基于单片机的液压油箱自动散热系统设计

宋涛，于存贵，苏腾腾，李宗涛

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）



基于单片机的液压油箱自动散热系统设计

宋涛，于存贵，苏腾腾，李宗涛

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

摘要：针对某机构的液压油箱，设计一套自动散热系统。采用单片机控制该系统，通过液体温度传感器检测油液温度，控制电机转动进行散热，并用数字PID算法将油液温度控制在合适范围内，减少机构运行过程的能量，降低工作负荷。

关键词：液压油箱；自动散热系统；单片机；数字PID

如今能源问题是时代的主题，降低能量损耗，提高能量的利用效率，同时要保证系统工作在良好的工作状态是我们现在亟需解决的问题［1］。

液压系统工作时油液的温度会明显有所增加，油温对于液压系统的工作状态和工作效率有很大的影响［2］。对油液而言，当油温过高时，液压油粘度降低，可压缩性变差；对于执行系统而言，降低执行元件的运动速度；同时，在控制过程中，降低控制精度和快速性。

目前一般的液压油箱的散热方式有：自由冷却、介质冷却、油箱散热器冷却。自由冷却是用在液压油温变化不大，也即工作负荷较小的情况下。它是靠油箱将液压回路的油液自然冷却；这种方法使用的局限性较大，并不能满足于大部分液压系统中。介质冷却一般采用水冷的方式，能够较快速有效的控制油液的温度。但是一般体积较大，且还需配备水箱，对于应用在比较精简的机械结构中，适用性较小。油箱散热器冷却方法，通过一套较为紧凑复杂的机械装置安装在油箱上（或者油箱自带），通过电源持续供电，用风扇等进行冷却。这种方式成本较高，可控性不强，能源利用率较低。针对某机构液压系统，由于其在工作过程中油箱始终工作在散热状态，而系统工作在某些状态时，没有很多的热量输出，这使系统产生很多不必要的能耗，降低能量利用效率。本文采用单片机，通过液体温度传感器，设计了一套自动散热系统，控制散热电机的启动和调速来控制油液温度，使系统工作在一定的合适范围内，提高了工作效率，并且降低了能耗。

1　系统方案及原理

1.1系统结构设计

自动散热系统主要由控制模块、执行模块、检测模块、显示模块组成。控制模块包括单片机及其外围电路、A/D、D/A转换芯片等组成；执行模块包括一电机作为散热装置；检测模块包括一液体温度传感器，用来实时检测油液的温度；显示模块包括一液晶显示屏用来显示油液的温度。系统结构原理图如图1所示。

图1　自动散热系统原理图

1.2系统功能实现原理

由以上模块自动散热系统，机构工作时油液温度上升，油液温度通过温度传感器，经A/D转换，将模拟信号［3］转为数字信号并发送给单片机，单片机对油液温度进行实时监测并将当前温度值显示在液晶屏上，用于操作人员观测。当温度达到某一阀值时，记当前温度为危险温度，单片机输出数字信号经D/A转换成模拟信号并送达执行电机给油箱散热，当温度低于阀值时，单片机输出0 V，电机不转动。由于油箱温度在阀值以上一定范围内变化，将超过阀值的部分分为不同档位，单片机也输出0～5 V相应档位的电压值，档位越高输出越高的电压，从而根据当前温度通过控制电机转速来控制散热的快慢。

液压油的正常工作温度为30～60℃，不要超过70℃。将阀值定为40℃，将40～70℃总共设定5档，如表1所示。考虑到温度越高对系统影响越大，并考虑到散热不是及时实现的，需要预留一定余量，因此，设定超过55℃为不正常的工作温度，并将55℃以上设定为最大电压输出，以保证系统工作在正常温度范围内。

表1　40～70℃对应相应档位

2　系统硬件设计

系统硬件包括单片机［4］、液体温度传感器［5］、A/D、D/A芯片以及一些驱动电路与电器元器件［6］。

2.1单片机选取

在系统运行过程中，单片机作为控制模块起着至关重要的作用。本文选择STC89C52单片机。它有4 KB片内程序存储器ROM；128字节的片内数据存储器；4个I/O接口——P0～P3；外接11.059 2 MHz晶振。

2.2?检测模块设计

传感器作为感知外界信息的“眼睛”，是本系统中重要的一个环节。一般常用温度传感器DS18B20［7］，其具有体积小、抗干扰能力强的特点。考虑到要探测液体温度，需要其具有防水、耐腐蚀等的特点，区别于一般的温度传感器，选择液体温度传感器。本文选用JCJ100TW简易式温度传感器，采用不锈钢金属外壳封装，内部填充绝缘导热材料密封而成，最大测温范围-55℃～+125℃，精度±0.5℃（-10℃～+85℃）。有体积小、反应灵敏、种类丰富、防水抗震等特点。

