基于C8051的車(chē)輛散熱系統參數測試電路研究

1 引言

車(chē)輛的系統散熱性是衡量其先進(jìn)性的一個(gè)重要標志，因為車(chē)輛的各個(gè)部件和系統都存在一個(gè)最佳的工作溫度區間，在此溫度范圍內零部件的各項性能指標才能得以保證。目前，我國車(chē)輛系統的研制已進(jìn)入自行研制、自主創(chuàng )新的發(fā)展階段，由于缺乏實(shí)車(chē)試驗測試條件，加上車(chē)輛工作環(huán)境的復雜性，導致有效的實(shí)車(chē)試驗數據嚴重缺乏，試驗周期長(cháng)，數據可復現性差，無(wú)法向工程設計部門(mén)提供準確有效的實(shí)車(chē)試驗數據，嚴重影響車(chē)輛總體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，本文著(zhù)重于在不改變車(chē)輛現有結構和性能的前提下，采用單片機控制系統、傳感器技術(shù)、數據存儲技術(shù)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)，研制一套能實(shí)時(shí)檢測和記錄車(chē)輛散熱系統動(dòng)態(tài)參數的電子電路。

2 系統總體構架設計

該散熱系統參數測試電路由上位微型計算機和下位單片機控制系統組成。圖1是車(chē)輛散熱系統參數測點(diǎn)示意圖。該車(chē)輛散熱系統參數測試電路的主要功能和技術(shù)指標為：(1)能夠同時(shí)對溫度、壓力、流量共計11路數據進(jìn)行檢測；(2)利用從機白帶的10位A／D轉換器進(jìn)行數模轉換，滿(mǎn)足系統分辨率的要求，基于先轉換后傳輸的理念克服了模擬信號在長(cháng)線(xiàn)傳輸中易受到干擾的缺點(diǎn)；(3)使用RS485和USB串行總線(xiàn)傳輸，實(shí)現主從機間的多機通信及和上位機間的通信，且具有傳輸速度快、抗干擾能力強的特點(diǎn)；(4)使用大容量數據存儲器以滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間大容量數據的存儲需求。

3 測試系統電路設計

該系統主要由數據采集、液晶顯示、鍵盤(pán)、存儲、RS-485通信、USB通信等電路組成。圖2是系統電路設計框圖。

3．1 主控制單元電路設計

在系統電路設計中，采用C8051F系列單片機作為系統的控制器件。該單片機具有高速的指令執行速度，同時(shí)將A／D轉換、交叉開(kāi)關(guān)等復雜的外圍功能部件集成到單片機內部，簡(jiǎn)化了電路，提高了系統設計的可靠性。

鍵盤(pán)模塊使系統具有手動(dòng)獨立控制能力，該模塊的設計采用4×4非編陣列式鍵盤(pán)實(shí)現確認、停止、清除、復位、通信、存儲、時(shí)間設置等功能。按鈕的行、列線(xiàn)分別接到MCU的P6端口，采用“行掃描法”來(lái)確定鍵盤(pán)上具體哪一個(gè)鍵被按下。顯示器選用點(diǎn)陣式液晶顯示模塊FM12864F，用于顯示各通道數據、當前時(shí)間等，以便增強人機交互效果。采用串行時(shí)鐘DS1302進(jìn)行時(shí)鐘設計，在電路中我們用P0口的P0．5、P0．6、P0．7分別作為時(shí)鐘器件的串行時(shí)鐘線(xiàn)、數據線(xiàn)、復位線(xiàn)，將Vcc2連接到備份電源，以便在掉電的情況下能保存時(shí)間信息，這種記錄方便對長(cháng)時(shí)間的連續測試系統結果的分析以及對查找異常數據出現的原因有著(zhù)重要意義。

3．2 數據采集單元設計

數據采集單元采集車(chē)輛散熱系統的溫度、壓力、流量。

(1)溫度信號的采集 采用鉑電阻PT100來(lái)實(shí)現溫度信號的采集，測溫電路如圖3所示。采用R13、R14、VR2、PT100構成測量電橋，當PT100的電阻值和VR2的電阻值不等時(shí)，電橋輸出一個(gè)毫伏級的壓差信號，經(jīng)LM324放大后，接入從控機的模擬輸入通道AIN2進(jìn)行A／D轉換。

