余由机体吸收或传给大气环境。其传热特性建模模型可视为连续不可压缩，无粘滞特性的理想流体，依据热力学理论，各种热量和机体平均温度可以通过下列公式进行计算：（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分别为冷却液的进出口温度和发动机机体的平均温度；Cp,c为冷却液的热容；Qc冷却液吸收的热量；Qenv为散入环境的热量；h为对流换热系数；A为发动机的散热面积。

1.2 系统构成

汽车发动机冷却系统应用过程中，其核心部分是自动温湿控制装置，这一部分的智能控制也是通过自动温湿控制装置来实现运行效果的。自动温湿控制装置的系统构成包括了空调系统、传感器、执行器三部分共同组成，而空调系统和冷却系统都要用到冷凝器和散热器风扇系统，所以，冷却系统的智能化改进主要的关键部分是进行发动机的绝热效果。但是从实际应用情况来看，受到制造材料和生产技术带来的影响性，汽车发动机的绝热效果还无法满足实际运行阶段的要求，对此在系统建立过程中，需要对智能化应用情况进行梳理，借此来提升技术体系内容的可靠性。

2 AVR单片机的应用优势

2.1 接口简洁度高

基于AVR单片机来进行系统设计时，会将控制器芯片和单片机直接关联在一起，不需要在其中设置地址锁存器，提供了很大的便利条件。而且在应用过程中，因为两部分结构直接关联在一起，因此可以节省下原来系统中的地质锁存器和或非门中的芯片，从而提高了系统应用过程中的便捷性。但是系统在对其进行软件控制处理时，对于时序方面的要求复杂程度较高，这也是应用该程序时需要注意到的问题。

2.2 功能丰富度高

基于单片机进行智能控制器设计时，其功能丰富度更高，在利用程序进行调试时，不同于以往在硬件平台上进行调试，在单片机辅助下，会借助Proteus仿真软件先完成整个控制过程的仿真处理，待仿真过程得到所需结果之后，再将其转移到平台上进行调试，这也在很大程度上加快了智能控制系统的研发速度，而且所能够得到的系统功能性也在增强，可以更好地服务于其他应用系统，确保了应用过程的生产效率。另外，在系统工作期间所产生的PWM信号的频率相对较低，而且借助仿真软件也可以解决开发过程中硬件不足的情况，从而满足系统在运行期间的应用要求。

2.3 控制过程智能化

利用AVR单片机的应用优势来完成系统运行控制时，能够进一步提升控制过程的智能化水平，在具体的应用过程中，可以借助温度传感器来完成系统内冷却水温度的测试，同时也能够根据已经建立的微控制系统来完成温度数值袋的计算工作，期间会利用PID模块来完成该运算工作，同时对于得到的计算结果也会转换为PWM信号进行输出，以此来完成冷却水泵的驱动工作，使整个系统在运行状态可以保持系统温度的均衡性。另外，在拟定控制策略时，还利用到模糊PID控制来辅助系统运行，借此来提升控制结果的精准度，达到预期的控制效果。

3 基于AVR单片机智能控制器设计要点

3.1 控制结构设计

在对控制结构展开设计时，控制器的选择属于基础性内容，基于以往的实践经验，在控制器的选择中，主要采用了PID模块来完成结构设计。在具体的应用过程中，PID模块中的参数主要是依托于模糊推理来完成在线确定，随后借助AVR单片机与D/A转换器来完成冷却系统的电路控制，从而优化发电机冷却系统的运行状态。在PID模型的设计过程中，其控制器输入和输出关系之间的比例将调控在合理的应用状态。另外，在对控制结构进行设计时，还需要兼顾控制器应用过程中的离散化关系，而且也会搭配PID算法来完成控制工作，并且以模糊化关系来完成仿真处理，根据仿真处理时得到的反馈结果，在平台上对于参数进行调整，从而获取到更加可靠的数据信息。

