基于凌阳单片机汽车空调自动控制系统设计

0引言 人类掌握制冷技术总共120多年时间,但第一台汽车空调装置到1927年才出现。当时的汽车空调的内容仅是具备加热器及空气经过过滤的通风系统。直到1940年才由英国帕卡德汽车公司第一次提供了通过制冷方式使车内空气凉爽的方法。 第二次世界大战后,汽车空调开始了实质性的发展。直到如今,汽车空调作为提高汽车乘车舒适性的一种重要手段已被广大汽车制作者及用户认可,人们越来越认识到汽车装有空调的好处。完善的汽车空调系统可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风速、通风等进行自动调节,并使车内空气以一定速度和方向,保证在各种外界气候和条件下使乘员都能处于一个舒适的空气环境之中,提高了乘坐的舒适性,使司机能保持头脑清醒,提高工作效率,减少疲劳和车祸的发生,驾驶员保持清晰的视野,为安全驾驶提供基本保证。 1988年,美国生产的汽车有90.3%装备了空调系统,到1993年,上升到94%.我国在这方面起步较晚,从60年代初,才开始在红旗轿车上安装空调。但近年来发展速度很快,国内轿车上80%装有空调系统,在工程车、旅游车及城市公交车上也开始大量安装空调系统。 对汽车空调系统进行优化控制,可以改善和提高其性能。由于微型计算机具有结构紧凑,工作可靠,功能强大,响应快速和价格低廉等优点,特别适宜作为汽车计算机控制系统的控制器。计算机技术的发展也为汽车实现计算机控制提供了技术支持和保证,汽车计算机控制已成为汽车的一个主要发展方面。 1 概述1.1 国内外汽车空调技术的发展现状汽车空调是指对汽车车厢内的空气质量进行调节的装置。最早的汽车空调装置始于1927年，它仅由加热器、通风装置和空气过滤器三部分组成，且只能对车内供暖。准确地讲，汽车空调的历史应该从制冷技术应用在车上开始。20世界30年代末美国的几部公共汽车装上了应用制冷技术的冷气装置。直到20世纪60年代，应用制冷技术的汽车空调才开始普及起来。以后，人们对汽车空调的兴趣逐年增加，汽车空调技术日趋完善，功能也越来越全面。上世纪90年代以前我国的汽车产品主要以载货汽车为主，长期以来汽车空调技术研究一直处于空白状态。我国的汽车空调发展经历了以下三个发展阶段。第一阶段是从60年代初到70年代末，主要是利用汽车发动机排出的废气或冷却循环水产生的热量来供给车室内采暖用。第二阶段是80年代初至1990年。80年代初期，我国从日本购进制冷降温用的汽车空调系统装配在红旗、上海等小轿车和豪华大客车上：80年代中后期，我国第一汽车制造厂以及上海、北京、湖南、广州、佛山等分别从日本、德国引进先进的空调生产线和空调技术，生产国产大中型客车、轻型车及轿车的空调系统。第三阶段是从90年代开始到目前。国内已形成生产规模的汽车空调生产企业，分别从国外引进了国际最先进的平行流式冷凝器和层叠式蒸发器的生产技术和生产线，同时按蒙特利尔议定书和中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案的要求，开始研究开发汽车空调制冷装置工质由氟利昂R12向R134a的转换。至此，我国汽车空调技术在短时间内缩小了与国外的差距。随着为电子行业的发展以及人们对汽车舒适性要求的提高，人们已不再满足于轿车空调仅能制冷供暖这一功能，更看重其车厢内的热舒适性控制、仪表盘的美观以及操纵的方便性，因此高档的轿车中通常都安装自动空调，它们有精致的液晶显示、触摸式的操纵按键和多点温度控制等功能。但目前针对乘员舒适性控制还远未达到人们的要求，因此对轿车空调系统的控制亟待完善和开发。国外一些大汽车公司的轿车空调代表了这方面最先进的水平。通用汽车公司某型轿车车身计算机控制模块（BCM）控制的空调系统是较典型的自动空调系统。该模块监视高压管路、低压管路的温度以及蓄压罐的压力、发动机冷却水温度等信号，如果系统不在设定的范围内工作，BCM将压缩机离合器脱离。该系统用一个双向电动机调节混合风门开度，并用5个操纵机构分别控制各个模式风门和加热器热水阀，还用功率模块控制鼓风机的转速，根据驾驶员输入的温度、车室内外温度及制冷剂低压管路温度，BCM计算出气流分送模式、鼓风机转速及混合风门开度，然后进行相应的控制，而克莱斯勒公司的某些轿车空调还以占空比的方式对压缩机离合器进行控制。日本丰田某型轿车自动空调监测车内外温度、蒸发器温度、冷却水水箱温度以及阳光辐射强度、压缩机转速等参量。通过控制压缩机磁吸、风机转速和温度混合风门、新风风门和模式风门的伺服电机，进行车内温度调节。自动功能下该空调ECU（电子控制单元）首先计算送风温度，并根据送风温度控制风机转速、混合风门开度、压缩机起停及送风模式。比较而言，国内的轿车空调控制要稍逊一些。广州标致轿车空调的电子控制系统根据车内温度、环境温度、蒸发器温度、送风温度及人为设定值，通过控制风机转速、压缩机离合器开合及热水阀大小来进行温度调节。奥迪轿车的空调系统模式风门是手控的，鼓风机转速继电器控制，压缩机离合根据蒸发器温度控制。奥拓轿车空调就更为简单，没有用于舒适性控制的传感器，依靠驾驶员人为调节室内温度。汽车空调系统热负荷比较复杂，而且变化较大。有人认为光线的射入角会对热负荷影响很大，而对此制定了一套相适应的控制策略。着重研究如何通过计算机确定送风量、送风温度和工作模式。因为空调的影响，轿车室内温度的分布是很不均匀的，并且均匀分布的温度场也会由于人的舒适感不同而产生舒适性差异，对此有人研究针对前排、后排车座的双蒸发器运行情况，并进行相应的控制。