(2)流量信號的采集 采用超聲波多普勒流量計檢測流量信號。測量中超聲波發(fā)射器為一同定聲源，當超聲波發(fā)射器所發(fā)射的固定頻率的超聲波入射到這些固體顆粒時(shí)，被反射到接收器的超聲波頻率就會(huì )與發(fā)射頻率之間有一個(gè)差值，該頻率差就是由于流體中固體顆粒運動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移．由于這個(gè)頻移量正比于流體流速，所以測量此頻差就可以求得流速，進(jìn)而求出流體流量。

(3)壓力信號的采集 采用壓阻式傳感器來(lái)實(shí)現對壓力信號的檢測，測壓電路如圖4所示。在系統電路設計中，VD1采用LM385，其穩定電壓為2．5 V，為傳感器提供1．5 mA恒流源的基準電壓。U2與U3構成差動(dòng)輸入與差動(dòng)輸出的放大電路，通過(guò)U5變換為對地的單端信號輸出，該輸出信號接入C8051F012的模擬輸入通道AINO進(jìn)行A／D轉換。

3．3 外圍電路的設計

外圍電路主要配合控制器完成車(chē)輛散熱系統參數測試，主要由存儲、RS485通信、USB通信等電路組成。

3．3．1 數據存儲電路的設計

由圖2可知，需要測量散熱系統的溫度、壓力、流量參數，共11路。根據設計要求，每隔0．5 s對這11路參數采集一次，連續采集2 h。如果采用10位的A／D轉換器，需存儲器的容量為309．375 K字節。因此選取容量為8 Mbit的AT45DB081作為大容量存儲器，把車(chē)輛在相當長(cháng)時(shí)期內運行數據作為歷史數據存儲。圖5為存儲器接口電路，圖中將C8051F020的 P0．2、P0．3和P0．4引腳通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)配置為SPI的CLK、MISO和MOSI信號線(xiàn)，分別與AT45DB081的時(shí)鐘、串行輸出和串行輸入引腳相連。將P3．0、P3．1和P3．2分別與AT45DB081的片選、復位和忙閑引腳狀態(tài)相連。

3．3．2 通信電路的設計

(1)RS－485通信接口電路在測試電路中，主控機發(fā)送命令，從控機接收命令并執行相應的操作。因此采用RS－485通信協(xié)議來(lái)實(shí)現主從機間的多機通信，RS－485標準接口為差分驅動(dòng)結構，它通過(guò)傳輸線(xiàn)驅動(dòng)器把邏輯電平轉換為電位差，完成信號的傳遞，提高了信號的抗共模干擾能力。本系統采用 MAX485驅動(dòng)器進(jìn)行電平轉換。

(2)USB通信接口電路 在車(chē)輛參數測試電路中，我們通過(guò)PDIUSBD12擴展USB接口來(lái)實(shí)現主控機和上位機的通信。系統中PDIUSBD12與C8051F020之間采用地址數據總線(xiàn)復用的連接方式，PDIUSBD12的ALE作為地址鎖存信號，A0接高電平，C8051F020的地址和數據總線(xiàn)直接與PDIUSBD12的數據總線(xiàn)相連。其USB接口電路如圖6所示。

車(chē)輛工作環(huán)境復雜，電磁輻射是不可避免的，由于PDIUSBD12本身的ESD保護能力有限，為有效防止靜電放電損害電子元件．系統設計中在D-，D+和地線(xiàn)之間并聯(lián)一個(gè)瞬變電壓抑制器。其SN75240接口電路如圖7所示。當A，B或C，D兩端出現瞬間高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度把兩端的阻抗值由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，吸收一個(gè)大電流，從而將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)較小的數值，保護后面的電路元件不因瞬態(tài)高壓的沖擊而損壞。

3．3．3 電源電路的設計

目前車(chē)輛的電平電壓多數是24 V，而參數測試裝置正常工作時(shí)，控制器所需的供電電壓為3 V，內部其他器件所需的電壓為5 V。為保證參數測試裝置的正常工作，需要由車(chē)載電瓶將電壓轉換為+3 V、+5 V為參數測試裝置供電。

4 結束語(yǔ)

將上述硬件系統和電源系統、通訊單元等外圍電路制作成印制電路板，通過(guò)測試，該電路運行良好，而且在掉電和意外情況下能夠快速完整的將車(chē)輛散熱系統運行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數據存儲起來(lái)，并通過(guò)顯示器顯示當前通道的動(dòng)態(tài)參數值，實(shí)現了車(chē)輛散熱系統參數測試電路的設計要求。