基于单片机的汽车空调控制系统的设计与实现

摘 要随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。现在国产汽车的汽车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。本文着重讨论了在工艺上和理论上如何更准确、更灵敏、更快速、更及时和更经济地获取所需采集的信号，以及被控变量的可测和可控性。文中阐明了传感器的类型和使用方法，单片机的介绍和应用，步进电机的选用，显示屏的选择和使用等。并且对各部分联系及组成的单片机最小系统的具体编程及应用。本实验台的控制为以单片机为核心的开发板连接扩展电路带动步进电机，受限于控制实时性、可靠性及通信带宽，本论文提出了采用分布式控制系统的方案，先把各个部分拿出来研究设计，最后在组合到一起。极大的降低了设计最初的难度，方便了演示成品，争强了控制实时性。基于虚拟仪器的试验设备为设计及检测提供了高水平的试验手段，可提高汽车空调开发质量，自动控制，系统升级等。关键词：汽车空调；温度；自动控制；单片机；步进电机of to in on in to be of of on of of as as of of to in a in of to on to a be to of 摘要.引言.研究项目开展的意义.汽车空调的系统工作原理.汽车车厢的热力学分析.汽车空调的自动控制系统难点.课题的提出与研究内容.单片机应用与介绍.单片机的发展.本章小结. 单片机的选择. 数据采集部分的选择及应用. 数据显示部分的选择.系统模拟空调风门开度器件的选择.本章小结. 系统总体软件设计. 温度模块和显示模块的软件设计.步进电机的软件设计.本章小结. 系统各部分调试.系统的实验.本章小结.第一台汽车空调装置在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。1940年才提供了通过制冷方式使汽车空气凉爽。第二次世界大战后，汽车空调开始了实质性的进展。直到如今，汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要手段已被广大汽车制造工作者及用户所认可，人们越来越认识到汽车装有空调的好处。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。但近年来发展速度很快，国内轿车上80装有空调系统。随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。现在国产汽车的汽车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。自从人们发明了汽车加热装置和汽车空调设备后，大大改善了人们驾驶的环境随着国内人们生活水平的提高，轿车在人们生活中扮演重要的角色。而汽车空调作为汽车使用舒适性的衡量标准之一，要求也越来越高。长期以来，我国轿车空调的自动控制水平较低，大多处于手动或半自动状态。手动控制一方面会出现车室温度达不到舒适性、节能性的要求；另一方面容易分散注意力，不利于安全。实现轿车空调的自动控制是必然趋势。国外高级轿车上一般都装有全自动的空调系统，能根据汽车的状态参数自动地调节车内温度。而国内大部分高档轿车的空调控制器都是依靠进口，目前还没有自己开发的具有自主知识产权的轿车空调自动控制器。车业界一直认为中国汽车产量将突破1000万辆而突如其来的金融危机让业界大跌眼睛，今年中国汽车产业量约960万辆，同比增速约为10%，而全球汽车产量却出现了下滑现象。但是汽车产量的下滑却不等同于汽车的电子下滑，尤其人们对汽车行驶舒适性要求的提高推进了汽车车身自动控制的不断升级，同时智能化被越多的人所关注。汽车空调作为一种舒适性空调，不仅是人民生活水平提高的标志，也是提高汽车市场竞争能力的重要手段。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对空调驾驶室的温度提出了更高的要求，这就使轿车空调的控制又面临着新的挑战。但是汽车使用空调大部分都是封闭空间内使用，驾驶室的空间很狭小，内部空调长时间循环导致空气不流通，有害气体的增加，车内空气混浊通风不好导致长期驾驶容易出现疲劳，诱发事故。车内空气污染较严重时，严重影响了驾驶员的健康，因车内空气污染找出的疾病或中毒事件时有发生，为了获得安全舒适的车内气候环境，改善汽车内部的空调风门，来达到调节汽车内部温度系统是很有实在意义和广泛的发展空间的。当今汽车不只是简单的代步工具，上海市曾做了个意向调查统计，约有45%以上的有购车欲望的人希望购买20致25万左右的汽车，享受已经被越来越多的消费者所看重，而汽车空调系统更能体现这一点，汽车空调能在任何气候行驶的条件下，改善驾驶员的工作劳动条件和提高成员的舒适性。现在人们都希望汽车空调能达到人体最适宜的状态。目前国内大部分经济型轿车驾驶室内温度控制还处于一个手动状态，如果把空调的风门改成随着车内温度自动调节开度大小的系统，对驾驶者有很多益处，更为该车在市场竞争中添加了砝码。