基于Android的汽车热管理系统设计

李春芳，王 瑞，朱婷婷，李享元

(中南民族大学电子信息工程学院，武汉430074)

汽车热管理系统从系统集成和整体角度出发，统筹热量与发动机及整车之间的关系，采用综合手段控制和优化热量传递［1］.热量系统工作的性能，直接影响着汽车动力系统的整体性能［2］.目前大部分的汽车发动机冷却系统仍属于被动的传统系统［3，4］，只能有限调节发动机和汽车的热分布状态，不能精确地控制循环冷却液量和冷却空气流量［5］，不能使发动机各部件工作在最佳的温度范围［6-8］.为此，本文设计了热管理控制系统，该系统以低功耗、高速汽车级单片机 C8051F500作为微处理器［9］，选择无刷直流风扇作为散热风扇，控制简单，工作稳定并可实时监控风扇的转速.通过控制各路DA输出电压来控制相应通道的风扇转速，通过水温、进气口温度传感器测量发动机冷却水和空气温度，处理器根据温度的大小而自动控制风扇的转速.控制器可以控制6路无刷直流风扇，控制方式可分为手动控制和自动控制，还可以实时的监测风扇的转速，并可以进行预警温度设定.

1 热管理系统的设计

1.1 无刷电机系统功能设计

由于有刷电机存在碳刷，容易磨损，需要经常更换，维护也困难［10］.在本系统中采用无刷电机驱动散热风扇，用于汽车发动机温度监控和调节，具有便捷且易于控制的优点.本系统基于Android操作系统［11］A8处理器平板电脑作为上位机接收发动机的工况数据，采用C8051F500单片机［12］作为热管理系统控制器，通过TLC5628的8路D/A输出电压控制6路风扇的转速(另外两路备用)，达到对水冷器、中冷器两路温度的控制，同时将风扇的转速和两路温度进行测量并通过蓝牙通信［13］实时发送到Android操作系统平板电脑，达到对发动机工况的监控目的.其系统的整体功能框图如图1所示.

图1 无刷电机系统整体框图Fig.1 Brushless motor system overall diagram

1.2 硬件模块的设计

硬件电路采用模块化的设计，按照功能分为7个部分，分别为:系统电源部分，单片机部分，D/A输出电路，2路温度测量电路，6路频率测量电路，BC4蓝牙模块，报警电路.系统电源部分给控制系统提供电源，让各模块正常工作.单片机采集检测温度传感器的实时温度和测量风扇的频率，与BC4模块通过串口通信，控制散热风扇的转速.2路温度测量电路测量水冷器和中冷器的温度，然后将测量数据通过BC4蓝牙模块传送给上位机.6路频率测量电路:测量风扇的转速，将数据反馈给上位机.水冷器和中冷器的温度达到上下限后发出报警信号.

1.3 两路温度测量和6路频率测量

(1)系统采用2个不同的模拟温度传感器(水温传感器和气温传感器)实现对水冷器和中冷器温度的取样，再利用单片机自带的12位AD对取样值进行模数转换，并发送给上位机平板电脑软件，达到实时监控的目的.整个系统对于温度测量的精度要求不高(精确到1℃)，而采用的两个传感器都可以精确到0.5℃以内.两路温度测量如图2所示.

图2 气温和水温度测量电路图Fig.2 Measurement circuit diagram of temperature

(2)无刷电机每个风扇转动时会输出一个幅值为15V左右的方波，其频率随着风扇转速的加快而增大，若风扇停止转动，这个方波幅值不变，频率为

2 基于Android的蓝牙监控软件设计

2.1 Android平台下与蓝牙模块的通信

Android平台下使用蓝牙是通过广播来实现的［14］.程序进行蓝牙搜索前，先注册一个广播接收器，表明将接收蓝牙设备广播，当系统发现蓝牙设备时将发出一个广播，程序注册的广播接收器的回调10Hz.风扇输出的方波最低频率为10Hz，系统采用计数器在200ms内对高脉冲计数的方式测量其频率.频率测量电路如图3所示.函数将会被调用，在该回调函数中将找到的蓝牙设备加入蓝牙设备列表，搜索完成后，程序将注销广播接收器，并返回主界面.

