毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的车载空调自动控制设计.doc

i 摘摘 要要 随着生活水平的逐步提高，人们对出行、乘车环境的要求也越来越高。人们 总是希望车辆在任何环境条件下即使在发动机转速较低的情况下，都可以满足人 体舒适性的要求，所以需要制冷效果更好的空调系统。然而现在国产汽车的车载 空调控制器普遍采用手动机械控制方式，大大落后于国际水平，限制了汽车工业 的发展。本文针对实现车载空调的自动控制这一问题进行了一系列研究。利用模 糊控制理论对车载空调车室内温度调节系统进行智能控制，能较为精确地控制车 内温度，满足人体舒适性的要求。 该系统主要由主控制单元和输入输出控制单元及外围电路组成，控制单元采 用 atmel 公司的 at89c51 单片机作为系统 cpu，对温度、湿度及二氧化碳浓度等 环境参数进行监控，并且对风门电机、鼓风机电机等设备实施控制。同时利用模 糊控制技术对各种模拟信号进行处理、运算，利用苏州创高电子有限公司生产的 专用的汽车液晶显示器显示系统信息。 本系统可以对车内通风、取暖、制冷、加湿等功能进行智能控制，并且可以 直观的显示车载空调的工作状态及数字信息。在实际中可以将本系统进行广泛的 应用和推广。 关键字关键字 ： 车载空调 单片机 智能控制 空气质量 温度 模糊控制 ii abstractabstract now the domestically produced automobile air conditioning controller falls behind greatly the international level. this article has conducted a series of research in view of the realization automobile air conditioning automatic control question. users the fuzzy control theory to carry on the intelligent control to the automobile air indoor temperature governing system. the fuzzy control method can precisely control the temperature of the vehicle and satisfy the human body comfortable request. this system has the main control unit and input-output control unit and the external circuit, a control unit atmels at89c51 scm as a system cpu, the temperature, humidity and co2 concentration, and other environmental parameters are monitored, and the throttle motor, blower electrical equipment, such as the implementation of control. at the same time using a high-suzhou electronic co., ltd. for the production of liquid crystal display vehicle information display system. this system can on the vehicle ventilation, heating, refrigeration, humidification, and other functions of intelligent control and can direct the air-conditioned buses will be the work of state and digital information emerged. in practice, this system can be widely used and promoted. keywordskeywords ： air conditioner in automobile single chip microcomputer intelligent control air quality degree fuzzy control i 目目 录录 第第 1 1 章章 绪绪 论论1 1.1 引言 1 1.2 车载空调的发展历史.2 1.3 国内外车载空调的发展现状.3 1.3.1 我国车载空调的发展现状.3 1.3.2 国外车载空调的发展状况.4 1.4 课题的研究内容和主要工作.6 第第 2 2 章章 车载空调系统的介绍及总体设计车载空调系统的介绍及总体设计.8 2.1 车载空调的功能.8 2.2 车载空调系统原理.8 2.2.1 车载空调系统基本工作原理.8 2.2.2 车载空调系统的总成结构10 2.3 车载空调制冷加热处理的原理分析14 