再有很多车当驾驶室乘员数、日照强度、车速、风量等大幅度变化时，手动控制不能很好地提供车内一个自动调控的舒适环境，手动控制已成为汽车空调进一步发展的瓶颈问题，而国外一些高档轿车上已经配有全自动轿车空调系统，并且对这些先进的技术申请了专利，对知识产权进行了保护，因此无法破解其核心技术，我们只有自主开发适合我国交通、气候的轿车空调全自动控制器，形成具有自主知识产权技术，制订出汽车空调控制器的产品标准，才能更好的提高我国汽车工业整体水平，增强国际竞争力，进一步增强综合国力。的作用是对室内空气进行调节，使空气的温度、湿度、流速、和洁净度达到人体所需要的舒适范围。汽车空调室空气调节工程的一个重要分支，属于舒适性空调，他是为了车室内或驾驶室内的空气质量和数量达到舒适性标准而进行调节的装置。汽车空调一般由制冷系统、暖风系统、通风系统以及空气净化系统、控制系统等几个部分组成。汽车通风装置的主要功能是换气，即打开通风口，利用汽车迎面风的动压通风或利用空调系统中风机的强制通风来进行换气。车厢空间小，车内空气由于成员呼出的二氧化碳、水蒸气、烟等而受到污染，需经过通风换气来净化，同时调节车内的温度与湿度。此外，通风对于防止车窗玻璃起雾也起着很重要的作用。为维持舒适条件需要的最小限度的换气称为必须换气量，为此应设置即使在汽车车窗禁闭的情况下，仍能从车外引入新鲜空气的通风装置（每人约需2536m3/h）。其中控制系统是对制冷和暖风系统的温度、压力进行控制，同时对车室内空气的温度、风量、流向进行控制，完善了空调系统的正常工作。汽车在任何条件下，车厢内部都具有舒适的温度范围和气流平均速度，冬季为1620，夏季为2029。汽车空调的控制机构和操纵机构要求灵活、方便，不增加驾驶员劳动强度，不影响驾驶员的正常驾驶等。汽车空调制冷系统装置有压缩机、冷凝器、贮液干燥器或积累器、膨胀阀或膨胀管、蒸发器和电气控制系统等组成。就是制冷与加热使用一套温度控制系统，其通过混合风门的开度调节冷热空气的混合。在汽车空调的作用下，除空调对气体交换处理外，对车厢内热平衡有显著影响的还有由车厢缝隙和换气系统缝隙进入的新风热、车身壁面传入热、日照辐射影响传入热和人体发热几个方面。对于其它热交换相对较少。首先，将汽车车厢可以看作一个定容定压控热系统。这里的汽车车厢热学模型忽略了其他方面的影响，针对以上所述，假设空气为理想气体情况下，忽略气体的动量和势能，根据热力学第一定律可以得到以下方程：Q =Q f + 2 +4 （中： Q 车厢总热量变化（Q f 空调输出空气与吸入空气热量差（1车厢进入新风所产生的热量差（ 2 车身壁面传入热（3日照辐射及影响热量（4人体发热量。根据热力学第一定律，理想气体等压变化可以得到：Q =mh= p 中：m车厢内空气质量（H车厢空气熔值的变化（kJ/C车厢总体积（轿车估计为3 空气密度（ p空气比热容（车厢内空气温度变化（K）了使空调系统完成其通风、调节温度和湿度等功能，必须对其进行多方面的控制。具体的控制内容和方法如下：控制外气的引入量、控制鼓风机的速度、控制制冷能力、控制温度和配风控制。与一般建筑空调相比，汽车空调有其特殊性。首先，汽车是个移动物体，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，由于汽车驾驶室内成员密度大，人体热量大，要求的制冷能力大，汽车开启空调与成员进入车内往往是同一时刻，乘客要求一进入车室，在很短的时间内就享受到空调效果;而汽车车身（包括座椅等）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，汽车是高速移动的物体，与外界对流热量大。而且车身隔热困难，玻璃门窗所占面积又大，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底下（或风雪下），进入驾驶室的热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50摄氏度以上。汽车的使用环境非常严重，这些环境因素往往在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、要满足温度、湿度环境的要求。2、要求满足振动冲击环境要求。3、要满足电器环境要求。产化自动控制系统在汽车系统中的应用性研究较少，迫切需要对汽车空调控制器实现电子自动化、国产化为目标而产生的。因此，本课题的研究内容为：1、通过对汽车空调工作原理和空调总成的结构研究分析，设计了以单片机为核心的模拟控制系统，并对控制器硬件电路部分选择和研究。2、建立了空调调节门的开度的模拟系统，阐述了如何实现汽车对汽车空调系统的自动控制。3、温度检测采用高精度的集成、编程过程中，采用分块化的设计方法，对各个子部分分别进行编程、调试，再按控制要求将他们连接起来，进行测试、分析。5、通过制作实物，来模拟汽车空调自动系统。、如何实现传感器的接收，传递，以及提高传感器的精度。2、利用单片机编程所编写的程序如何能把所接受到的信号处理后通过电路传到硬件机构。3、怎样把显示模块（计到该装置，如何能设定适合温度范围。4、通过单片机出来电路连接马达还是连接步进电机，怎么采用其他方法来达到控制风门旋转的目的。5、接受的信号如何能通过经单片机控制来实现整个系统的自动化。6、软件编写，需要几次中断响应，和把程序下载到单片机保证程序正常运行。定容量的口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片机微型计算机，简称单片机。