汽车管道交变压力测试系统设计Word下载.docx

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实际运行结果表明，该系统不仅稳定可靠，而且软硬件扩充能力强。

汽车空调的压缩机、冷凝器、蒸发器以及各种管路等附件随着汽车工况的不同会承受各种高、低压力的冲击，而检验这些零部件受压能力的最好方法是进行交变压力耐久试验。

验的关键是需要对压力进行精确控制，另外还需要对循环介质的温度及环境温度进行自动控制，这对控制系统的性能和可靠性提出了很高的要求。

笔者针对当前国内汽车空调试验的实际需求以及国外先进设备的现有功能，采用将计算机控制技术和可编程逻辑控制器组合在一起的控制技术，提出了控制系统的设计方法及思路，并阐述了部分软硬件实现方法。

关键词：

热交变压力；

单片机；

汽车空调管道。

Title：

Automobilepipealternatingpressuretestingsystemdesign

Abstract

Inviewofthecurrentdomesticcarairconditioningheatalternatingpressuretestingoftheactualdemandandforeignadvancedequipmentavailable,thecomputercontroltechnologyandprogrammablelogiccontrollerarecombinedtogethertocontroltechnology,realizethealternatingpressuretestpressure,temperatureandotherparametersoftheautomaticcontrol.Thecontrolsystemnotonlyhasthecomputerstoragecapacity,fastcalculationspeed,convenientinformationinteractionetc.,alsoretainedtheprogrammablelogiccontrollerwithhighreliability,greatlyimprovestheoverallperformanceofthecontrolsystemandautomationdegreeofoperation.Practicaloperationresultsshowthat,thesystemnotonlystableandreliable,andthesofthardwareexpansioncapability.

Automobileairconditioningcompressor,condenser,evaporatorandvariouspipelineaccessorieswithdifferentvehicleconditionswillbearallkindsofhigh,lowpressureimpact,andtestthesepartsthecompressionabilityisthebestmethodforalternatingpressuredurabilitytest.Akeyisneededtoaccuratelycontrolthepressure,inadditiontothecirculatingmediumtemperatureandenvironmentaltemperatureautomaticcontrol,thecontrolsystemperformanceandreliabilityraisedverytallrequirement.Theauthorinviewofthecurrentdomesticcarairconditioningtestrequirementandadvancedforeignequipmentcurrentfunction,usingcomputercontroltechnologyandprogrammablelogiccontrollerarecombinedtogethertocontroltechnology,putforwardtocontrolsystemdesignmethodsandideas,andsomeofthehardwareandsoftwarerealizationmethod

Keywords:

thealternatingthermalstress;

Singlechipmicrocomputer；

Automobileair-conditioningpipe。

第一章绪论

汽车空调的压缩机、冷凝器、蒸发器以及各种管路等附件随着汽车工况的不同会承受各种高、低压力的冲击，而检验这些零部件受压能力的好坏最好的方法就是做交变压力耐久试验。

而实现该试验的关键一是需要对压力进行精确控制，另外还需要对循环介质的温度及环境温度作出比较精确的控制，并实现24小时无人值守，因此这对控制系统的性能和可靠性提出了很高的要求。

按照压力交变试验的电气控制系统区分，大致可以分为计算机控制系统和可编程逻辑控制器控制系统等二类。

计算机控制系统更容易实现试验数据的存贮、打印等功能，单纯的可编程逻辑控制系统一般只能显示试验结果，对动态的试验结果无法进行数据的追溯和存储，但是，可编程逻辑控制器的可靠性比计算机控制系统高得多。

本文针对当前国内汽车空调试验的实际需求以及国外先进设备的现有功能，采用将计算机控制技术和可编程逻辑控制器组合在一起的控制技术，不仅使整机具备了计算机控制系统的存储容量大、计算速度快、便于信息交互等优点，还保留了可编程逻辑控制器的高可靠性优点。