2.4 对车载空调系统的控制16 2.5 车载空调控制系统的总体设计17 2.6 本章小结19 第第 3 3 章章 车载空调控制系统的硬件设计车载空调控制系统的硬件设计.20 3.1 车载空调控制系统的整体结构图 .20 3.1.1 单片机的选择及特点 .21 3.1.2 最小系统的组成 .23 3.2电源电路23 3.3 信号采集电路 .23 3.3.1 a/d 转换及 a/d 转换器 tlc1543 24 ii 3.3.2 tlc1543 与 51 系列单片机接口.26 3.3.3 电压及温度检测电路 .27 3.4 人机通道的设计 .28 3.4.1 ocm4x8c 液晶显示模块29 3.4.2 按键接口电路 .30 3.5 复位及看门狗电路 .31 3.6 外围负载的驱动电路 .35 3.6.1 直流电机的控制 .36 3.6.2 继电器驱动电路 .37 3.7 本章小结 .39 第第 4 4 章章 系统软件设计及控制算法系统软件设计及控制算法40 4.1 软件设计概述 .40 4.2 系统软件的设计 .42 4.3 主要软件功能的实现 .43 4.4 模糊控制算法在空调系统中的应用 .52 4.4.1 模糊控制系统基本原理 .52 4.4.2 模糊控制的特点 .54 4.4.3 模糊控制器的设计 .55 4.5 本章小结 .58 第第 5 5 章章 抗干扰措施抗干扰措施59 5.1 硬件抗干扰措施 .59 5.2 软件抗干扰措施 .61 5.2.1 软件干扰对控制系统可能造成的危害 .61 5.2.2 软件抗干扰设计的几个措施 .62 5.3 本章小结 .65 总总 结结.66 致致 谢谢.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献参考文献.68 1 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1.11.1 引言引言 汽车是现今社会中的主要交通工具之一。以我国为例，近几年汽车发生了井 喷式的增长速度，目前几乎所有的汽车都安装了空调系统。空调，即空气调节， 包括供暖、制冷、增减空气湿度、调节空气质量等等。在汽车上安装车载空调可 以为乘员提供舒适的车内环境，减少疲劳感，还能预防或去除附在挡风玻璃上的 雾、霜或雪，以确保驾驶员的视野清晰与行使安全。在激烈的市场竞争中，车载 空调系统性能的好坏，也成为评价汽车档次的重要因素之一。 车内空气参数主要是指汽车室内的温度、相对湿度、流动速度、空气的含尘 量、噪音、二氧化碳的含量、壁面温度等。这些参数对人体的健康、舒适性有一 定的影响，因此要求将其控制在一定范围内。手动控制的空调系统无法根据室外 空气温度、太阳辐射强度、车速、发动机热负荷以及室内人体散热等因素的变化 及时地对汽车内的空气状况进行调节，控制质量也不很理想，并且手动控制需要 驾驶员人工操作，这显然加大了驾驶员的工作量。 然而，当前只有豪华大客车安装了微机控制的空调系统，而一般的大中型客 车上的空调还是功能不够齐全的手动控制的空调系统或电控的空调系统，手动和 电控空调在功能上和使用上的缺点暴露得越来越明显，例如操作不方便，安全性 不好，不能很好地调节车内空气，对乘客的观光旅游，学习及驾驶员的工作不利， 所以为了满足人们外出观光旅游的需求，从市场方面要求，希望汽车空调装置能 够进一步应用在普通的大中型客车上，同时空调能够进一步降低成本，提高燃油 经济性；空调控制系统能够实现自动化，智能化；从乘客和驾驶员方面要求，车 内温度要合理分布，要求操作简便，空调装置应向全季节型发展。由此看来，客 车空调智能控制系统即客车空调控制器的开发，能够改善工作条件，提高舒适性， 而且对提高客车等级从而提高客车的市场竞争力，有重要的意义，可广泛用于大 2 中型客车。 1.21.2 车载空调的发展历史车载空调的发展历史 汽车空调装置的出现始于 20 世纪 20 年代，当时其装置很简单，包括一个加 热器，一个通风系统和一个空气过滤器，承担了在冬季向乘客供暖和为风窗玻璃 除霜的任务。然而严格地说，它只能算是一个单一的取暖器。装有制冷机的轿车 于 1940 年由美国的一个公司推出。 第二次世界大战后，汽车空调开始了实质性的进展。1954 年，第一台冷暖一 体化整体式空调设备安装在美国的小汽车上。1960 年，有冷气的汽车空调装置开 始普及，并逐步推广到客车上。1964 年，第一台自动控温的汽车空调装置出现于 美国的轿车上。到 1979 年，美国和日本共同推出了微机控制的空调系统，标志着 汽车空调装置已进入第 5 代产品。20 世纪 80 年代以后，随着环保和节能呼声的 高涨，工业发达国家纷纷投巨资进行新型制冷剂和制冷系统的研究，并取得较大 进展。特别是 20 世纪 90 年代以来，每年都有几十种新型空调器专利出现，而对 现有空调装置零部件的改进更是数不胜数。目前，汽车空调装置的装车率已达 80%90%，旅游客车上则高达 100%。由此可见，空调装置已经开始成为汽车的标 准装备，汽车空调装置已成为汽车技术发展的一个重要组成部分。 1988 年，美国生产的汽车(包括轿车、客车和其他车辆)就有 90.3%装备了空 调系统，到 1993 年，上升到 94%。而我国在这方面起步较晚，从上世纪 60 年代 初，才开始在红旗轿车上安装空调。