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能档轿车、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师等。计算机时用于处理数字信息的，单片机也是如此，各种数据及非数据信息在进入计算机前必须转换成二进制数或二进制编码。单片机学习应用的六大部分：1、总线2、数据、地址、指令3、2、序的执行过程5、堆栈6、现了16位的单片机，而且芯片内部也增加了其他的性能。如单片机内部集成了A/未来各种电子产品对单片机的要求，单片机将会向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、大容量储存器的方向发展。单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。空调机采用单片机后不但遥控参数设置方便，运行状态自动变换，还可实现变频控制。目前许多家用电器如片机与嵌入系统：嵌入式系统源于计算机的嵌入式应用，早期嵌入式系统为通用计算机经改装后嵌入到对象体系中的各种电子系统，如汽车的在自动驾驶仪，轮机检测系统等。嵌入式系统首先是一个计算机系统，其次它被嵌入到对象体系中、在对象体系中实现对象要求的数据采集、处理、状态显示、输出控制等功能，由于嵌入在对象体系中，嵌入式系统的计算机没有计算机的独立形式及功能。单片机完全是按照嵌入式系统要求设计的，因此单片机是最典型的嵌入式系统。早期的单片机只是按嵌入式应用技术要求设计的计算机单芯片集成，故名单片机。随后，单片机为满足嵌入式应用要求不断增强其控制功能与外围接口功能，尤其是突出控制功能，因此国际上已将单片机正名为微控制器(51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编，言和面友好，易学易用。单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，编写语言程序变为工汇编，机器汇编。其中机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码。现在大多数 软件，可以发现其强大的应用性。51开发系统基本知识51开发系统基本知识1、系统概述51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。2、51单片机软件开发系统的整体结构可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用后分别由目标文件可由可以与库文件一起经供调试器可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如用独立的意事项：（1）用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。（2）仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。本课题主要采用软件进行编程的。进入51后，入后几秒钟后出现编辑界：入879年，美国电话电报公司贝尔实验室正式发表了是一种结构化语言，它层次清晰是一种计算机高级语言。在单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，语言具有良好的模块化，容易阅读和维护等优点。有很好的可移植性功能化的代码能够很方便地从一个工程移植到另一个工程，从而减少了开发时间。时国际上广泛流行。世界上很多著名的计算公司都成功的开发了不同版本的多优秀的应用程序也都使用是一种很有发展前途的高级程序设计语言。把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C 语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。合于多种操作系统，如适用于多种机型。显优于其它解释型高级语言，有一些大型应用软件也是用语言具有较好的可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。它是数值计算的高级语言。程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。、要了解处理器的指令集，也不必了解储存器结构。2、器分配和寻址方式由编译器进行管理，编译时不需要考虑存储器的寻址数据类型等细节。3、令操作的变量选择组合提高了程序的可读性。4、使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。5、序的开发和调试时间大大缩短。6、语言中的库文件提供许多标准的例子。7、通过而可将已编制好的程序加入到新程序中。8、语言编译器几乎适用于所有的目标系统，已完成的软件项目可以很容易地转换到其他的处理器或环境中。序结构：顺序结构的程序设计是最简单的，只要按照解决问题的顺序写出相应的语句就行，它的执行顺序是自上而下，依次执行。2、选择结构：顺序结构的程序虽然能解决计算、输出等问题，但不能做判断再选择。