本文给出了控制系统的设计方法及思路，并给出了部分软硬件实现方法。

汽车空调的普及，是提高汽车竞争能力的重要手段之一。

随着汽车工业的发展和许多人事物糊口程度的提高，许多人对恬静性，靠得住性，安全性的要求越来越高。

海内最近几年来，汽车出产厂家越来越多，产量越来越大，大量中高档车需要安装空调。

是以，对汽车空调的研究开发格外重要。

汽车空调系统降低了发动机动力性能，增加整车负载。

汽车空调系统绝大部分采用压缩式制冷循环，并分为直连式和独立式两大类。

采用直连式驱动时，压缩机动力来自汽车发动机，因此空调系统工作时必然降低发动机动力性能。

由于压缩机转速随车速变化，汽车制动时会停止制冷。

对于独立式汽车空调，增设专用发动机不仅减少汽车空间，而且增加整车负载，增大燃油消耗。

汽车空调系统制冷剂污染环境。

目前，汽车空调系统制冷剂主要采用R134a。

1996年以前的汽车空调制冷剂多用R12，该制冷剂对臭氧层破坏严重，我国已于2010年全面完成了CFC类工质的替代。

R134a作为R12的替代产物，虽然不破坏臭氧层但其全球变暖潜值为1300。

到2017年，欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP值大于150的制冷剂。

因此，研究开发利用汽车余热和可再生能源驱动的汽车空调系统，是汽车空调技术发展与进步的必然要求。

（1）余热制冷汽车空调是现阶段最有发展前景的新型制冷方式。

众多的理论计算和实验模拟表明，回收汽车余热驱动汽车空调制冷是可行的，且吸收式制冷可简化汽车原有的制冷、供热及发动机冷却水系统。

此外，由于没有运动部件，余热吸收式制冷系统更适合汽车工况，从提高能源利用效率、实现节能减排来论，是传统车用空调最有前景的替代技术。

（2）风力制冷汽车空调技术尚处于理论研究阶段，风力的大小与产冷量之间的确切关系有待进一步的实验研究。

该技术虽能很好地配合于现有的汽车空调制冷系统，但对车速有要求，且停车后无法工作，预测该制冷方式，今后将作为汽车空调的辅助制冷方式得以开发应用。

（3）太阳能汽车空调的主要优势是辐射强度与制冷量成正比。

但由于光电转换材料的效率低，且价格高，目前实用性较差；

光热转换的效率虽然较高，但也受太阳辐射波动的限制。

因此，太阳能空调将作为一种辅助的制冷手段，与其它制冷技术复合后工作才可达到节能目的。

但随着材料光热转换效率的不断提高以及蓄能设备的进一步发展，太阳能汽车空调技术将展现出广阔的应用前景。

（4）新能源汽车是我国“十二五计划”的一个重要课题，大力发展新型汽车空调是十分必要的。

我国八十年代以来陆续开展新型汽车空调技术的研究，虽然有一定的成果但研究还不深入。

例如，回收冷却水余热后产生发动机外围的温度变化对发动机的性能有无影响、风轮旋转带来的阻力对发动机耗功率的影响、新型汽车空调经济性分析等。

考虑到目前新型空调技术的效率普遍不高，为了保证空调系统完全不依靠燃油动力且能高效、稳定运行，今后汽车空调可向多种能源复合制冷的方向发展。

第二章方案论证

2.1系统设计要求

系统要求要有比较高的采样与控制精度，压力和温度采样通道要求有压力控制和温度控制是典型过程控制，也是整个下位机软件的核心部分，其中压力控制是典型的随动控制系统，要求输出压力随给定信号的变化而变化。

2.2系统方案论证

2.2.1系统结构设计

系统总体结构如图1所示。

图中STC89C54是下位机的核心控制单元，完成系统的现场信号采集、处理、逻辑运算以及控制算法的实现，它与上位机通过串口进行信息的交互。

其外围电路有4种电路组成，分别为模拟量输入采样电路、开关量输入采样电路、模拟量输出控制电路、开关量输出控制电路。

由于系统要求有比较高的采样与控制精度，所以在设计中采用12位的模数、数模转换器，同时为了完成多点温度和压力的检测与控制，使用8路AI采样通道和4路的AO输出通道；