还有人针对司机和乘客的个体舒适性用不同出口进行控制。轿车空调的运行工况变化剧烈，有无日照、有无新风情况下蒸发器的热负荷有很大不同，特别是在车速发生变化时对空调的影响更大。车速变化使空调系统冷凝器迎风风速发生变化，从而冷凝压力及过冷度都发生变化，此时空调将脱离原设计工况，要得到一个稳定的运行，必须施以相应的控制。用PID控制器对轿车空调运行进行控制，该控制器的执行机构为电子膨胀阀和压缩机，根据蒸发器进出口温度之差用PID控制器对电子膨胀阀的开度进行控制，与热力膨胀阀控制比较，能取得较好的效果。另外，通过调节压缩机转速和电子膨胀阀开度也可以控制轿车空调的运行，针对蒸发器过热度和蒸发温度的控制即可以控制电子膨胀阀和压缩机转速来得到，Hatton等人做了这样双输入、双输出的研究工作，并对输入的参量进行解藕，同时加入预补偿器，提高了系统响应速度。汽车空调系统具有较强的非线性特性，有人用模糊控制方法对轿车空调运行进行实时控制，以车室内温度与设定值之差e和偏差变化率作为输入，在车速变化的工况下经模糊控制器控制压缩机运行占空比和蒸发器风机风量，取得较好的控制效果。此外Leighton等人应用模糊控制策略对蒸发器风量、温度混合风门开度进行控制，也达到舒适性要求。1.2 智能控制的发展趋势从温度控制系统的发展来看，以单片机为核心构成的微型温度控制系统调节装置已被国内外许多公司和单位作为研究对象，客观存在的硬件简单，软件丰富，能方便地实现现代化控制规律和多功能，性能优良，运行调试都很方便。且生产成本低，可加快生产设备的更新换代，已开始受到重视和欢迎。加之近年来，单片机的性能不断提高，而价格却逐年降低，所以单片机温度控制装置将具有广阔的发展和运用前景。1.3汽车空调的特点及其控制系统的难点与一般空调相比，汽车空调具有其特殊行。由于汽车是移动的物体，外界气候条件变化大，车外热负荷变化大，以至于难以确定标准的车外设计参数。其次，由于汽车室内乘员密度大，人体热量大，要求的制冷能力大，汽车开启空调与乘员进入车内往往是同一时刻，乘客要求一进入车内，在很短的时间内就享受到空调效果,而汽车车身在开空调之前的蓄热量（或蓄冷量）是很大的。这几种因素导致汽车空调所要求的负荷大，要求降温（或升温）迅速。因此，汽车空调机组的制冷（或采暖）能力应该比房间空调大的多。另外，汽车是最高速移动的物体，与外界对流热交换量大，而且车身隔热困难，玻璃窗所占面积又大，车室内得热量（或失热量）大。如果汽车长时间直接暴露在太阳下（或寒冷下），进入车室的热负荷（或冷负荷）比一般房间要大得多。夏季汽车长时间停在烈日下，车内温度会上升到以上。汽车的使用环境非常严酷，这些环境因素往往造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能完成规定的功能或损坏，出现可靠性故障。因此与一般控制系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求。1）首先，要满足温度、湿度环境的要求。汽车外部的环境温度最高，最低为，但汽车内的工作环境却因部件的位置不同而相差极大。2）其次，要满足振动冲击环境要求，汽车零部件必须承受由不良路面引起的较大的振动和冲击。3）还有，要满足电气环境要求。汽车电源波动和瞬时过电压等将形成较坏的电气环境2 汽车空调系统工作原理2.1汽车空调系统基本工作原理汽车空调的基本功能是通过人为的方法使车内的温度降低和升高，从而达到使人体感到舒适的温度环境。汽车空调系统都可以分为采暖系统和制冷系统两部分。如图21为汽车空调制冷循环图。图2-1 汽车空调制冷循环图Fig.2-1 Automotive air-conditioning refrigerant recycling plans制冷系统主要由压缩机、冷凝器（包括冷凝风机）、膨胀阀和蒸发器（包括蒸发风机）组成。其制冷原理是利用液体制冷剂吸热产生冷效应。首先，低压（低温）液态制冷剂进入用来冷却车内空气的蒸发器，制冷剂加热在定压下气化。由于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动地吸取车内空气中的热量，使空气的温度降低，产生冷效应。然后，气化了的制冷剂通过压缩机压缩，变成高于车外空气的高温高压气体。这时，制冷剂通过在车外的冷凝器将热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高压液态冷凝剂。最后，经过膨胀阀，恢复到低压（低温）液态。所以，当空调要进行制冷时，必须开启压缩机使制冷剂循环，从而降低车内温度。采暖系统是由暖风散热器、暖水阀和风机组成。由于汽车行使时发动机产生大量热量，一般小型汽车空调都采用发动机余热采暖。发动机冷却水通过暖水阀流入暖风散热器，从而升高通过暖风散热器的空气。2.2 汽车空调的总成结构汽车空调系统总成是采用冷暖完全合一型，内外循环风门由内外循环电磁阀控制，当内外循环电磁阀闭合时，汽车空调处于内循环状态，这个时候只有车内回风能够进入空调风道。反之，当内外循环电磁阀开时，空调处于外循环状态，这个时候不仅仅车内回风能够进入空调风道，车外空气也进入空调风道，也就制冷（加热）处理前空气是车内回风和车外新鲜空气的混合气体。风机由风机调速电路控制，其作用是推动空气在空调风道里流动，在全和一型空调中，它同时也起了制冷蒸发器风扇和暖风散热器风扇的作用。所以风机的快慢直接影响了制冷蒸发器和暖风散热器的对流散热快慢，也就直接影响了车内空气的调节速度。