不过近年来我国车载空调发展速度很快，截 止到现在，国内轿车上 90%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。 随着我国汽车工业的发展、生活水平的提高，旧式的手动模拟输入简单空调 控制系统已经不能满足高档汽车消费的要求，所以产生了要求生产自动控制空调 的生产研究课题。该课题的研究成果不仅会在自行设计开发自动空调项目上取得 阶段性胜利，而且还会使我们积累大量汽车空调自动控制系统开发设计的经验， 因此车载空调系统的研究成果，将会对以后的新车开发研制奠定了坚实的基础， 同时也会推动自动控制技术在国内汽车中的广泛应用，并为我们国家在车载空调 自动控制领域中打下坚实的基础。 3 1.31.3 国内外车载空调的发展现状国内外车载空调的发展现状 1.3.11.3.1 我国车载空调的发展现状我国车载空调的发展现状 汽车工业是国民经济的支柱产业，随着我国加入世贸组织，国外各大汽车集 团纷纷进入我国市场，大大加快了我国汽车工业的发展。我国的汽车工业发展较 晚，在汽车发展的早期，主要以发展载货车为主，汽车空调一直处于空白状态。 到了 60 年代，曾经有利用汽车尾气温度来取暖的供热系统，并在 60、70 年代生 产的轿车上应用。80 年代初期，我国从西方国家购入用于降温的汽车制冷系统， 装在我国生产的红旗、上海伏尔加等轿车上，发展成单一的降温空调。在此基础 上，我国汽车生产企业发展并生产出了手动冷暖一体的汽车空调。手动汽车空调 需要人工操纵，这显然增加了驾驶人员的工作量，同时，控制质量也不理想。随 着微处理器技术和自动控制理论的发展，微电脑在国外汽车工业中的运用越来越 普遍，并成了一种趋势和潮流，我国也相继研发自动控制的空调。 目前，我国汽车上最常见的几种空调有：手动调节的空调系统、电动调节空 调系统、全自动空调系统等。从市场占有情况看，由于目前大多数汽车空调生产 未上规模，加上汽车空调种类繁多，国内汽车空调销售市场仅为几家所垄断。其 中上海德尔福汽车空调系统有限公司生产的爱斯牌汽车空调为别克、帕萨特、桑 塔纳等车型配套；一汽杰克赛尔汽车空调有限公司生产的空调主要为奥迪、红 旗轿车及解放牌卡车等车型配套；湖北沙市电工仪表集团公司生产为东风汽车公 司、神龙富康汽车公司配套的载货车空调和富康轿车空调；空调国际（上海）有 限公司主要为依维柯、金杯等品牌配套的面包车、大客车空调；广州豪华空调有 限公司生产了为海南马自达、奥拓、广州本田、长安之星等配套的车用空调。比 较而言，国内的汽车空调控制系统要稍逊一些。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、压缩机离合器的开、合及热水阀阀口大小来进行温度调节。奥迪 100 轿 车的空调系统模式风门是手控的，鼓风机转速由继电器控制，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，没有舒适性控制用的传感器，靠人为 控制室温。车室内的送风温度的分布是很不均匀的，并且均匀分布的温度场也会 4 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差异，对不同的出风口进行单独控制。 通过控制压缩机启、停，调节车室内的温度，也需要进行相应的控制才能达到更 优。 国内 80 年代就参加到模糊控制领域的研究讨论当中，到了 90 年代和最近几 年，已经在模糊控制等智能控制领域得到了较成熟的发展。在理论研究方面，国 内研究涉及了基于传统 pid 的模糊控制，基于神经模糊网络模糊控制和时空混沌 的自适应模糊控制等。可以说国内的理论研究已经朝纵深发展，理论体系也比较 完善。而根据近几年的研究发展可以看到，大量的研究都尝试采取新型的自适应 进化算法，如神经网络、遗传算法和模糊控制相结合应用。 而在实践应用领域，模糊控制在近几年几乎涉及到各个重、轻工业领域。在 空调制冷系统，温度控制系统和各种家庭小电器中都可以看见用模糊控制方法实 现优化处理的应用文章。对于汽车空调的算法，国内外也有许多相关的研究。 mitsul 曾用 pid 控制器对汽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阀 口开度进行控制。与热力膨胀阀控制相比，能取得较好的效果。而采用模糊控制 方法的也有相关报道，但是并没有形成统一成型的模糊控制方法，甚至只是一些 尝试，需要更深入地进行研究和应用。 从国内汽车空调技术水平来看，尽管我国汽车空调产品的开发设计水平有了 大幅度提高，但其技术含量仍低于国际先进水平，我国汽车空调面临着产品升级 换代的问题。随着我国汽车配件市场的逐步开故，国内汽车空调面临国外汽车空 调专业生产厂家的严重挑战。因此，国内汽车空调生产如何走上专业化、规模化 经营之路，将成为我国未来几年汽车空调业迫切需要解决的问题。 1.3.21.3.2 国外车载空调的发展状况国外车载空调的发展状况 长期以来，国外的许多相关厂家一直致力于汽车空调的改进与新产品的研制， 并且投入了大量的人力物力，同时得益于微机控制、微电子技术的发展，取得了 5 相当的成就。目前，美国生产的客车 12%装备了自动空调系统，只要预先调好温 度，机器就能自动地在调定的温度范围内工作，有 82%的客车装备了手动空调系 统。