为了完成对多个继电器和电磁阀的状态检测以及准确控制，使用16路的D1信道和16路DO信道。

2.2.2单片机选择论证

AM89C51单片机学习板是一款基于8位单片机处理芯片的系统。

其功能强大，可以实现单片机开发的多种要求，学习、开发者可以根据需要选配多种常用模块，达到实验及教学的目的。

89C51单片机学习板功能强大，具有报警，跑马灯、串行通信（max232）、段码液晶（msm0801LCD）和字符液晶显示（LCD1602）、电机控制（L298）、A/D转换（TLC2543）、D/A转换（TLC5615）、温度采集（DS18B20）、数字信号合成（AD9851）、实时时钟电路（DS1302）、4—20mA输出、PWM输出（UC3842）、红外检测（KSM-603LM）控制等十七种功能，供学习者学习开发使用。

89C51-III单片机学习板采用的芯片都是常用芯片，使学习者对常用电子产品进一步学习理解。

在众多的51系列单片机中，89C51性价比较高，它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序内存采用FLASH工艺，适用于电擦写，对开发设备的要求较低，可大大缩短开发时间，且写入单片机内的程序还可方便进行加密。

此外，价格低廉也是它的主要优点，故本系统采用89C51为控制核心。

主CPU电路：

　　主CPU电路选用89C52RC系列单片机89C52RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。

89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。

特点：

（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU

（2）工作电压：

3.4V-5.5V（5V单片机）/2.0V-3.8V（3V单片机

　　（3）工作频率范围：

0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.

　　（4）用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节

　　（5）片上集成512字节RAM

　　（6）通用I/O口（27/23个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）。

可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。

每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA

　　（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

　　（8）EEPROM功能

　　（9）看门狗

　　（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）

　　（11）时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。

用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。

常温下内部R/C振荡器频率为：

5.2MHz～6.8MHz。

精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz～8MHz

　　（12）有2个16位定时器/计数器

　　（13）外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

　　（14）PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）

　　（15）89C516AD具有ADC功能。

10位精度ADC，共8路

　　（16）通用异步串行口（UART）

　　（17）SPI同步通信口，主模式/从模式

（18）工作温度范围：

0-75℃/-40-+85℃

（19）封装：

PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20

2.2.3传感器选择论证

压力传感器：

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造压力传感器而成的，这样的传感器也称为压力传感器。

。

　　我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；

当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

　　压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。

其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。

由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。

而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

　　压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的数日阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式样原理与应用：

磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

　　压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

温度传感器：

利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。

这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。

温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。

按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

接触式温度传感器：

　　接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。

　　温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。

一般测量精度较高。

在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。

但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。

它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。

在日常生活中人们也常常使用这些温度计。

随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度及、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。

低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。

利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

非接触式温度传感器：

　　它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。

这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。

最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。

辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。

各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。

只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。

如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。

而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。

在自动化生产中往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。

在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。

对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。

附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。

利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。

最为典型的附加反射镜是半球反射镜。

球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，从而提高有效发射系数式中ε为材料表面发射率，ρ为反射镜的反射率。

至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。

通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。

在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。

　　非接触测温优点：

测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。

对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。

随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。

所以综上，本文选择的传感器为压电式传感器和非接触式测温仪。

2.2.4A/D及D/A的选择论证

TLC2543是美国TI公司的12位串行模数转换器，是具有11个输入端的12位模数转换器。

TLC2543是一款性能价格比高的12位A/D转换器芯片，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。

其特点为：

串行输入结构；

价格适中；

分辨率（12位）较高；

在仪器仪表中有较为广泛的应用；

转换时间为10微秒；

11个仿真量输入通道；

采样率为66Kbps；

线性误差为最大±

1LSB；

有转换结束EOC信号；

具有单、双极性输出；

可编程的MSB或LSB前导；

可编程的输出数据长度等。

一、模块采用TI公司的TLC254312位串行A/D转