由于空调风道只有这一个风机，所以无论是哪个出风口风速的大小都是由该风机控制。制冷蒸发器连接制冷压缩机，压缩机由压缩机电磁阀控制。当压缩机电磁阀吸合，压缩机开始工作，蒸发器就能从流过的空气中吸取热量，从而使空气降温。暖风散热器由暖水电磁阀控制，当暖水电磁阀吸合，发动机冷却水流过暖风散热器，这样就可以通过发动机余热进行热交换，将经过散热器的空气加热。混合风门、风向风门开度由风门电机控制。混合风门负责控制空气经过蒸发器和暖风散热器的量，也就是控制经过两种处理空气的混合程度。风向风门可以控制空调出风口的出风方式，也就是控制经过处理的空气从除霜风口、下吹风口和前吹风口吹出。3 汽车空调系统硬件电路的设计在工业控制中，单片机以其体积小、指令丰富、控制技术成熟、修改方便、开发周期短、适应性强等特点，在各个领域、各个行业都的到了广泛应用。随着单片机应用的日益广泛，单片机的种类越来越多，一种微控制器的选择需要从多个方面考虑，首先，必须根据系统的功能要求，在满足功能要求的前提下，优化系统的构成；其次，要想使用某种微控制器设计好一个系统，必须对这种微控制器本身及其系统比较熟悉；最后，开发设备和产品的供货渠道以及成本要求也确定能否采用某种产品。本系统选用了凌阳公司生产的SPCE061A型16位单片机。下面对硬件电路各部分一一介绍。3.1控制器功能汽车空调控制系统可以根据人们对车内温度的设定值，控制汽车空调系统的各个环节，使车厢内空调环境达到设定的目标温度。为了实现上述控制过程，必须测量车内环境状况参数，通过安装在车内不同位置上的各种传感器经过A/D转换成数字量，输送给控制器进行控制决策，得到各执行器的控制电压，使各执行器工作，从而实现对车内环境的改变。图3-1为汽车空调控制系统的硬件组成。图3-1 汽车空调系统硬件组成Fig.3-1 Automotive air-conditioning system hardware3.2 系统主要功能介绍汽车空调控制器不但能实现手动控制功能，主要还是能将操作控制系统自动化，通过减轻驾驶员的操作强度来提高汽车空调的舒适性，其主要功能如下：1）温度的自动调节功能：能根据设定温度和车内温度的温差来自动控制混风电机的开启角度，压缩机和冷凝器的开与关，进而自动调节温度。2）风机的自动调速功能：即使风机调速模块改变了，也不必重新调PWM 的输出值，根据当前设置的风量等级，自动调节风机两端的电压，使之维持一个稳定的状态，保证风量的稳定输出。3）手动调节功能：可以自行设置风门的位置（前吹风、下吹风、除霜），前后风机风量的大小控制、压缩机的开启、内外循环风门的切换、设置温度的大小等。4）节能控制：风量的最适量控制，自动转入经济运行模式，能根据车内外温度自动切断压缩机电源等。5）显示控制：能显示给定的温度、控制温度等。3.3单片机的选取方案一：用传统的51系列单片机作为系统控制器。在本设计中，单片机的运算速度越快，控制精度就越高，所以对单片机的执行速度有较高的要求；又由于本系统程序量较大，使用的I/O口资源较多，对于51来说，实现这些功能都比较困难。方案二:采用16位单片机SPCE061A作为运动物体的控制中心。SPCE061A具有丰富的资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理，易于编写和调试等优点。尤其在复杂的数学运算，其运算速度快，精度高。基于上述分析，拟选择方案二。SPEC061A单片机是台湾凌阳公司生产的一种高性能16位微处理器，具有体积小、集成精度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，能够很方便地完成普通单片机的功能，还具有数字语音播报和识别的功能。SPCE061A主要性能1：1）采用16位微处理器；2）工作电压(CPU) VDD为2.4-3.6V (I/O) VDDH为2.4-5.5V3）CPU时钟：0.32MHz-49.152MHz ；4）内置2K字SRAM；内置32K FLASH；5）2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；6）32个通用可编程输入/输出端口；7）14个中断源可来自定时器A / B，时基信号，2个外部时钟源输入；8）具备触键唤醒的功能；9）使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；10）锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；11）声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；12）具备串行设备接口；13）具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；14）内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；15）具有WatchDog功能。3.3.1 SPCE061A最小系统在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1F的去藕电容提高抗干扰能力2。图3-2所示为SPCE061A最小系统。