美 国通用汽车公司和日本五十铃汽车公司（后合并到三菱集团）一起联合研究微机 控制的客车空调系统，将客车空调技术推到一个新的高度。法国路易斯公司开发 出了头部和脚部温度能分别调节的空调装置。欧洲，日本等汽车工业发达国家的 汽车公司也相继开发出各自的自动空调系统。 国外一些大汽车公司的汽车空调系统代表了全自动空调的最高水平美国通用 汽车公司 1964 年率先在轿车上应用自控汽车空调，开辟了自控汽车空调装置阶段 的先河。自控汽车空调只需预先设定温度控制，自动保持在温度范围内工作。装 置根据传感器随时检测车内外温度，自动地调控装置各部件工作，达到控制车内 温度和行使其他功能的目的，通用汽车公司某型轿车车身计算机模块（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 及储液干燥器的压力及发动机冷却水温等信号。如果系统不在设定的范围内工作， bcm 将压缩机电磁离合器脱离。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。 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、内外流循环风门和模式风门的伺服电机，进行车室温度调节。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、压缩机启停及送风模式。 另外，模糊控制在国外发展非常迅速，在 ieee 上有关于模糊系统的专刊，而 且定期举行模糊系统协会国际会议。在欧美、日本等地，模糊控制理论迅速应用 到了商业产品中去，其中就包括日本把模糊控制成功应用到地铁和各种家电产品 的实例。 现在国外的模糊控制理论研究基本上在每个领域上都取得了成功，其中包括 工业温度控制，大型空调系统控制和电冰箱温度控制等。在多输入、输出非线性 6 系统领域中取得了骄人的成功，突破了传统控制方法的局限。国外空调控制领域 也朝着模糊控制的方向发展。 1.41.4 课题的研究内容和主要工作课题的研究内容和主要工作 本课题是设计一个基于微机的汽车空调电气控制系统。系统由主控制单元和 输入输出控制单元及外围电路组成，并具有过/欠压，离合器转速高/低保护功能。 研究内容如下： （1）系统整体方案的设计 仔细分析国外先进的全自动空调控制系统的特点，借鉴他们的成功经验，结 合我国的实际情况，进行总体方案的设计。确定改进以往的客主空调控制系统的 温度设定，真空操作等部分，以单片机为控制系统的核心，开发出具有风口自动 转换，温度范围可调，满足一定湿度及清洁度的空调控制系统。 （2）控制系统的硬件电路的设计 控制系统采用了 89c51 单片机为主控单元，还包括模拟信号采集电路、人机 接口单元、看门狗电路、执行机构等。执行机构由电机、鼓风机、加湿器、空气 净化器及其操纵机构组成。 （3）模糊控制理论的研究以及模糊控制技术的应用 学习模糊控制的基础，并结合汽车空调控制系统的实际情况，将模糊控制技 术初步用于空调控制器。 （4）系统软件的设计 软件主要是指系统主程序的设计，此外，为了弥补硬件抗干扰能力的不足， 还进行了软件抗干扰的设计。 （5）样机的试验调试 进行样机的实验调试，检验开发出的样机是否达到设计要求，运行是否准确 可靠。 主要技术参数： 1. 蒸发机和冷凝机工作电压 dc24v，功耗 200w，额定风量分别为 1000/h 3 m 和 2100/h； 3 m 7 2. 熔断器额定电流值 12a； 3. 6 个功能键实现对温度，除霜等功能的控制； 4. 实现 led 的温度及风向显示； 5. 工作电压 22v28v； 6. 车载空调温度调节范围 1528（1） 。 8 第第 2 2 章章 车载空调系统的介绍及总体设计车载空调系统的介绍及总体设计 2.12.1 车载空调的功能车载空调的功能 汽车空调具有以下几个功能： 1.调节车内温度：这是汽车空凋的基本功能，汽车空调在冬季利用其采暖装 置升高车室内的温度，在夏季，车内降温由制冷装置完成。 2.调节车内的湿度：普通汽车空调一般不具有这种功能，只有高级豪华汽车 采用的冷暖一体化空调器，才能对车内的湿度进行适量的调节。它通过制冷装置 冷却降温去除空气中的水分，再由采暖装置升温以降低空气的相对湿度，但在汽 车上目前还没有安装加湿装置，只能通过开车窗或通风设施，靠车外新风来调节。 3.调节车室内的空气流速：空气的流速和方向对人体舒适性影响很大。夏季， 气流速度稍大，有利于人体散热降温，但过大的风速直接吹到人体上，也会使人 感到不舒服。冬季，风速大了会影响人体保温，因而冬季采暖希望气流速度尽量 小一些。 4.过滤净化车内空气：由于车内空间小，乘员密度大，车内极易出现缺氧和 二氧化碳浓度过高的情况，汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘，野外 有毒的花粉都容易进入车内，造成车内空气污浊，影响乘员的身体健康，因此必 须要求汽车空调具有补充车外新鲜空气，过滤和净化车内空气的功能。 2.22.2 车载空调系统原理车载空调系统原理 2.2.12.2.1 车载空调系统基本工作原理车载空调系统基本工作原理 车载空调的基本功能是通过人为的方法使车厢的温度降低和升高、从而达到 9 使人体感到舒适的温度环境。