摘 要：介紹了AVR芯片ATmega8在汽車(chē)預(yù)加熱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。分析了汽車(chē)預(yù)加熱的工作原理，在對(duì)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)作分析的基礎(chǔ)上，著重介紹了預(yù)加熱系統(tǒng)的硬件組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各模塊的作用以及預(yù)加熱器的進(jìn)風(fēng)階段、給油階段、點(diǎn)火階段與工作階段的過(guò)程控制，最后介紹了預(yù)加熱器的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 預(yù)加熱器 控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（a）-0092-01

作為一種全新的汽車(chē)輔助供暖系統(tǒng)——駐車(chē)加熱裝置，正逐漸走入越來(lái)越多人的生活。在冬季的啟車(chē)過(guò)程中一般需要在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后使其空轉(zhuǎn)一段時(shí)間，待水溫升至一定溫度后再進(jìn)行駕駛。該方式缺點(diǎn)主要集中在如下幾個(gè)方面：首先，冷啟動(dòng)是否成功；其次，即使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功，但為迅速提高冷卻液的水溫將不得不使用發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)的方式來(lái)達(dá)到目的，這將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成巨大的傷害[1]。本文介紹了一種基于AVR單片機(jī)的汽車(chē)預(yù)加熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，這種預(yù)加熱裝置在寒冷的冬季它可在乘客沒(méi)有進(jìn)入車(chē)內(nèi)之前就向乘客艙及發(fā)動(dòng)機(jī)艙提供供暖，在提供溫暖、舒適的駕乘環(huán)境的同時(shí)，徹底解決車(chē)輛冬季冷啟動(dòng)的問(wèn)題。

1 預(yù)加熱器工作原理

預(yù)加熱結(jié)構(gòu)包括水泵、風(fēng)機(jī)、油泵、散熱器、燃燒室、排氣管和點(diǎn)火器等組成。預(yù)加熱過(guò)程主要分為進(jìn)氣階段、噴油階段、點(diǎn)火階段和工作階段四個(gè)工作步驟。進(jìn)氣階段是外部空氣進(jìn)入預(yù)加熱裝置的燃燒室內(nèi)，為預(yù)加熱過(guò)程的點(diǎn)火階段提供充足的氧氣。噴油階段指燃油泵從油箱中將燃油吸出，通過(guò)一段油管將燃油輸送進(jìn)燃燒室，燃油氣與助燃空氣充分混合后由點(diǎn)火器引燃。系統(tǒng)中的油泵為間歇式擠壓泵，當(dāng)需要抽取燃油時(shí)油泵以往復(fù)擠壓的形式向加熱器內(nèi)部供油，該方式既可保證系統(tǒng)燃油的供應(yīng)也可起到節(jié)油的目的。工作階段指預(yù)加熱裝置利用其內(nèi)部的水泵將發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液吸入其本體內(nèi)部的水套中，當(dāng)冷卻液流經(jīng)熱交換室的梳狀換熱片時(shí)進(jìn)行熱量交換，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液被加熱器管路送入空調(diào)暖風(fēng)散熱器中，在鼓風(fēng)機(jī)的作用下達(dá)到對(duì)乘客艙供暖的目的。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車(chē)預(yù)加熱裝置的控制系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主控制器模塊、傳感單元、風(fēng)機(jī)控制模塊、油泵控制模塊、水泵控制模塊和電源模塊6個(gè)部分組成。

2.1 核心控制器

考慮到控制系統(tǒng)模塊的體積和成本，本控制系統(tǒng)的核心控制器采用AVR系列ATmega8單片機(jī)。AVR采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線，可以獲得較高的性能以及并行性。程序存儲(chǔ)器里的指令通過(guò)一級(jí)流水線運(yùn)行。CPU在執(zhí)行一條指令的同時(shí)讀取下一條指令。ATmega8是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

2.2 傳感單元

模擬量采集主要是采集剛體溫度、燃燒室溫度以及水泵溫度。剛體溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)剛體出水口的溫度，并實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)加熱過(guò)程的剛體溫度變化，其傳感單元采用高精度的熱敏電阻。水泵溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)水泵入口的水溫，并實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)加熱過(guò)程的水溫，它們均采用高精度的熱敏電阻作為傳感元件。燃燒室溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)燃燒室的溫度，并實(shí)時(shí)檢測(cè)燃燒室的溫度，通過(guò)判斷燃燒室的溫度變化來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的點(diǎn)火成功與否，燃燒室的溫度傳感單元選擇要求其耐熱溫度至少為1500 ℃。