图3-2 SPCE061A最小系统Fig.3-2 SPCE061A minimum system3.3.2 SPCE061A的存储器SPCE061A的存储器有2K字的SRAM，其地址为0x0000-0x07FF,前64个字即0x00000x003F地址范围内可采用16位地址直接寻址，寻访速度为2个时钟周期，其余0x0040-0x07FF地址范围内采用16位地址直接寻址，存储器的寻访速度为3个时钟周期。32K字的内嵌式闪存FLASH被划分为128个页（每页存储容量为256个字），地址空间为0x8000-0Xffff,其中0xFFF6-0xFFFF为中断向量单元，CPU正常工作时，均可通过程序写入或擦除。另外，还可用SPR4096进行存储器的扩展，在数据量较大的情况下，是很有必要的。3.3.3 SPCE061A的I/O口SPCE061A有32个并行I/O口，即IOA0IOA15，IOB0IOB15。这两个口的每一位可通过编程单独定义为输入或输出口。A口的IOA0IOA7用作输入口时具有唤醒功能。B口除具有常规的输入/输出功能外，还具有特殊功能。单个IOB2或IOB3口可设置为外部中断输入口，设置P_FeedBack单元，再将IOB2（IOB3）和IOB4（IOB5）之间接一个电阻和电容，形成反馈电路以产生振荡信号，此信号可作为外部中断源EXT1或EXT2输入。IOB0和IOB1可作为串行接口SIO的时钟信号。3.3.4 SPCE061A的PWM应用PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。SPCE061A芯片上有两个脉冲宽度调制输出引脚IOB8和IOB9，通过设置TimerA控制单元的b0b5来选择TimerA的时钟源，设置该单元的b6-b9，TimerA将输出不同频率的脉宽调制信号，即控制脉宽占空比输出APWMO。通过设置TimerB控制单元的b0b2来选择TimerB的时钟源，设置b6b9选择TimerB输出不同脉宽调制信号即控制脉宽占空比输出BPWMO。3.3.5 SPCE061A的中断系统SPCE061A有14个中断源，分别为两个定时器溢出中断、两个外部中断、一个传行通信口中断、一个触键唤醒中断、7个时基信号中断、PWM音频输出中断等。有9个中断向量对应14个中断源，其中3个中断源设置为FIQ（IRQ0-IRQ2），另有10个中断源设置为IRQ3IRQ6，还有一个专门用于通用异步串行通信口UART的中断源设置为UART IRQ。具有两个中断优先级，可实现两极中断嵌套。3.4 电源电路的设计汽车空调控制器需要两路电源：5V电源和12V电源。5V电源用于SPCE061A单片机供电，12V电源用于需要大电流驱动的场合，如步进电机、风机等。由于汽车蓄电池供电电源仅有12V，并且工作期间电压有比较大的波动。综合考虑，本系统选用了电源转换芯片LM2575，将车载电源转换为所需要的电源。如图3-3所示图3-3 汽车空调电源电路Fig.3-3 Automotive air-conditioning power circuit图3-3中1引脚接VIN端，为未稳压电源输入端；2引脚OUTPUT端，为开关电压输出，接电感及快速恢复二极管；3引脚GND端，为公共端；4引脚FEEDBACK端，为反馈输入端；5引脚ON/OFF端，为控制输入端，接公共端时，稳压电路工作，接高电平时，稳压电路停止。LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片，芯片可提供外部控制引脚。该芯片的工作范围为-40-125，输入电压范围大（7V-45V），输出电压波动较小（5V），最大负载为1A，内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等。其内部电阻R2为不同阻值时，对应的输出电压也不同，分别为1.7(3.3V)、3.1(5V)、8.8(12V)、11.3(15V).3.5 温度检测电路的设计本设计采用四路传感器，对车内，车外，发动机水温，蒸发器表面温度进行采样。温度传感器在汽车空调控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个系统的控制精度，因此必须选取精度高且性能稳定的温度传感器。常用的热敏电阻有两种：阻值随温度升高而升高的热敏电阻，称为正温度系数热敏电阻；阻值随温度升高而降低的，称为负温度系数热敏电阻（NTC）。NTC热敏电阻主要用于温度测量和电子电路的温度补偿。MF51型NTC热敏电阻具有性能稳定可靠，响应速度快，一致性好等优点，目前已广泛应用于汽车空调机、家用空调器、电冰箱等家用电器的温度检测与控制电路中13。温度检测电路如图3-4所示：图3-4 温度检测电路Fig.3-4 Temperature detection circuitMF51系列的NTC热敏电阻器适用于300以下的测温与控温电路，标称电阻R=。本设计选用的温度传感器是MF51-502NTC热敏电阻和一高精度电阻分压即可。另外，串接一个电阻，并接一个到地的滤波电容，增加抗干扰的能力。对于单片机接口的模拟信号采集，软件设计为对各个端口进行分时采样。3.6太阳辐射强度检测电路设计太阳辐射传感器可选用光敏电阻，光敏二极管或者光敏三极管等。光敏电阻受热后其阻值会变小，光敏二极管和三极管是根据硅PN结光照后产生的光电效应原理制成的，光敏二极管工作于反向偏压下，其光谱响应特性主要由半导体材料中所掺的杂质所决定，光敏三极管使用时，其基极通常开路，基极-集电极产生的光感生电流直接进入基极，由于光敏三极管自身具有放大作用，因此光敏三极管的灵敏度比光敏二极管大得多。