高级汽车空调还包括对车厢内空气净化、控制二氧 化碳 含量和控制空气湿度等高级功能。一般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 2-1 为汽车空调制冷循环图 图 2-1 汽车空调制冷循环图 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态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，制冷剂在定压下吸热气化。由 于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动地吸取蒸发器周 围空气中的热量，使蒸发器周围空气的温度降低，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。高温高压的制冷剂 通过在车室外的冷凝器，发生液化，将热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高 压(高温)液态冷凝剂。最后，经过节流阀，降温降压，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。由于汽车行驶时发动机产生 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。所以，当空调要进行加热时， 必须开启暖水阀。 10 2.2.22.2.2 车载空调系统的总成结构车载空调系统的总成结构 目前，大多数客车空调系统总成采用全功能型，其风道系统如图 2-2 所示。 图 2-2 冷暖合一型空调 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。 鼓风机由鼓风机调速电路控制，其作用是推动空气在空调风道里流动，在冷 暖合一型空调中，它同时也起了是制冷蒸发器风扇和暖风散热器风扇的作用。所 以鼓风机的快慢直接影响到了制冷蒸发器和暖风散热器的对流散热快慢，也就直 接影响到了车内空气的调节速度。由于空调风道只有这一个鼓风机，所以无论是 哪个出风口风速的大小都是由该鼓风机控制。制冷蒸器连接制冷压缩机，压缩机 由压缩机电磁阀控制。压缩机电磁阀吸合后，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，暖水电磁阀吸合后，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 合风门开度由混合风门电机控制。风向风门由风向风门电机控制。风向风门可以 11 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。 综上所述，整个汽车空调控制系统可以通过六个受控装置来控制，它们分别 是内外循环电磁阀、鼓风机调速电路、混合风门电机、压缩机电磁阀、暖水电磁 阀和风向风门电机。 1. 车载空调的制冷系统 空调的制冷方式很多，目前实际应用于汽车上的空调制冷方式，全部为蒸气 压缩式制冷方式。汽车空调蒸气压缩式制冷原理图如图 2-3 所示。 图 2-3 蒸气压缩式制冷原理图 1-压缩机 2-排气管 3-冷凝器 4-风扇 5、7-高压液管 6-干燥贮液器 8-膨胀阀 9-低压液管 10-蒸发器 11-鼓风机 12-感温包 13-吸气管 空气压缩机由发动机驱动旋转。由压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸气，通 过高压软管进入汽车空调的冷凝器。由于高温、高压的制冷剂蒸气温度高于车外 的空气温度，因此借助冷凝器风扇使冷凝器中制冷剂蒸气的热量被车外空气带走， 使高温高压的制冷剂蒸气冷凝为较高温度的高压液体，通过高压软管流入干燥贮 液器，经干燥和过滤后，流过膨胀阀，在膨胀阀的节流作用下，制冷剂变为低温 12 低压的液体而进入汽车空调的蒸发器。在定压下汽化并吸收蒸发器管外空气中的 热量，使流经蒸发器的车内循环空气的温度降低为冷气，通过鼓风机送到车内， 降低车内的空气温度。气化后的制冷剂蒸气，由压缩机吸入进行压缩，又变成高 温高压的制 冷剂气体，通过高压软管压入汽车空调的冷凝器中，完成了汽车空调的一个制冷 循环。此循环周而复始地进行，就可以使车内的温度维持在舒适的状态。 由于大型客车的制冷量大，通风要求高，所以大型客车上普遍采用独立式空 调制冷系统，独立空调制冷系统采用辅助发动机的动力来供应制冷系统，例如压 缩机，冷凝器和蒸发器的风扇等所需要的动力，独立式空调制冷系统的制冷量不 受行车速度的影响而受控于人，停车时仍然可以进行制冷空调工作。在独立式空 调系统中，压缩机转速基本不变，本系统中只通过控制压缩机的开关来控制空调 的制冷。 2. 空调系统的采暖装置 车载空调的取暖系统分为余热式取暖系统和独立式热源取暖系统，独立的热 源取暖系统又分为独立热源气暖装置和独立热源水暖装置两种。大客车上通常采 用的是独立热源水暖装置，水加热器的最大优点就是不仅可作为车厢取暖之用， 而且可以预热发动机，预热润滑油和蓄电池，便于各季发动机起动和很快转入稳 定状况。待发动机工况稳定后，再将被加热的水引向车厢内的加热器供取暖用。 