（机械设计及理论专业论文）客车空调智能控制技术及系统开发.pdf

一一一一 查兰至塑塑堂叁型垫查垦墨竺墅叁 1 绪论 1 1 引言 客车是现代社会中的主要交通工具之一，以我国为例2 0 0 0 年公路客车的客运量、 旅客周转量分别占全社会客运量和旅客周转量的9 1 2 和5 4 3 ，与此同时，全国城市 客车客运量达3 4 1 1 亿人次“。目前大部分客车上都安装了空调系统，客车空调是客车 空气调节的简称，即采用人工制冷和采暖的方法，调节车内的温度、湿度、清洁度等参 数，从而将车内空间的环境调整到最适宜的状态创造良好的劳动条件和工作环境以 提高司机的劳动生产率和行车安全；创造良好的车内环境，保护乘员的身体健康，利于 乘员旅游观光，学习或休息。随着国内人民生活水平的提高和汽车工业以及现代高科技 和电子技术的发展，人们对舒适性的要求的也越来越高，现代客车空调正在以追求舒 适，自动调节，便于操作，为乘客及司机创造有利的外出旅游环境及安全工作环境作为 一个目标。当前，只有豪华大客车安装了微机控制的空调系统，例如三菱大客车b s 7 1 2 d 型“”1 。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谰系统或电控 的空调系统，手动和电控空凋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，可广泛用于大中型客车。 1 2 国内外客车空调的研究现状 1 2 1 我国客车空调的发展现状 我国的汽车空调起步较晚，所以汽车空调技术一直发展缓慢。我国现有主要汽车空 溷生产厂家2 0 多家，上海恒初车用空调有限公司、上海松芝汽车空调有限公司、上海 汽车空凋器厂、空调国际( 上海) 有限公司等，其中空调国际( 上海) 有限公司主要生产为 依维柯、金杯等品牌配套的面包车、大客车空凋。这些空调生产厂家大都根据自己的空 调系统生产配套的空凋控制器，他们绝大部分是引进国外技术生产线和生产设备，还有 些中外合资企业，国内汽车空蛹技术的研究和开发与国外的差距正在逐渐减小1 。“。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 其技术含奄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放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 空凋业迫切需要解决的问题。 目前，我国客车上最常见的几种空调系统有。“：手动凋节的空调系统，拉绳式空凋 控制系统，真空调节的空凋系统，还有电控气动的空调控制系统。虽然目前有很多种形 墨! j ! ! ! 里壁笙型垫查垦墨垫茎茎 式的空调控制系统，但是它们都有一个共同的缺点：温度的调节、通风机构和风向、风 速等都是依靠司机拨弄各种键来实现，增加了司机的工作量，而且调整的空调参数不一 定是最舒适的范围内。而且不论进e ：1 或国产大客空调，目前绝大部分配置不具备同时拥 有制冷、制热、除湿、通风等功能。 1 2 2 国外客车空调的研究状况 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，取得了相当的成就。 目前，美国生产的客车1 2 装备了自动空调系统，只要预先调好温度，机器就能自动地 在凋定的温度范围内工作，有8 2 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( 后台并到三菱集团) 一起联合研究微机控制的客车空调系统，将客 车空凋技术推到一个新的高度。法国露络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 牵调系统“。 1 3 课题的研究内容和主要工作 本课题为工程实际项目，是大连理工大学机电研究所和大连海斯特公司合作开发的 空调控制系统。学习借签国内外较成熟的应用技术和先进经验，根据产品要求，大体确 定以下研究内容： 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，借鉴池们的成功经验，结 合我国的实际情况，进行总体方案的设计。确定改进以往的客车空调控制系统的 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8 9 c 5 2 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汁。 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，运行黾否准确可靠。 1 4 课题的理论意义和应用价值 目前国内客车空调控制系统部很简单，大部分都是手动控制，凭人的感觉来调节 客车宅调智能控制技术及系统开发 开关。因而温度、湿度及风量难以控制。并且国内外生产的大客车空调绝大部分不具备 同时制冷、制热、除湿、通风等功能，而我们所研制的客车空调控制系统采用了先进的 电子技术以及模糊控制技术，使得空调系统的控制效果日趋完善。