本设计中采用光敏三极管3DU23，检测太阳辐射强度电路原理图如图3-5所示，当太阳辐射强度发生变化时，模拟信号采样端口的输入电压随之发生变化，R14为NTC热敏电阻，作为温度补偿。如信号变化太小，可接信号放大电路之后送采样端口。图3-5 太阳辐射强度检测电路Fig.3-5 Solar radiation detection circuit3.7 转向器控制电路设计与家用空调不同，汽车空调制冷、制热的转换是靠风道的切换来实现的，制热模式，转向器转向制热风道，风从装有水箱的风道吹出，水箱里的水是发动机的冷却水，含有热量；当处于制冷状态时，转向器转向制冷风道，压缩机工作，使蒸发器温度降低，风机吹出的风通过蒸发器，达到制冷的目的。汽车车内、外风循环和除霜运行，分别通过两转向器来控制12。每个转向器的内部都有小电机，通过内部的蜗杆，齿轮等传动机构来驱动与齿轮相配合的摆臂，这个摆臂又与外部的连杆机构来转动风门。齿轮上装有磁极，它与转向器内部电路板上的霍尔元件相配合来决定转向器转动的位置，从而确定风门所转的角度。转向器控制电路如图3-6所示。转向器工作电压为+12V，“WAY”和“D”是转向器的控制端，“H1”和“H2”是转向器的位置反馈信号。单片机的“IOB4”通过转向器“D”控制转向器转动；“IOB7”通过转向器的“WAY”控制正反转；“IOA15”、“IOA14”分别接收来自转向器“H1”和“H2”的霍尔位置反馈信号，单片机根据该反馈信号，控制转向器转动的角度。四个光藕起电平转换和隔离作用。Q2、Q3 是驱动转向器转动的三极管。图3-6 转向器控制电路Fig.3-6 Steering gear control circuit3.8压缩机控制电路设计压缩机电磁离合器的工作电压为12V，由于电磁离合器的工作电流很大，一般可达33.5A左右，故驱动芯片选用DC-SSR固体继电器。固体继电器是采用固体元件组装成的一种无触点开关器件，是用小的电气信号控制大功率交直流负载的一种新型电子开关，具有体积小、无火花、无噪音、无污染、无电磁干扰、开关速度快、稳定性好、可靠性高、输入输出完全隔离、抗干扰能力强等突出优点，并具有抗震、防潮、耐腐蚀和防暴能力。该芯片工作电压330V，工作电流0.510A，继电器吸合时间最大1ms，继电器释放时间最小1ms，最小绝缘阻抗1000。在负载的两端并接一个续流二极管，减小负载启停时的瞬间感应电流冲击。电路设计如图3-7所示：IOB9口产生PWM波来控制压缩机的转速，压缩机转速快，空调器制冷（热）量就大，而当压缩机转速较低时，空调器制冷（热）量就小。空调每次开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风量进行制热或制冷，从而迅速接近所设定的温度。这样不仅节省了大量电能，而且使车室内温度维持了平衡。图3-7 压缩机控制电路Fig.3-7 Compressor control circuit3.9各个风门位置控制电路设计混合风门、内外循环风门以及模式风门通过12V直流步进电机进行控制，微处理器通过步进电机驱动控制器来控制步进电机，从而控制了各个风门的开度大小。系统中选用四相八拍步进电机，L298N（用于输入标准TTL逻辑电平、输出电压、电流要求比较高的驱动电路，诸如继电器、电磁阀、DC或步进电动机等设备中）作为双桥驱动器件。其最大工作电压为50V，每相最大输出电流为3A；工作温度范围-40150；使能端ENABLEA和ENABLEB高电平信号有效，芯片工作。每次绕组受到激励，电动机轴就旋转一圈的几分之一。为使其正确的旋转，绕组必须按正确的顺序受到激励。若励磁信号正向传送，则步进电机正转，通电相序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA；励磁信号反向传送，则步进电机反转，通电相序为AD-D-DC-C-CB-B-BA-A。由脉冲信号控制电动机，故调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。步进电机驱动电路原理图如图3-8所示：图3-8 步进电机控制电路Fig.3-8 Stepper motor control circuit输入引脚INPUT1INPUT4，分别由单片机IOB11IOB14端口控制，A、B、C、D分别接于OUTPUT1OUTPUT4，其通电时序图如表3-1所示。表3-1 四相八拍步进电机通电相序Tab.3-1 Four of the eight film stepper motor power phase sequenceA B C D 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 13.10 风机转速控制电路设计风机选用直流离心式风机，其全速工作电压为12V。三极管Q1为风机运转的驱动管，型号为D1559，直接驱动风机运转，D3为续流二极管，其主要作用是保护功率放大管，防止关断风机时由于电感贮能引起的顺变反向电压击穿功率管。C9为滤波电容，ICT1为光耦，起电平转换和隔离作用。设计的电路如图3-9所示：图3-9 风机转速控制电路Fig.3-9 Fan speed control circuit风机的控制采用PWM脉宽调制，控制系统在一级风力下，输出的脉冲占空比为12.5%，在五级风力下输出脉冲占空比为87.5%，其余各级风力下的脉冲占空比为此上、下限均匀分布。为此，本系统利用了单片机IOB8口的PWM脉宽调制功能，控制风机运转。