对于要先做判断再选择的问题就要使用选择结构。选择结构的执行是依据一定的条件选择执行路径，而不是严格按照语句出现的物理顺序。选择结构的程序设计方法的关键在于构造合适的分支条件和分析程序流程，根据不同的程序流程选择适当的选择语句。选择结构适合于带有逻辑或关系比较等条件判断的计算，设计这类程序时往往都要先绘制其程序流程图，然后根据程序流程写出源程序，这样做把程序设计分析与语言分开，使得问题简单化，易于理解。程序流程图是根据解题分析所绘制的程序执行流程图。3、循环结构：循环结构可以减少源程序重复书写的工作量，用来描述重复执行某段算法的问题，这是程序设计中最能发挥计算机特长的程序结构，种循环可以用来处理同一问题，一般情况下它们可以互相代替换。4、模块化程序结构：将复杂的个模块都编写成一个后通过主函数调用函数及函数调用函数来实现大型问题的此常说：函数+子函数。因此，对函数的定义、调用、值的返回等中要尤其注重理解和应用，并通过上机调试加以巩固。个个函数，也可能包含其他函数，因此，函数是程序通过直接书写语句和跳用其他函数来实现有关功能，这些函数可以是个函数由两部分组成：函数的首部，即函数的第一行。包括函数名、函数类型、函数属性、函数参数（函数参数）名、参数类型。函数体，即函数首部下面的大括号“”内的部分。如果一个函数内有多个大括号、则最外层的一对“”为函数体的范围。一个是从语言其中含有大量行在硬件的要求很低，在无硬盘286机的1它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的个庞大的全安装有200多M，它工作在个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如多层印制线路板的自动布线可实现高密度通率。在国内关为它的普及提供了基础。别是原理图设计、含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、下介绍一些定起始点和终止点，菜单上选择“，按空格键切换连线方式，自动连线、任意角度、45连线、90连线，使得设计者在设计时更加轻松自如。只要简单地定义动连线可以从原理图的任何一点进行，不一定要从管脚到管脚。“”找到开择“单，界面将被水平分割。单。界面将被垂直分割，可以用鼠标调整分割窗口的大小。要想分割更多的窗口，可重复上述操作。按器件的电路图大部分是由别介绍了单片机的分类和发展、软件的应用、计与开发本器件时主要使用了几个软件都有简略的介绍。通过查阅大量的书面和网络资料，初步设定了计划及未来的准备。为后面的章节做了铺垫。第3章硬件电路的选择本控制器是建立在计算机控制理论基础上的一种以单片机为控制核心的测控系统。它能实现实时数据采集、实时决策、实时控制；所谓实时数据采集，即对被控制的瞬时值进行检测和输入；所谓实时决策，即对实时的给定值和被控量的数值进行已定的控制规律运算，决定下一步的控制过程；所谓实时控制，即根据决策，适时的对执行机构发出控制信号。最大区别在于车用如可能要工作在+120的环境中，这就要求车用项目中使用到的号为于该款单片机出货量大，由此成本低，而且它的片上资源满足本项目的要求，因此适合采用。该单片机采用024片有256字节数据存储器内有8个8位的并行I/0、2、一个全双工串行通信口；3个16位定时器、计数器（1、处理6个中断源，两级中断优先级。电源端与接地端（+5V）。性能有8司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80品指令和引脚完全兼容。片上适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位得有效的解决方案。56字节2 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，许时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。该系统板上的单片机系统把全部的I/此，在实际应用的时候，可以灵活地组合成不同的单片机应用系统。：口。作为输出口，每位能驱动8个”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，据复用。在这种模式下，程时有应用。在0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。：是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，出缓冲器能驱动4个辑电平。对口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(在系统中编程中应用。此外，数器2的外部计数输入(2)和时器/计数器2的触发输入(2具体如下表所示。在1口接收低8位地址字节。2(定时器/计数器2时器/计数器载触发信号和方向控制)：双向I/2口输出缓冲器能驱动4个辑电平。对口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在系统中编程中应用。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，这种应用中，使用8位地址访问外部