沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）
第一章 绪论
1.1课题研究的背景和意义
汽车产业是国民经济重要的支柱产业，产业链长、关联度高、就业面广、消费拉动大，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用。随着科技的发展和人民生活水平的不断提高，人们对汽车的需求也急剧增加，当汽车普及率大幅度提高后，人们对汽车的消费观念已由奢侈品转移为生活必需品，相对的，对产品的质量要求，售后服务水平也日益提高，为了能更好的让汽车为我们的生活服务，更安全的行驶，需要保证车辆散热系统的稳定。
此次课题研究的重点在于通过软件编程来实现复杂实用的功能，充分利用了单片机对数字信号的高敏感性、实时性、可控性和温度传感器与压力传感器的准确性，并使用LED显示，功能齐全且应用方便。同时，系统结构电路简单，成本低，可以很好的普及应用于汽车行业。
1.2国内外研究状况及其发展
车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，在20世纪60年代，汽车上仅有机油压力传感器、油量传感器和水温传感器，它们与仪表或指示灯连接。进入70年代后，为了治理排放，又增加了一些传感器来帮助控制汽车的动力系统，因为同期出现的催化转换器、电子点火和燃油喷射装置需要这些传感器来维持一定的空燃比以控制排放。80年代后，防抱死制动装置和气囊提高了汽车安全性[1]。如今，传感器应用于汽车行业可以用来测定各种流体温度和压力（如进气温度、气道压力、冷却水温和燃油喷射压力等），但就我国汽车行业的发展状况看，由于缺乏实车试验测试条件，加上车辆工作环境的复杂性，使得有效的实车试验数据严重缺乏，试验周期长，数据可复现性差，无法向工程设计部门提供准确有效的实车试验数据，严重影响车辆总体技术的进一步发展。所以从这个角度来说，我国的车辆散热系统参数监测的研究存在着一定的发展空间。
1.3本课题主要研究的内容
本课题以C8051F020单片机为核心，将信息采集技术、信息存储技术及信息处理技术、信息传输技术等相互融合，来对车辆散热系统的压力和温度参数进行高精度的测量，以便实时发出报警提示，在汽车行驶中提示用户注意安全。
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压力采集模块采用的MPX2100半导体压力传感器可以把压力转换成毫伏级的差模电压,具有良好的线性度,它的输出电压与外加的压力成精确的正比例关系，温度采集模块采用DS18B20对温度进行实时监测，单片机可随时读取压力和温度数据，并通过远程异步通信设备传输出来，并将采集来的信息通过LED实时清晰的呈现给用户，以便用户随时了解当前的设备工况。
本设计主要做了如下几个方面的工作：首先是确定系统的总体功能设计方案；其次是进行温度传感器的硬件电路和软件系统的设计；再次是进行压力传感器的硬件电路和软件电路的设计；最后对设计的车辆散热系统进行调试运行。整个系统最终系统要完成的功能如下：
1) 实现对车辆散热系统压力参数的显示； 2) 实现对车辆散热系统温度参数的实时显示； 3) 实现通过程序设置温度与压力的正常范围； 4) 实现检测车辆散热系统参数溢出报警； 5) 将采集信号通过异步通信传输。
1.4 本章小结
本章首先介绍了汽车对当今人们生产、生活所带来的影响，以及压力传感器和温度传感器的现状和发展，其次对国内外压力传感器和温度传感器的发展前景进行了简单陈述，最后交待本次设计的主要内容和要求。
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第二章 方案的比较和论证
2.1 基于C8051F020车辆散热系统的参数监测仪的设计原则
(1)设计合理。设计的检测仪是为了能够完成相应的功能，所以能够保证可以使用是所有设计原则的基础，本次设计是为了检测车辆散热系统的参数，即应用相应的温度传感器和压力传感器，通过驱动和数码管相连，进行实时检测，并连接蜂鸣器进行报警提醒，由于检测的是车辆内部结构的参数，所以需要将数据传输出来。整个过程的核心是C8051F020单片机，联系着各个模块，使整个过程趋于完整。
(2)设计方便实用。系统的设计最终是要给用户使用的，所以在系统的软硬件设计时，应本着从使用者角度考虑操作和维护的简洁性和灵活性，尽量使得系统操作简单易懂，避免要进行专业培训，从而使系统有很大的实用价值和广阔的市场空间。所以在设计系统时按键个数少功能简单便于记忆，数码管显示参数更直观易懂，报警设置更加人性化。
（3）设计系统价格合理。设计系统应选择更廉价功能更强大的器件，单片机的型号已经选定，所以应该比较选择好各个传感器以及驱动部分元器件，同时外围硬件电路在保持基本功能的同时做相应的简化处理，在系统性能和速度可以满足的情况下尽可能用软件是先来取代硬件实现。
2.2 本系统所用元器件的选取
现在的市场上器件各种各样，不同的设计要求决定了需要不同的元器件，本文基于上面所提到的设计原则，提出几种备选方案，经过论证对比，以确定选用的最佳方案。 2.2.1 压力传感器的选择
压力传感器主要用于检测气缸负压、大气压、涡轮发动机的升压比、气缸内压、油压等。吸气负压式传感器主要用于吸气压、负压、油压检测。汽车用压力传感器应用较多的有电容式、压阻式、差动变压器式（LVDT）、表面弹性波式（SAW）。设定方案如下：