3.11 键盘电路的设计键盘是由若干按键组成的开关矩阵，它是微型计算机最常用的输入设备，用户可以通过键盘向计算机输入指令地址和数据。键盘分为编码键盘和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单、使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。本设计采用非编码键盘进行设计。空调控制器面板上一共有十个功能按键，微处理对各个功能按键进行扫描，根据不同的按键输入执行相应的操作。控制器的按键如图3-10所示。按ON按键来切换控制器软开关状态，当切换到空调软关机状态时，空调器停止运作，按键AC负责手动模式/自动模式的切换，调节风速可以通过增风速按键和减风速按键进行调节，风速共分5档。在开机状态下，按下除霜按键便可进入特定的除霜模式，除霜模式采用全热除霜，这时风向风门出口吹向玻璃窗方向，前吹按键和下吹按键可以切换风向风门吹风出口的方向，同时按下两按键能够使风向风门出风方向转向前吹和下吹同时进行，内外循环按键负责控制内外循环，当空调系统处于内循环状态时，如果是外循环则内循环标志消失，升温按键和降温按键在手动模式下是控制混合风门档位变化，而在自动模式下负责调节设定温度。图3-10 键盘电路Fig.3-10 Keyboard Circuit键盘行线通过电阻接正电源并将行线接到单片机的输入口，而将列线接到单片机的输出口，这样当按键没有按下时都是高电平。如果列线全输出低电平，一旦有按键按下，该键相应的行线和列线被短路，行线就会被拉低。这样如果读入的行线状态不是全高，就表示有键按下。要确定是哪个键闭合，先使列线Y0为低电平，其余列线为高电平，读行线状态。如果不全为高，则被按下的键就是为低电平的行线和Y0相交的键。如果行线全为高，则Y0这一列上没有键闭合，接着使列线Y1为低电平，其余列线为高电平。用同样方法检查Y1，这一列有无键闭合，依次类推。IOA3IOA6接键盘的Y0Y3，IOA10IOA13接键盘的X0X3。表3-2 键值分布及意义Tab.3-2 Distribution and significance of the keyboard键值 功能 键值 功能 S0 ON(软开关) S6 前吹风 S1 AC(手动/自动) S7 下吹风 S2 升温 S8 除霜 S3 降温 S9 压缩机 S4 增风速 S10 内外循环 S5 减风速3.12 显示电路的设计本设计采用四位LED对温度进行显示。MAX7219是一个采用3线串行接口的8位共阴极7段LED显示驱动器。该芯片可直接驱动最多8位7段数字LED显示器或64个发光二极管。它与MCU 的连接很简单,仅用三个引脚与MCU 相应端连接即可实现最高10MHz串行通信。MAX7219内部设有扫描电路, 除了更新显示数据时从单片机接收数据外,平时独立工作,极大地节省了MCU 有限的运行时间和程序资源。MAX7219允许用户选择多种译码方式, 每个显示位都能独立寻址和刷新而不需要重写其他的显示位, 软件编辑非常方便。该芯片工作电压4.05.5V, 最大功耗1.1W。DIN为串行数据输入端，当CLK 为上升沿时, 数据被载入16b内部移位寄存器。CLK为串行时钟输入端，其最大工作频率可达10MHz。LOAD 为片选端, 当LOAD 为低电平时, 芯片接收来自DIN 的数据, 接收完毕, LOAD 回到高电平时, 接收的数据将被锁定。DIG0DIG7为吸收显示器共阴极电流的位驱动线，其最大值可达500mA,关闭状态时,输出+VCC。SEGASEGG, DP 为驱动显示器7 段及小数点的输出电流,一般为40mA左右,可软件调整,关闭状态时,接入GND。DOUT为串行数据输出端,通常直接接入下一片MAX7219的DIN 端。显示电路如图3-11所示:图3-11 显示电路Fig.3-11 Show circuit3.13 外扩存储器电路的设计SPCE061A中的FLASH只有32Kwords,由于系统设计的程序较多，要存放大量的数据，这样一来，就要考虑对存储器进行外围扩展。本设计采用凌阳公司的SPR4096芯片对存储器扩展。SPR4096是一个高性能的4M-bit（512K8bit）总线FLASH,分为256个扇区，每个扇区为2K-byte。SPR4096还内置了一个4K8bit的SRAM。在进行FLASH的变成/擦除的时候，可以并发执行SRAM的读/写。SPR4096内置了一个总线存储器接口和一个串行接口，它允许单片机通过8bit并行模式或者1-bit的串行模式访问FLASH/SRAM存储区。本设计使用串行模式，串行接口的工作频率为5MHZ。SPR4096有两个电源输入端VDDI和VDDQ。VDDI是给内部FLASH和控制逻辑供电的；VDDQ是专门为I/O供电的，如图3-12所示。串行接口模式的选中是通过设置CF2CF0来实现的。当成分CF2CF0均接高电平时，选中的就是串行接口模式。在串行接口模式下，CF7为低电平时选中FLASH，高电平时选中SRAM。设计中，SCLK接IOB0，SDA接IOB1，CF2CF0接高电平，选择串行接口模式；CF7接低电平，选中FLASH.图3-12 SPR4096管脚图 Fig.3-12 SPR4096-pin map3.14硬件抗干扰措施汽车空调使用环境炎热、潮湿，电子打火、电磁辐射、油烟、灰尘等对其产生的干扰非常严重，因此抗干扰措施对本系统来说非常重要。