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1、武汉理工大学毕业论文（设计）11 绪论1.1 引言汽车尾气余热发电是一种汽车利用尾气余热进行发电的技术，属于汽车部件制造技术领域，在后排气管上安装有能量转换器，能量转换器的电量输出端通过连接器连接汽车电池的输入端。汽车发动机工作时，通过后排气管排放高热量的尾气，能量转换器吸收热能并转换成电能，向电池充电。该技术有效地回收、利用了汽车残余能量，大大地提高了能源使用效率，有利于环境保护，性能可靠。在尾气余热发电装置内由两种金属组成的回路中，如果两个接触点之间产生温度差，金属电子的状态会发生变化形成电流，这种热电转换现象即为热电效应。尾气余热发电原理就是利用不同金属间的温度差进行发电，将尾气中含有的
2、热量转化为汽车动力来源，采用这种装置后，预计可将汽车燃油经济性提高 10，而且还可以减少二氧化碳等有害废气的排放。根据研究，汽油燃烧产生的能量中有 70通过尾气排放等形式散失到大气之中，最多只有 30的能量转化为机械能，其中还有一些由于齿轮、轮胎的机械摩擦、蓄电池工作等原因而被消耗掉，最后只有 20左右转化为驱动行驶的动力。开发中的尾气余热发电系统主要采用热电转换技术，由不同的金属和半导体成对组合，可以安装在汽车下部的催化转化器和消声器之间，利用高温尾气和低温冷却水之间的温度差发电，充分利用和回收热量，提高热效率。 热电转换模块是整个汽车尾气余热发电系统的核心环节，利用热电效应将尾气余热转换为
3、电能。汽车尾气余热发电装置的中心环节是热电转换，该模块将汽车所排放的高温尾气所携带的热量转换为低压电能，发出的电能一般都为低电压、小电流的小功率电能，不能直接应用，需要经过 DCDC 升压、储能处理后才能正常利用。并将各小的热电转换模块进行并联，以达到所需电压及功率。1.2 研究意义随着人们生活水平的提高，人们在交通出行上对汽车的依赖程度越来越大，而全球汽车数量的不断增加，给世界环境带来的危害也越来越严重。将热电转换技术运用到汽车尾气排放系统，将极大地减少汽车尾气排放对环境造成的危害，并且能够节约不可再生能源，将废气转换为可再生清洁能源，可谓是一举三得。在汽车尾气余热发电系统的研发阶段，需要对
4、系统的各功能模块进行实时监测，并采集各路信号的参数，传至上位机供设计人员进行分析优化，因此，就必须有一个完善的监控系统软件，来完成各功能模块和上位机之间的通信。首先需要上位机通过监控软件向系统模块发出指令，然后系统各模块响应上位机的武汉理工大学毕业论文（设计）2指令开始运行，同时将运行中各路信号进行采集并传输至上位机，实时显示在监控界面上，这样研究人员表可以清楚的看到整个系统的运行状况，根据异常信号分析故障、完善系统。1.3 发展现状1.3.1 余热发电技术发展现状余热发电的关键技术是热电转换技术，利用的是热电效应。所谓的热电效应，是当受热物体中的电子，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所
5、产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用参数 Q 来测量，其定义为 Q=E/-dT(E 为因电荷堆积产生的电场，dT 则是温度梯度)。两种不同成份的导体两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。这项技术由起步到如今也经历了漫长的发展阶段。热电转换技术发展至今已有半个多世纪的历史了，而且正随着现代科学技术的不断进步而逐渐走入我们日常生活。十九世纪六十年代，人类便开始了征服太空的计划。从 1969 年的登月计划到 2001年的火星探测，几十年中取得了很大的飞跃，这其中也有热电转换技术的一份功劳。利用热电转换技术，一枚硬
6、币大小的放射性同位素热源就能够提供长达二十年以上的连续不断的电能，这是其它任何一种能源技术所不能比拟的。美国登月计划中“阿波罗”17 号飞船就是使用了热电转换技术提供的电源从月球表面向地球成功地传送了数据，中央部分就是使用放射性同位素为热源的热电发电装置。到 1990 年为止，热电转换技术已成功应用于美国国家宇航局的二十多次太空飞行任务中，均取得了良好的效果，其中最长的工作时间超过了 15 年。美国热电直接转换方面处于世界的领先地位，美国能源部、国防部及宇航局共同负责热电转换方面的研究发展工作。热电偶转换、热离子转换、磁流体发电、铁电转换和热磁转换是目前五种基本的热电转换方式。热电偶是最早的热
7、电转换装置，将两种不同材料的物质（通常是金属丝）连接起来，加热结点，在另两端就能得到电动势。这种效应是 1821 年发现的。但金属和合金的热电转换效率太低，因此直到发现更好的热电转换材料半导体后热电偶电源才投入使用，今天使用的半导体热电偶电源已进入商业市场。另一种热电转换装置是热离子转换器。它利用的是热离子发射原理，当金属温度很高时，电子将从金属表面被蒸发出来。最简单的热离子转换器是由两片靠的很近的金属板构成，当然热离子转换器用于外层空间时，热源可以使用太阳能、放射同位素的衰变能或核反应堆内的裂变能。考虑到其余热必须以辐射方式排除，而热离子转换器可以在比热电偶电源或动力发电设备高得多的温度下运
8、行，因此只需要较小的辐射转换器即可（热辐射正比于绝对温度的四次方） 。体积武汉理工大学毕业论文（设计）3小，相对可靠的热离子转换器已在空间运行器上使用。铁电转换和热磁转换都利用物质受热后物理性质发生的重大改变来进行热电转换，相应的转换装置是真正的热机。在这些装置中，既不用气体工质也不用电子流，而是利用原子和分子在周期性受热时，不断重新排列以达到发电的目的。这种金属内部分子重新排列或晶体结构改变的现象称为二阶转变。铁电转变利用了介电物质的介电常数随温度变化的特殊性质（介电物质为半导体，置于电容两极之间以增加电容量） 。热磁转换能与铁电转换能有某些相似之处，不同的是用感应电场能代替了静电场能。因为