图3 频率测量原理图Fig.3 Principle diagram of frequency measurement

根据用户在蓝牙设备列表中的蓝牙地址作为参数调用Android系统的API获得一个rfcomm套接字，该套接字代表主机与蓝牙设备之间全双工的采用SPP模式的数据流，获得该套接字后，主机从其读取或者写入数据即可与下位机蓝牙模块进行通信.因为下位机发送数据的时刻是不确定的，为了避免接收数据缓冲区溢出，增强控制系统的实时性，必须要不断地监听这个套接字，所以采取多线程的方式，用一个单独的线程不断地从该套接字读取数据，当填充完一定大小的缓冲区时，便发送一个消息到主线程，使其能及时地获取下位机发送的数据.发送数据这一事件由用户触发，不需要单独的线程来处理，在用户界面主线程中完成即可.当用户输入参数，按下确定键时，消息处理函数将参数传入数据编码模块，最后将数据写入rfcomm套接字，完成发送数据步骤.

2.2 程序的功能

本程序的功能是向下位机发送控制参数，并显示下位机的反馈数据.有两种操作模式，分别是自动模式和手动模式.自动模式设置好温度值的上下限时，控制程序可以根据下位机的实时反馈来控制下位机，当实时温度大于温度预设值上限时，提高风扇的功率，增加散热，反之，降低风扇的功率，达到节能的目的;手动模式需要用户根据下位机反馈到主机上的实时温度来手动输入相应频道的功率，在手动模式下，每个频道的风扇功率可以单独设置，让用户可以更精确地控制设备的温度.

2.3 工作模式的设置及实现

本系统通过水冷器和中冷器温度控制6路风扇的转速，分为两种控制模式:自动反馈控制和上层软件界面手动控制，如图4所示.

(1)自动反馈控制模式:系统上电默认为自动模式.上电完成初始化后，启动“自动调节”:先测量水冷器温度和中冷器温度，然后进行6路频率测量，接着将当前测量的数据通过BC4蓝牙模块发送到上位机(PC机软件可观察到数据)，然后根据测量的两路温度值自动控制6路风扇的转速和相应的报警灯.

(2)手动控制模式:手动修改风扇转动的参数时，首先要验证上位机密码，密码验证通过后再向下位机发送控制模式选择(自动和手动)和相应的参数，如果选择自动方式，则需要将水冷器和中冷器的调节上下限和报警温度发送给下位机，下位机收到后自动调节6路风扇的转速.如果选择手动方式，则需要通过上层软件界面修改风扇的DA偏置(0%100%)，点击确定按钮即可.

(3)密码修改模式:手动修改密码时，先要验证当前密码，验证后通过上位机软件选择密码修改模式，输入新的6位数密码(只能是09数字)，点击确定即可.

3 测试结果

取任意一路风扇进行测试，测量其在不同偏置下的转速，并通过改变偏置来控制风扇的转速.首先需要上位机密码验证，默认密码为:123456，密码验证通过后再向下位机发送控制模式选择(自动和手动)和相应的参数，如果选择自动方式，则需要将水冷器和中冷器的调节上限、调节下限和报警温度发送给下位机，下位机收到后自动调节6路风扇的转速.如果选择手动方式，则需要通过上层软件界面自行修改每个风扇的DA偏置(0%100%)后点击确定按钮即可.测试结果如图5所示.

4 结语

基于Android平板电脑的汽车热管理系统，采用蓝牙作为数据和控制的通信手段.下位机采用蓝牙BC4模块作为蓝牙模块与平板电脑通信.系统的控制芯片使用C8051F500汽车级的微控制器与BC4模块通信，设备升级、维护成本都很低.同时，采用蓝牙作为通信技术，数据传输速率可达1Mbit/s，也可用于高速数据采集以及传输，克服了普通有线数据传输现场接线和密封问题，应用比较方便，适用汽车的热管理系统，并成功在广州大华德盛热管理系统技术有限公司获得应用.

图4 Android平板电脑操作界面Fig.4 Interface of Android tablet PC

图5 驱动偏置电压控制下无刷风扇的转速图Fig.5 Speed chart of brushless fan under driving offset voltage control

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