安装采暖装置主要有以下作用： （1） 采暖装置和蒸发器一起将空气调节到人们舒适温度，现代客车空调已 经发展到冷暖一体化装置，全年地对车内的空气进行调节，通过冷热风的调合， 温度由人为设定，达到舒适性的要求。 （2）冬季取暖。 （3）车上玻璃除霜。冬天或者春季，室内外温差较大，车上玻璃会结霜和起 雾，影响司机和乘客的视线，不利于行车安全，这时可以用热风来除霜和除雾。 3. 车载空调配气系统 图 2-4 为客车空调配气系统，一般有三部分组成：第一部分为空气进口段， 主要用来调节新鲜空气和室内循环空气的比例。第二部分为空气混合段，主要由 加热器和蒸发器组成，用来提供所需温度的空气；第三部分为空气分配段，使空 13 气吹向面部，脚部和玻璃上。本系统中采用直流电机对空气配气系统的各个风门 挡板进行控制，电机内部带有位置反馈信号，可以确切的知道风门的开度大小， 从而实施下一步控制。鼓风机也由直流电机控制。 空调配气系统的工作过程如下：新鲜空气+车内循环空气进入风机空 气进入蒸发器冷却由风门调节进入加热器的空气进入各吹风口。 图 2-4 客车空调配气系统 1-风机 2-蒸发器 3-加热器 4-脚部吹风口 5-面部吹风口 6-除霜风口 7-加热器旁通风门 8-空气进口风门挡板 9-制冷系统进液出气管 10-水阀调节进出水管 空气进口段的风门挡板主要控制新风和车内回风的比例，当夏季室外气温较 高，冬季室外气温较低的情况下，尽量开小风门，使压缩机运行时间减少。当汽 车长期运行时，车室内的空气品质下降，这时应定期开大风门。 加热器旁通风门挡板也称为混合风门挡板主要用于调节通过加热器的空气量。 顺时针旋转风门挡板，开大旁通风门，通过加热器的空气量少，由风口 4、5 吹出 冷风；反之，逆时针旋转旁通风门挡板，关小旁通风门，这时由风口 4、5、6 吹 14 出热风供采暖和除霜用。 4. 与空调控制相关的空气参数 车载空调的主要控制对象是车内的空气，为此必须首先了解空气的性质，然 后才能控制客车空调中的各种问题。除了温度以外，湿度和空气清洁度也是衡量 车内空气质量好坏的重要指标，空气清洁度的控制主要是控制车内二氧化碳含量。 所以 在对湿度及二氧化碳含量控制以前必须对湿度和二氧化碳含量有个大体的认识。 （1）空气的湿度 空气的湿度是指空气中含水蒸气量的多少。一般有绝对湿 度，含湿量和相对湿度三种表示方法，这里只介绍后两种。 1）含湿量 湿空气是由干空气和水蒸气组成的。在湿空气中与 1kg 的干空气 同时并存的水蒸气量称为含湿量，即： （式 2-1） gq mmd/ 式中， d湿空气含湿量，单位是 kg/kg 干空气； 湿空气中水蒸气的质量，单位为 kg； q m 湿空气中干空气的质量，单位为 kg。 g m 2） 相对湿度 在一定温度下，饱和空气中的水蒸气量已达到最大限度，它 不再具有吸湿能力，即不能再接纳水蒸气。这时空气所具有的含湿量称为该温度 下湿空气的饱和含湿量。 相对湿度是指空气中水蒸气分压力和同温度下饱和水蒸气分压力之比。在空 调系统中，一般都用相对湿度来表示空气中水蒸气的含量。 （2）空气中的二氧化碳含量 空气中主要成分是氧气和氮气，另外还有二氧化碳和其他稀有气体。清洁空 气中的二氧化碳体积含量约占 0.03%，对人体无害。但如果二氧化碳含量超过一 定的比例，即可使人产生不适感；室内空气二氧化碳在 0. 07%以下时属于清洁空 气，人体感觉良好；当浓度在 0.07%至 0.1%时属于普通空气，超过 0.1%时个别敏 感者会感觉有不良气味；空气中二氧化碳含量更多只会导致乘客呼吸困难、窒息， 严重的还会造成生命危险，所以在车载空调控制系统中，也要对二氧化碳含量的 15 控制。 2.32.3 车载空调制冷加热处理的原理分析车载空调制冷加热处理的原理分析 全合一空气混合型全自动空调的空调系统，它的出气口空气是通过将经过蒸 发器降温后和经过暖风散热器升温后的气体由混合风门调节混合所得的。同时， 上面的分析我们把空调对空气的处理看成理想的热交换器，车厢内一部分空气吸 入，然后经过热交换后从排风口排出相同体积的空气。所以空调系统对空气的热 处理可以 分析为将一定量的理想空气根据不同的比例分别经过与制冷蒸发器和暖风散热器 的热交换后再次混合。假设空气为理想气体，在热力学定律和交换散热理论的指 导下可以得出以下公式： hhhhccchcp tvkxtkxqqq （式 2-2） 其中， 经过加热处理前后空气的热差； p q 制冷蒸发器的交换热； c q 暖风散热器交换热； h q 代表制冷蒸发器的开关(0 或者 1) ； c x 制冷蒸发器温度(约为 0 摄氏度)与处理前空气温度的差值； c t 代表暖风散热器的开关(0 或者 1) ； h x 制冷蒸发器热交换系数(约为 0.7) ； c k 暖风散热器热交换系数(约为 0.5)； h k 经过制冷蒸发器进行热交换的气体体积() ； c v 3 m 经过暖风散热器进行热交换的气体体积() ； h v 3 m 暖风散热器温度(约为 60 摄氏度)与处理前空气温度的差值。 