方案一：采用应变片压力传感器。其原理是：当导体或半导体在受到外界
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力的作用时，会产生机械形变，从而导致阻值的变化，通过测量阻值的大小，就可以反应外界作用力的大小。但是由于电源电压或电流的增加会造成应变片自身发热，从而造成测量误差，所以若应用此方案，应考虑温度补偿电路。此外，由于应变片阻值的分散性，即使应变片处在无压的状态，应变片电桥仍会有压力输出，故在测量电路中应设置调零电路。
方案二：采用压阻式压力传感器。压阻式传感器是利用晶体的压阻效应制成的传感器。当它受到压力时，应变元件的电阻会发生变化，从而使输出的电压发生变化。在硅膜片上做成四个等值的电阻应变元件。构成惠斯顿电桥。当受到压力作用时，一对桥臂的电阻变大而另一对桥臂电阻变小，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电压。由于硅压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变的灵敏系数大50～100倍，故硅压阻式传感器多的满量程输出可达几十毫伏至二百多毫伏，有时不需要放大就可以直接测量。此外压阻式传感器采用集成电路工艺加工，尺寸小，重量轻。且分辨率高，频率响应好。但其对温度很敏感，在应用电路中要采用温度补偿。
方案三：采用压电式压力传感器。压电式压力传感器可用来测量压力范围为104～108Pa、频率为几赫至几十千赫的动态压力。在内燃机的气缸、油管、进排气管的压力测量、枪炮的膛压、航空航天等领域都得到了广泛的应用。其弹性元件是由膜片、膜盒等把压力收集起来，转换成集中力，再传递给压电元件。在使用时要考虑到加速度、温度等环境干扰的补偿[2]。
综合上述方案，考虑到使用方便简洁，元件成本问题，采用方案二的压阻式压力传感器作为本次设计的压力传感器。 2.2.2 温度传感器的选择
对于温度传感器来说，温度传感器主要用于检测发动机温度、吸入气体温度、冷却水温度、燃油温度以及催化温度等。温度传感器大致分为三类：数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。设定方案如下：
方案一：采用热敏电阻，利用电阻随温度的变化情况来测量温度，可满足40～90℃的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，其测量温度范围相对较小，稳定性较差，对于本系统对温度的要求无法满足。
方案二：采用温度传感器铂电阻 Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在 0～
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100 摄氏度时，最大非线性偏差小于 0.5 摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt = R0(1+At+Bt*t) ;其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻；R0 是温度为 0 摄氏度时的电阻；t 为任意温度值，A,B 为温度系数。当然其价格也相对比较昂贵。
方案三：采用数字温度传感器DS18B20，其温度测量范围可以从-55℃～+125℃，-10～+85℃时测量精度为±0.5℃，测量分辨率为0.0625℃，电源电压范围从3.3～5V 。它只需要一根总线做数据传输，同时还可以组建传感器网络，其每个传感器均有单独编号，核心控制器可以进行识别，不需要校正，接口简单，通俗易懂，成本低廉，方便获得。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够将测量的温度直接显示出来，具体运算过程在程序中实现即可，也可以根据要求改变测量的精度，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。因其体积小，接口方便，数据获取简洁，内含寄生电源而得到广泛应用[3]。系统有如下4个特点：
（1）适合于恶劣环境的现场温度测量，系统的抗干扰性好； （2）可实现零功耗等待；
（3）数据串行通信，无需要外部元件； （4）通过信号线供电，不需要备份电源；
综合以上三种方案以及手中拥有的资源，本着为用户着想的原则，数字式温度传感器使用简单，测量数据准确，精度高，功能全，可靠性强，是我们的首选。所以本设计采用第三种方案，利用数字温度计DS18B20作为温度传感器。 2.2.3 即时显示器件的选择
现在使用最多的显示器件有两种：LED显示和LCD显示。设定方案如下： 方案一：LCD显示屏具有体积小、重量轻、省电、辐射低，显示内容丰富且便于携带等特点，LCD显示可以满足用户自定义的需求，可以显示用户需要的自己设计的图案和数据，应用相当灵活方便。尤其是在显示复杂数据时，根本不需要改变硬件电路结构，只需要编写相应的软件代码即可不断地完善和扩展显示的能力。其外围电路设计简单，显示能力的改变不会涉及到硬件电路的结构，可更改性极佳。LCD显示现在已经为广大用户所熟知并广泛应用于现实生活中，美中不足之处是LCD显示屏的价格要稍微高一点，驱动程序的编写对用户要求比较高。
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