2.3 電源

單片機(jī)采用5 V電源供電，但是汽車(chē)預(yù)加熱系統(tǒng)的外部供電電源根據(jù)汽車(chē)的型號(hào)不同而不同，一般有24 V、16 V、12 V等。本文設(shè)計(jì)的預(yù)加熱系統(tǒng)主要安裝在柴油機(jī)上，它的外部供電電源為24 V，因此本文選用LM2576作為電源調(diào)整模塊。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

控制分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）與脈沖寬度頻率調(diào)制（PWM—PFM）三種。PWM控制是指脈沖頻率固定、脈寬可調(diào)的控制方法，脈沖寬度調(diào)制控制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，它是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。脈沖頻率調(diào)制控制是指調(diào)制信號(hào)的占空比不變，頻率變化的方法。PWM是利用波脈沖寬度控制輸出，PFM是利用脈沖的有無(wú)控制輸出。PWM優(yōu)點(diǎn)是噪聲低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但它沒(méi)有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)通方式。PWM-PFM兼有PWM和PFM的優(yōu)點(diǎn)。

3 加熱器的過(guò)程控制

在汽車(chē)預(yù)加熱裝置的過(guò)程控制中主要分為進(jìn)氣階段、噴油階段、點(diǎn)火階段和工作階段。這幾個(gè)階段主要考慮的是油泵的泵油速度、風(fēng)機(jī)的給風(fēng)速度，如果油泵的泵油速度超過(guò)匹配的給風(fēng)速度，就會(huì)導(dǎo)致泵油量過(guò)大，燃油沒(méi)有充分燃燒就排入空氣，從而造成環(huán)境污染、浪費(fèi)能源等問(wèn)題；若給風(fēng)速度過(guò)大就會(huì)增加燃油熄火的可能性，也會(huì)導(dǎo)致燃油不能充分燃燒就排入空氣的現(xiàn)象。

進(jìn)氣階段只有風(fēng)機(jī)在工作，轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分，持續(xù)時(shí)間為12 s。然后改變PWM脈寬對(duì)風(fēng)機(jī)調(diào)速，降低其轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)電熱塞，電熱塞預(yù)熱，經(jīng)過(guò)40 s后，油泵快速泵油進(jìn)入噴油階段，油泵以120 次/分的速度進(jìn)油，噴油階段與點(diǎn)火階段沒(méi)有明顯的界限，根據(jù)燃燒室溫度與剛體溫度判斷此時(shí)點(diǎn)火成功與否，如果點(diǎn)火成功則關(guān)閉電熱塞，開(kāi)啟水泵。當(dāng)水溫達(dá)到78℃時(shí)，根據(jù)水溫與燃燒室溫度反饋降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與油泵的泵油頻率，直到水溫達(dá)到82℃時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與油泵的泵油頻率使水溫保持不變，打開(kāi)暖風(fēng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述汽車(chē)預(yù)加熱系統(tǒng)作為一種新興的輔助供暖裝置在冬季冷啟動(dòng)及預(yù)熱駕駛艙方面有其突出的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，當(dāng)然也存在著一些不足。

優(yōu)點(diǎn)：有效提升整車(chē)的冷啟動(dòng)性能。在乘客進(jìn)入駕駛艙前為其提供舒適的環(huán)境。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)提供有效的保護(hù)?？墒褂枚喾N控制方式，包括遠(yuǎn)程及手動(dòng)等多種方式。

缺點(diǎn)：成本高，不利于全面普及。增加燃油消耗。需對(duì)較多零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，如油箱蓋、整車(chē)線束、冷卻循環(huán)系統(tǒng)等。

參考文獻(xiàn)

[1] 田鈞，趙南.汽車(chē)預(yù)加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析及工作原理簡(jiǎn)介.中國(guó)科技信息，2006（24）：74-75.

[2] ATmega8.原理及應(yīng)用手冊(cè)[M].清華大學(xué)出版社，2003.