因此，在控制器设计时主要采用以下硬件抗干扰措施：（1）采用了光电隔离技术，将数字信号与系统主机完全隔离，切断了干扰信号的途径，有效地抑制了尖脉冲及各种噪声的干扰。（2）电源设计抗干扰措施：用电解电容滤波；集成电路的电源和地之间均加一个去耦合电容；对不使用的集成电路的端子作上拉和下拉处理，使它处于稳定状态。（3）元件布置抗干扰措施：妥善考虑每一个元件的位置和布线，以求尽可能地降低传输通道间的干扰耦合；设计时，尽可能把相互有关的元件安排在一起：电感部件，应远离可能引起干扰的元件布放；把容易产生电磁干扰的大电流元件远离逻辑电路。同时，对每一个感性负载并接续流二极管，减小负载启停时瞬间感应电流冲击。（4）在设计中接地抗干扰措施：尽可能使接地电路各自形成回路，减少电路与地线之间的电流耦合；合理布置地线使电流局限在尽可能小的范围内，并根据接地电流的大小设计相应宽度的印刷电路和接地方式。4 汽车空调系统的软件设计 汽车空调全自动控制可以通过汽车空调控制器的软件编写实现。对于本文所设计的汽车空调控制器，由于使用功能模块化编程的思想，所以全自动控制就是对应一个将输入条件转化为输出控制量的功能软件模块，这里称它为自动控制功能软件模块。在实际开发过程中发现，虽然模糊控制具有规则制定简单且适应性强等优点，促进了控制系统的制定。但是其输入输出多个隶属度函数和多条规则的规则库的建立占用大量的程序空间，这是由于模糊控制系统的非线性引起的。另外，在模糊推理的过程中，要进行多次的关系运算，在模糊推理后又要进行解模糊运算，这对于运算速度慢的硬件做不到控制的实时性。然而将模糊控制的方法引如到实际的空调控制器上，并不一定要将模糊推理过程放到控制器的实际硬件上执行。对于没有自修正功能的控制系统，其输入输出的映射是固定的，所以只要实现对于全部输入空间到输出空间的映射就可以了。从软件的设计角度来看，最简单的映射就是将预先计算好的结果以表的形式记录，然后通过查表来实现。显然，这样牺牲了控制的灵活性，对于输入变量较多和控制精度较高的控制系统是无法实现的。在前面进行硬件电路设计时，温度传感器的精度只能达到1慑氏度，所以对输出控制的精度要求也不高。按照前面所述的控制策略，可以对车内温度进行有效控制。本系统控制软件由主程序和定时器中断服务程序等组成，从功能上分包括系统初始化、显示程序、模糊控制查表子程序和按键处理程序等模块。模块化编程是一种软件设计方法，各模块程序分别编写，编译和调试，最后模块一起连接，定位。4.1 主程序模块主程序的功能是完成车内温度的数据采集、模糊规则的运算处理、控制量的输出。主程序流程图如4-1所示，主程序具体要：1）定义系统运行过程中所需要的变量，以及显示器所需要的段码。2）分配硬件系统相关资源，如寄存器、ROM、中断源以及堆栈等。3）完成系统的自检。4）在程序运行过程中，按照设计的要求，依次完成对系统各模块的调用。5）在模块调用过程中，实现现成保护，以确保程序的正常返回。6）保存系统运行过程中的必要参数。图4-1 主程序流程图Fig.4-1 Flow chart of the main program4.2 数据采集子程序模块数据采集子程序模块主要功能是对车内外温度，蒸发器温度，阳光辐射强度进行测量、计算，对采集来的模拟信号进行数字滤波处理，以消除干扰。具体做法是对每个通道连续采集三次，对三次转换结果求其平均值，得到测量值。图4-2 数据采集子程序流程图Fig.4-2 Data acquisition subroutine flow chart4.3汽车室内温度模糊控制的研究模糊控制中的控制算法由模糊控制子程序实现，它包括两部分内容：一是离线模糊控制查表，首先将模糊控制表存于单片机的程序存储器中，然后根据温度误差和误差变化率进行二维查表；二是完成精确测量值的模糊化和控制输出量的解模糊化，控制输出电路。4.3.1 模糊控制的基本原理对于一个系统而言，模糊控制在控制系统中所表现的具体形式是模糊控制器。模糊控制从系统结构角度讲，是以模糊控制器取代的数字控制器。这种结构和传统的控制结构完全一样。从校正的角度看，它是一种偏差校正方式。模糊控制的系统结构如图4-3所示11。从图4-3中可以看出，模糊控制器的输入量是系统的偏差e，在计算机控制系统中它是数字量，是有确定数值的清晰量，通过模糊化处理，用模糊语言变量E来描述偏差，若以T(E)记E的语言值集合，则有：T(E)负大，负中，负小，零，正小，正中，正大或用符号表示负大NB（Negative Big）、负中NM（Negative Medium）、负小（Negative Small）、零ZE（Zero）、正小PS(Positive Small)、正中PM（Positive Medium）、正大PB(Positive Big),则：T(E)=NS,NM,NB,ZE,PS,PM,PB图4-3 模糊控制系统结构框图Fig.4-3 Fuzzy control system structure diagram若已知系统的输入对应模糊变量,则应用合成推理法，可得到模糊输出变量：模糊推理输出是一个模糊变量，在系统中要实施控制时，模糊量还要转化为清晰值，因此要进行清晰化处理，得到可操作的确定值，这就是模糊控制器的输出值，通过的调整控制作用，使偏差e尽量小。对于模糊控制来说，其核心在于模糊控制器，模糊控制的机理是通过模糊控制器来实现的，模糊控制器的思想来自人类在生产实践中对被控对象的控制。人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论能十分恰当地表达具有模糊性的语言变量和条件语句。