9、热电转换有巨大的实用价值，已有的几种热电转换装置的性能和价格还不能满足要求，所以科技人员仍在不断努力的寻找更有效更简便的热电转换装置。目前世界上较为先进的是一种碱金属转换元件 AMTEC 元件。将碱金属高温热管和固体电解质导电技术结合在一起的 AMTEC 元件具有热电效率高，结构简单和运行可靠等优点，效率可达 30%。1.3.2 监控软件发展现状监控软件经过长期的发展，目前主要有 VB、VC、组态王、Lab VIEW 等。其中 VB和 VC+因简便熟悉而较广泛使用，另外两种是集成化的监控软件。组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的
10、封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用 Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富
11、的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。Lab VIEW 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C 和 BASIC 开发环境，但是 LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而 LabVIEW 使用的是图形化编辑语言 G 编写程序，产生的程序是框图的形式。 与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW 也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW 也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显
12、示武汉理工大学毕业论文（设计）4数据及其子程序（子 VI）的结果、单步执行等等，便于程序的调试。 LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW 集成了与满足 GPIB、VXI、RS-232 和 RS-485 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用 TCP/IP、ActiveX 等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界
13、面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 利用 LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的 32 位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh 的多种
14、版本。 它主要的方便就是，一个硬件的情况下，可以通过改变软件，就可以实现不同的仪器仪表的功能，非常方便，是相当于软件即硬件。现在的图形化主要是上层的系统，国内现在已经开发出图形化的单片机编程系统。1.3.3 界面设计方法发展现状界面的说法以往常见的是在人机工程学中。 “人机界面”是指人机间相互施加影响的区域，凡参与人机信息交流的一切领域都属于人机界面。界面设计存在于人与物的信息交流1。 “人”是设计界面的一个方面，是认识的主体和设计服务的对象，而作为对象的“物”则是设计界面的另一个方面。它是包含着对象实体、环境及信息的综合体。功能性设计界面，接受物的功能信息，操纵与控制物，同时也包括与生产的接
15、口，即材料运用、科学技术的应用等等。这一界面反映着设计与人造物的协调作用。功能性界面设计要建立在符号学的基础上。设计功能界面，不可避免地要让使用者明白功能操作。每一操作对人来说应是符合思维逻辑的，是人性的，而对机械、电子来说则应是准确的、确定无疑的，这双方的信息传递是功能界面的核心内涵2。监控界面的设计属于功能性界面设计，本文一下研究功能性界面设计的方法。首先要明确界面设计要完成的功能性任务，任务分析采用的技术主要有：逐步求精技术，把任务不断划分为子任务，直至对每个任务的表达都十分清楚；面向对象分析技术，识别出与应用有关的所有客观的对象以及与对象关联的动作3。在界面设计过程中，要经过下面几个步
16、骤：步骤一：建立任务的目标和意图；步骤二：为每个目标和意图制定特定的动作序列；武汉理工大学毕业论文（设计）5步骤三：按在界面上执行的方式对动作序列进行规约；步骤四：指明系统状态，即执行动作时的界面表现；步骤五：定义控制机制，即用户可用的改变系统状态的设备和动作；步骤六：指明控制机制如何影响系统状态；步骤七：指明用户如何通过界面上的信息解释系统状态。在界面设计过程中，必须遵循界面设计的一般应原则4，其主要原则主要包括以下五点：1）向导使用原则对于应用中某些部分的处理流程是固定的，用户必须按照指定的顺序输入操作信息，为了使用户操作得到必要的引用应该使用向导，使用户使用功能时比较轻松明了，但是向导必须用在固定处理流程中，并且处理流程应该不少于 3 个处理步骤。2）响应时间原则系统响应时间包括两个方面：时间长度和时间的易变性。用户响应时间应该适中，系统响应时间不应过长或过短，系统响应时间的易变性是指相对于平均响应时间的偏差。即使响应时间比较长，低的响应时间易变性也有助于建立稳定的节奏。 3）一致性原则在界面设计中应该保持界面的一致性。一致性既包括使用标准的控件,