2.3D/A、A/D转换模块设计

D/A芯片选取TLC5615，是一个串行10为DAC芯片。只要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行传输。其设计电路如图2所示。其DIN、SLK、CS引脚分别接P2ˆ7、P2ˆ6、P2ˆ5口。

图2　TLC5615芯片电路图

A/D芯片选取AD0804，是连续渐进式A/D转换器，具有转换速度快、分辨率高、价格便宜的特点。其与单片机P1口并行连接，用来将由液体温度传感器探测到的温度模拟信号转换为数字信号传输给单片机进行处理。其电路图如图3所示。

图3　AD0804芯片电路图

3　单片机温控系统软件开发

整个系统控制通过C语言［8］实现，流程图见图4。程序设计为两种功能模式：自动模式和手动模式，通过检测模式切换按键是否按下来判断，按键开关接P3ˆ7口，当按下时，输入单片机低电平，为手动模式，否则为自动模式。手动模式下，3个按键分别连接P3ˆ4～P3ˆ6口，用来给电机发送加速、减速、启动和停止指令；自动模式下，通过设置定时器，定时传感器每50 ms采样一次，即每隔50 ms检测油液温度。传感器自己工作通过阀值来控制电机散热。这种设计不仅可以防止自动模式失效预防故障，还可以自主进行手动操作，并且可以实时进行两种模式的转换。

图4　程序流程图

4　数字PID控制

PID控制器（如图5），是一种线性控制器，根据给定值r（t）与实际输出值y（t）的误差e（t），进行比例微分积分线性组合，作用于控制对象［9］。

图5　PID控制原理图

式中：Kp、KI、KD分别为比例、积分、微分系数。

在PID算法中，由于偏差e贯穿整个积分过程，计算机对e（t）进行累加产生很大的累计偏差，影响控制的效果，在工程上多采用数字PID的控制方法［10］。它是一种增量式的，其输出是控制器的增量△u（t）。

将上式离散化处理，并取t=k、t=k-1，得：将上两式相减

调节KP、KI、KD3个系数的值综合考虑系统进入稳定的时间长短、系统超调的大小、稳态精度的高低以及过渡过程的稳定性等因素，调试出最优系统。

将上式变型：

即△u（k）=Ae（k）+Be（k-1）+Ce（k-2）只要控制A、B、C获取3次误差值即可。

5　结论

基于单片机的自动散热系统应用于液压油箱中，具有一定的实用性。能够有效的检测与控制油箱的温度在合适的范围内，同时提供了两种工作的模式，方便于人工的操作和预防故障。该系统设计成本低、结构小、可靠性较好，能够有效的减少液压系统工作时系统的能耗，节省了一定电力，特别在一些移动式或对于供电有特殊要求的设备中，有较好的推广前景。

参考文献：

［1］张忠远.液压节能技术［M］.北京：清华大学出版社，2012.

［2］秦大同，谢里阳.液压传动与控制设计［M］.北京：化学工业出版社，2013.

［3］吴镇扬.数字信号处理［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［4］李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［5］侯建华.基于51单片机的温室测试［J］.电子技术，2007（7）：3-7.

［6］秦立煌.电子技术［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［7］夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现［J］.煤炭技术，2013（2）：191-193.

［8］郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［9］余成波，张莲，胡晓倩.自动控制原理［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［10］历风满.数字PID控制算法的研究［J］.辽宁大学学报，2005，32 （4）：367-370.

Deslgn of hydraullc oll boX automatlc heat dlsslPatlon system based on slngle-chlP mlcrocomPuter

SONG Tao，YU Cun-guj，SU Teng-teng，LI Zong-tao
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract:Ajmjng at hydrau1jc oj1 box of some mechanjsms，desjgn a automatjc heat djssjpatjon system. The system whjch contro11ed by sjng1e-chjp mjcrocomputer djssjpates heat by e1ectromotor to majntajn the oj1 temperature jn approprjate range wjth fjgure PID arjthmetjc，and detects the oj1 temperature wjth 1jqujd-temperature sensor. Thjs system reduces energy and work-1oad jn mechanjsm operatjon.

Key words:hydrau1jc oj1 box；automatjc heat djssjpatjon system；sjng1e-chjp mjcrocomputer；fjgure PID

中图分类号：TN431.2

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0132-03

收稿日期：2015-06-02稿件编号：201506027

作者简介：宋涛（1991—），男，江苏镇江人，硕士研究生。研究方向：机、电、液控制。