很明显，把人的经验用模糊条件语句表示，然后，用模糊集合理论对语言变量定量化，再用模糊推理对系统的实时输入状态进行处理，产生相应的控制决策。这无疑是一种新颖的方法。这样就产生了模糊控制器。根据模糊控制器的功能，其结构如图4-4所示。从图中可以看出它由模糊化、反模糊化、知识库和决策逻辑组成。图4-4模糊控制器机构框图Fig.4-4 Fuzzy controller body diagram知识库存储模糊控制器中的模糊量以及模糊控制规则,知识库向模糊化接口提供模糊量的隶属函数形态，从而使模糊化接口在接受到外部的精确量输入后，能够将其转换成相对应的模糊量及隶属度。知识库也向反模糊化接口提供模糊量的隶属函数形态，反模糊化接口则根据输出的模糊量及隶属度，转换成与之对应的精确量。同时，知识库向决策逻辑提供控制规则，由决策逻辑执行推理过程，从而从输入的模糊量推断出输出模糊量。4.3.2 汽车空调模糊控制器的设计汽车空调控制系统是对汽车空调实现的自动控制，其控制方法可以使用模糊控制系统。本设计模糊控制器的控制对象为蒸发器的风机转速，混合风门开度。模糊控制器的设计思想是要在各个控制对象之间找到一种最匹配的控制方式。这种控制方式要满足室内温度快速达到设定值、波动小以及节能等要求。基于这种思想对于风机转速的控制主要在于开始启动空调器时或者环境温度有较大变化，造成室内温度有较大波动时进行控制。而在室内温度波动较小时，风机转速一般控制在最高转速的20%，以达到节能的目的。图4-5 汽车空调模糊控制系统原理图Fig.4-5 Fuzzy control auto air-conditioning system schematics混合风门转角的控制作用是控制室内温度的相对湿度以及在温度波动较小时调节室内温度达到设定值。研究对象可以看作是一个二输入两个控制量输出的控制系统。模糊控制系统的原理框图如图4-5所示，根据模糊控制规则库的分解原则，一个多输出系统以分解为多个多输入单输出系统且不失一般性，因此可以把整个模糊控制器分成两个二输入单输出的模糊控制器17。4.3.3 温度误差的模糊化温度误差是指设定温度与车内传感器测定的温度之差，记为，在模糊控制应用中，被观测量通常是在一定精度范围内的精确数量值，而在模糊控制中的操作是基于模糊集合理论的，所以，首先必须进行模糊化。模糊化的基本思想是定义一个模糊语言映射作为从数值域到语言域的模糊关系，将数值域中的数值信号映射到语言域上。为了便于工程实现，通常把输入变量范围人为地定义成离散的若干级，所定义级数的多少取决于所需输入量的分辨率。温度误差的输入范围定为-5，5，对于更大的误差都视为边界址处理。根据人体对温度的敏感程度，可将E的模糊论域取为-5，5，并量化为11个等级，对于其它值都视为边界值，即为：E=-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5一般情况下，模糊控制中变量论域的元素个数是语言变量个数的1.5-2倍，所以温度误差模糊子集可取为18：负大（NB），负小（NS），零（Z），正小（PS），正大（PB）图4-6 温度误差隶属度函数曲线Fig.4-6 Temperature error membership function curve4.3.4 温度误差变化率的模糊化本设计中，以车厢内每20秒钟温度误差的变化值作为温度误差的变化率，用EC表示，温度误差变化率的模糊论域取为-3，3，量化为7个等级，对其它值都视为边界值，即为：EC=-3，-2，-1，0，1，2，3温度误差变化率的模糊子集取为：负大（NB），负小（NS），零（Z），正小（PS），正大（PB）图4-7 温度误差变化率隶属度函数曲线Fig.4-7 Temperature error rate of change of membership function4.3.5 风机的模糊控制策略风机转速的控制关系到空调系统温度控制的快慢，送风速度快能使车内温度更快的接近设定值，同时风机转速又是感觉空调系统舒适与否的关键。一般来说，当车内温度接近平衡时，送风速度缓慢一些能让人感到更宁静舒适。风机速度在设计时一共分了5档，从ZE到PB送风速度不断的增加。风机输出风速一共分为六个档位，模糊论域取为0，5，档位0表示输出风速最小，档位5输出最大风速。模糊论域量化为6个等级，即为：U=0，1，2，3，4，5其模糊子集为零（ZE），正零（PZ），正小（PS），正中（PM），正大（PB），风机输出隶属度函数曲线如图4-8所示。图4-8 风机输出隶属度函数曲线Fig.4-8 Fan output membership function curve当温度误差E为NB且误差变化率EC为NB时，说明车内温度远远大于设定温度且有继续增加的趋势，所以根据人们的生活经验，为了迅速降低车内温度，鼓风机应输出最大风速（PB）；当温度误差E为PB且误差变化率EV为PB时，说明车内温度远远小于设定温度且有继续降低的趋势，为了迅速升高车内的温度，风机也应输出最大风速（PB）；这样依次类推，一共的得到25条模糊控制规则，用模糊控制规则表以表的形式表示如表4-1。表4-1 风机模糊控制规则表Tab.4-1 Fan of fuzzy control rules table ECU PB PS Z NS NB PB PB PB PM PM PM PS PM PM PM PS PSE Z PZ PZ ZE PZ PZ NS PS PS PM PM PM NB PM PM PM PB PB4.3.6 混合风门