h t 又由于假设理想气体，有： =（-） （式 2-3） p q p v p c f t m t 其中： 经过处理气体的总体积()； p v 3 m 16 热处理后空气温度(k 或)； f t 热处理前空气温度(k 或)； m t 又因为混合风门调节空气混合，所以可以得到: =+=（1-）+ （式 2-4） p v c v h v p v p v 其中，一经行加热处理空气的比例，理想情况下正比与混合风门开，所以， 可以得到空调处理过程温度关系为: =0.7（1-）(0-)+0.5(60-)+ f t m t c x m t h x m t （式 2-5） 2.42.4 对车载空调系统的控制对车载空调系统的控制 随着汽车工业的发展，汽车上的通风和空调逐步成为必备设施。汽车空调的 目的是在任何气候和行使条件下，能为乘员提供舒适的车内环境，并能预防或除 去 附在挡风玻璃上的雾、霜或冰雪，以确保驾驶员的视野清晰与行使安全。不过汽 车空调只有制冷、取暖和配气系统还是不能够达到这些目的，要想汽车空调系统 能够实现这些功能，必须对汽车空调系统的工作状态进行必要的控制，即必须采 用控制器对空调系统进行控制，使各个执行机构能够协调工作，从而很好得控制 车内空气质量，满足乘客的舒适行要求，保证汽车行驶的安全性、经济性。本课 题就是研究和开发汽车空调系统的控制器，使空调能够进行温度、湿度和清洁度 的控制，满足乘客的需要，为乘客提供舒适的乘车环境。 车载空调系统的控制可以分为制冷系统的控制和空气侧的控制。对空气侧的 控制是目前车载空调采取的主要策略。在本系统中，以空气侧的控制为主，以制 冷系统的控制为辅对空凋系统进行控制。对空气侧的控制有：控制空气进口风门 （内/外循环风门）的开度以及空气净化器的开关，改善空气的清洁度；控制加热 器旁通风门（混合风门）的开度，调节出风温度；控制鼓风机转速，调节出风速 度；控制吹头吹脚风门（送风方式风门）的开度，调节出风角度，满足吹头、吹 脚、除雾除霜；需要加湿的时候打开加湿阀的开关，需要减湿的时候改变混合风 门的开度，调节空气的相对湿度等要求。对制冷系统的控制，主要是对压缩机的 17 控制，控制压缩机的启动和停止来控制温度。 通过对车载空调系统的学习可以发现，大中型客车上的配气系统虽然有很多 种，目前最常用的只有空气混合式和全热式两种。但是不管哪种类型的配气系统， 其控制的风门都是相同的，都是通过调节混合风门的开度来调节车内空气的温度， 通过调节送风方式风门来改变吹风角度，进行吹头，吹脚和除霜，通过调节内/外 循环风门来改变车内空气的清洁度。通过上面介绍的车载空调系统的学习，结合 对前面的空调的配气系统的了解，可以看出，不论是对哪种形式的客车空调系统 进行控制，主要就是控制各个执行机构，比如风门挡板，压缩机，鼓风机以及加 湿阀，空气净化器等，从而达到控制车内空气的温度，湿度和二氧化碳浓度以及 合适的送 风量的目的。 2.52.5 车载空调控制系统的总体设计车载空调控制系统的总体设计 本课题所设计的空调系统控制系统是借鉴目前国际、国内车用空调系统制造 商 产品的设计特点、技术经验及其设计思想，针对大客车空调系统，采用先进的微 控 制技术进行设计开发。图 2-5 是该控制器的总体框图。 温度信号 湿度信号 二氧化碳 浓度信号 各个风门 位置信号 模 数 转 换 显示 按键 at89c52 各个风门电机 鼓风机电机 压缩机 加湿器 空气净化器 二氧化碳报警器 18 图 2-5 车载空调控制器的总体框图 系统由 cpu、检测电路、人机接口、驱动控制电路等组成。该系统以 at89c52 为微处理器，将检测到的各种模拟信号转换为数字量后送往处理器进行处理，通 过计算输出相应的控制信号控制各个执行机构进行协调动作，将车内空气控制在 人感觉舒适的范围，实现了客车空调的智能化控制。 本系统对原来的空调控制系统进行了改进，在原来的客车空调系统中，空气 进口段，空气混合段以及空气分配段这三部分的控制是通过钢丝绳或真空装置与 汽车仪表盘相连接的，这种控制方法参数不能预定，需人工操作，因而控温精度 较差。 这种人工操作的控制方式在我国客车空调中使用较多，而国外客车使用较少。本 系统采用小功率的直流电机对空气配气系统的各个风门进行控制，电机经过减速， 内部带有位置反馈信号，可以确切的知道风门开度大小。从而实施下一步控制。 鼓风机也由直流电机控制。该空调控制系统可以实现以下功能： 1. 空调控制。温度自动控制，风量控制，运转方式的自动控制，清洁度的控 制，湿度控制等，满足车内的空调对舒适性的要求。具体来说如下： （1）根据车内空气当前的状况，向各个风门电机发出指令，驱动并执行相应 动作。 （2）根据车内外的温度高低，自动切断压缩机工作，从而达到调节控制车内 温度的目的。这点对节省油耗很重要。 （3） 根据车内的温度情况，通过调节鼓风机电源的开关时间来改变鼓风机 的电压，从而调节空调风量。既能满足人们的舒适性，又能节省运行费用，尤其 对大客车空调系统减少风量的经济意义更为突出。 （4）通过控制加湿器和混合风门的开度将汽车内空气的相对湿度控制在合适 19 的范围，一般夏天是 55%70%，冬天是 60%75%。当湿度超过上限时，加大混合 风门，使通过加热器的空气增多。湿度低于下限时，打开加湿器，对空气进行加 湿。这是以前的控制系统所没有的，是本系统的一个特色。 （5） 在冬天和雨天，除去玻璃上的结霜和凝雾，以保证驾驶员的安全操作 和乘员的视线清晰。 （6） 控制车内二氧化碳浓度并且有二氧化碳报警，当车室内的空气中二氧 化碳浓度超过设定的上限时，就进行二氧化碳报警，同时吸入新鲜空气，启动空 气净化器对车内空气进行净化。 