3.2 离散化和模糊化设计

在模糊PID控制器的应用过程中，也需要做好离散化和模糊化的设计工作，从实际的应用情况来看，控制器会在fuzzy集当中来完成计算工作，其具体的应用要点如下：第一，对于控制器进行模糊化处理，可以假设输入后的数值偏差为e，而偏差变化率可以定义为ec，那么此时存在着相互关系，即偏差=预计数值-实际测量数值。第二，根据冷却系统的工作情况，其温度变化的取值范围在-10℃到80℃，为了方便后续的定量计算，可以将其转换为数字量，即取值范围为-50到400，此时可以计算量化因子Ke=0.011，而温度变化率的范围在±10℃。第三，根据得到的计算量内容，在实际处理过程中会将其和模糊集上的论域进行关联，同时也会搭配一些语言变量，可以利用编程来完成计算工作，该内容也满足三角函数分布规律，可以基于此来完成下一阶段的计算处理。

3.3 模糊控制规则表设计

对于模糊控制规则表的确定，在实际设计的过程中，会通过实验的方式来完成参数信息的调控处理，以得到可靠的分析数据。在具体的计算过程中，其内容包含了以下几部分内容：第一，结合3.2中的内容，在e数值处于较大范围时，此时系统的响应速度会处于不断加快的状态，那么此时得到的Kp数值会比较大，而得到的Kd数值会比较小，并且为了防止过大超调情况的出现，此时所得到的Ki应进行较小数值。第二，在e数值处于中等范围时，此时系统的响应速度会处于较小的变化状态，那么此时得到的Ki数值和Kp数值均处于较小的状态[1]。第三，在e数值处于较小范围时，此时系统的响应速度会处于稳定的变化状态，那么此时得到的Ki数值和Kp数值均处于较大的状态。而且系统中的稳态误差较小，便于对系统展开振荡处理。

3.4 硬件结构设计

在对系统的硬件进行设计时，需要包括以下几方面内容：（1）在单片机的选择中，可以选择ATmega16型号的单片机，这也是维持系统稳定运行的基础条件，而且还会对温度感测器和采样时间进行合理控制，借此来稳定系统运行状态[2]。（2）DA 转换单元设计，在该单元的设计过程中，会利用SPI串行端口来完成系统的顺利转换，同时可以利用DAC来完成各个端口的应用设计，使其能够顺利完成信息转换设计，提升设计内容的可靠性。（3）在对PWM控制器进行选择时，需要针对脉宽比较器的应用状态进行调整，这样可以获取到更加准确的评估信号，而且在电感峰值的处理过程中，还对误差电压的变化情况进行调整，从而提升评估结果的可靠性和准确性。

3.5 软件结构设计

在对软件结构进行应用设计时，会利用ICCAVR 编译软件来完成软件的开发工作，同时在分析处理的过程中，也会使用到C语言来完成编程处理[3]。在程序开始应用的过程中，会利用按键来控制中断操作，而且在此过程中也会对定时器进行优化控制，其采样周期需要控制在20ms以内，并且每一个采样周期都需要进行一次模糊处理，借助PID来完成数据运算，随后利用AD转换来完成数字量的处理工作，并且将Kp、Ki、Kd几个数字量进行优化控制，此时可以利用表格来完成参数信息的获取，随后利用PID运算来完成输出量的控制，从而得到所需要的控制数据，满足具体的应用需求。

3.6 显示界面设计

在完成上述内容的设计后，也需要对显示界面进行优化设计，在具体的设计过程中，第一，应确保通讯系统的稳定性，在冷却系统智能控制过程中，需要对通讯线路进行合理设置，减少多余线路的应用处理，确保系统输入和输出过程的稳定性。第二，在显示界面的设计过程中，需要对页面布局进行优化，在页面上可以显示冷却系统温度、发动机转速等内容，而且系统内还设置了预警系统，对于冷却系统中所存在的故障内容进行及时反馈，以便于对系统进行及时处理，以此来确保系统运行过程的稳定性[4]。

4 结束语

在对冷却系统智能控制器进行设计时，需要注重自动湿温控制工作，而传统的冷却系统容易受到许多不确定因素的影响，影响到系统工作状态的稳定性。基于此，利用AVR单片机的应用优势，对于冷却系统智能化控制器进行优化设计，这对于提升系统工作状态稳定性，延长发动机系统的使用寿命有着积极地意义。