2. 显示。在设定温度时显示设定的温度，在其它时间显示车内的实际温度， 同时显示吹头，吹脚，除霜等送风方式，以及空气循环方式，鼓风机、加热器和 压缩机的工作状态等，让司机能够对工作状况了解。 2.62.6 本章小结本章小结 本章首先介绍了车载空调的基本工作原理，然后介绍了车载空调的组成和结 构，重点说明了空调系统在不同工况下各执行机构的工作状态，并对汽车车厢的 热力学和空调制冷加热原理进行了分析，在此基础上为客车空调自动控制系统的 实际开发做好了准备。 20 第第 3 3 章章 车载空调控制系统的硬件设计车载空调控制系统的硬件设计 3.13.1 车载空调控制车载空调控制系统的整体结构图系统的整体结构图 空调控制器的硬件原理框图如图 3-1 所示。由图可知，空调控制器的硬件主 要由键盘，显示器，模拟量信号检侧，电源以及控制输出等几部分组成。 按键 温度湿度二 氧化碳浓度 信号量信号 位置反馈信 号 tlc1543 显示 x5045 电源 at89c52 控制各 个电机 继电器输 出信号 报警 信号 21 图 3-1 控制器硬件系统框图 本系统采用 atmel 公司的 at89c51 作为系统 cpu。控制系统的硬件设计如图 4-1 所示。at89c51 是以 8051 为内核的 8 位单片机，内部有 4k 的 rom，可以满足 控制系统的需要，不再扩展程序存储器;扩展 led 显示和键盘等人机接口，可以显 示车厢内温度，用户通过键盘设置工作参数;at93c66 是三线制 microwire 总线的 串行数据存储器，它是可以电擦除的非易失性 eeprom，用于存储控制表格和用户 设置的工作参数;温度传感器采用三个单总线数字式温度传感器 d51820，分别测 量蒸发器表面温度、车外环境温度和车厢内的温度。 3.1.13.1.1 单片机的选择及特点单片机的选择及特点 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。 本系统采用 atmel 公司的 at89c51 作为系统 cpu，主要原因是： （1）由于它是以 8031 为核心构成的，所以它与 mcs51 系列单片机是兼容的， 这对于熟悉 mcs51 系列的广大用户来说用 at89 系列单片机取代 51 系列进行系统 设计是轻而易举的； （2）内含 flash 存储器，可以承受 1 万次写/擦循环。这在系统的开发过程 中，可随意进行程序修改，既便错误编程之后仍可以重新编程，故不存在废品且 大大缩短了程序的开发周期；同时在系统工作过程中能有效地保存数据信息（数 据保存期 10 年） ； （3）采用该芯片的另一个重要原因是空调控制器的箱体尺寸一定，要求该智 22 能控制器体积非常精巧，而本课题所采用的 cpu 芯片确实能够在保证功能的前提 下尽量做到空间体积的最优化：自带 8k 的 rom，完全可以满足系统程序的存储容 量，不必再扩展系统；芯片内含 256 个字节的 ram，也可以省却 ram 的扩展； 除此之外，at89c51 单片机还具有以下一些特点，了解这些功能可以很好的对 外围电路进行优化和配置： （1）一个 8 位的微处理器 cpu； （2）片内数据存储器。256 字节 ram，用于存放可以读/写的数据，如运算的 中间结果，最终结果以及要显示的数据； （3）片内含有 8k 字节可重编程闪速程序存储器，可以存放程序，一些原始 数据和表格； （4）四个 8 位并行 i/o(输入/输出)接口 p0p3，每个口可以用作输入，也 可以用作输出； （5）三个 16 位定时/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式， 用 以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，比可以根据计数或者定时的结 果实现计算机控制； （6）一个 6 向量两级中断结构； （7）一个全双工串行口，可以实现单片机和单片机或其他微机之间的串行通 讯； （8） 2.76v 的操作范围； （9） 与工业标准 mcs-51 系列单片机指令集和引脚结构兼容； （10） 一个精密模拟比较器，六个中断源。 at89c51 管脚图，如图 3-2。 23 图 3-2 at89c51 管脚图 图 3-2 at89c51 管脚图 3.1.23.1.2 最小系统的组成最小系统的组成 单片机系统包括程序存储器，数据存储器，低位地址锁存器，地址译码电路 以 及 i/o 扩展电路等。由于单片机 at89c52 内部集成了计算机的基本功能部件，已 具备了很强的功能，一块芯片电路就是一个基本的微机系统，相当于一个 8031，74ls373，2716 等组成的单片机最小应用系统，并且片内 256 字节的数据 存储器，已基本满足数据存储所需，同时软件优化的计算方法，减少了对数据存 储器的存储容量的要求，所计算的数据相对较少，另外，本控制系统所需要处理 的事件不多，加之采用模块化编程思想，at89c52 的内部的 8k 字节闪存可编程可 擦除存储器已能满足系统要求，故本系统没有扩展片外数据存储器和片外程序存 储器，减少了外围扩展器件，有利于提高系统的可靠性和稳定性，减少了控制器 的体积，有利于整个控制器的设计和安装，提高了产品的灵活性。 3