该控制系统不仅克服 了原来产品的不足，还增加了许多功能，能调节冷、暖、湿度、通风，并且具有节能经 济、智能化、自动化等优点，运用这种空调系统能进行全天候的空气调节，在人为设定 的温度、湿度及二氧化碳含量的情况下，该系统可根据外界环境的变化及其它情况的变 化进行多档位、多模式的微调，从而达到设定的最佳值，使车内始终保持舒适的人工气 候环境。该系统能够广泛应用于大中型客车，对提高客车的竞争力有很大意义，而成本 增加不多，可大量更新现有汽车空调控制系统，有着广泛的发展前景和实用价值。 客车空调智能控制技术及系统开艘 2 客车空调系统的介绍以及控制器的总体设计 要对某个系统进行控制时，必须要对它有一定的认识和了解，熟悉整个系统各个组 成部分的结构、功能特点以及各个组成部分之间的内部联系，对客车空调系统的控制也 不例外。为了对客车空调系统进行有效的控制，先对客车空调系统做一个简单的介绍。 2 1 客车空调系统的介绍 2 1 l 客车空调的功能 客车空凋也属于汽车空调的范畴，就来介绍广泛意义上的汽车空调。从汽车空调的 定义也可以看出，汽车空调的有以下几个功能： l 调节车内温度这是汽车空调的基本功能，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，汽车发动枫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 ，t 2 客车空渊的制冷系统。= 。” 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 一l 所示。 客车空调智能控制技术及系统开发 一、一一一4 ，+ ，- 一7 、 ij 。焉= 7 ； ，_ 烹压一二 ，高压 侧一 一1 ，画一 1 一一0 ，一， 低 低_ ，7 、压 压 图2 一l f i g 2 蒸气压缩式制冷原理图 l 一压缩机2 一排气管3 一冷凝器仁风扇5 、7 一高压液管 6 一干燥贮液器8 一膨胀阀9 一低压液管i o 一蒸发器 1l 一鼓风机1 2 一感温包1 3 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 软管道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， 流过嘭胀阀。在膨胀阀的节流作用下，制冷剂变为低温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荆气体，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。 菇 ，| ，孝 一 ( 工 客车空调智能控制技术及系统开发 2 1 3 空调系统的采暖装置 客车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最两种。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： a ) 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。 b ) 冬季取暖。 c ) 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。 2 1 4 客车空调配气系统9 电：= jk、 1 机! i 。0， 孽_ ：! ：j8 8 刘= 一一- ：一一- 了2 一一t 电 气一一 一一。 ， (is一 一 i 害 翟i 互 ：i 一 ，、j 、2 机 一 ，j l l 一一一一。一一一_ f _ 一 一一 托 景三 一i 二一 ： z 电 图2 - 2 客车空调配气系统 f i g 2 - 2 t h ed i s t r i b u t i o n l - - 风机2 一蒸发器3 一加热器4 一脚部吹风口 5 一面部吹风口 6 除 霜风口7 一加热器旁通风门8 一空气进口风门挡板 9 - - 制冷系统进液出气管1 0 一水阀调节进出水管 客车空调智能控制技术及系统开发 图2 2 为客车空调配气系统，一般有三部分组成二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卜 空气进入蒸发器冷却由风门调节进入加热器的空进入各吹风口。 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。当汽车眨期运行时， 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 吹出热风供采暖和 除霜用。 2 1 5 与空调控制相关的空气参数 客车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。 一、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。 l ，含湿量湿空气是由于空气和水蒸气组成的。在湿空气中与l k g 的干空气同时并 存的水蒸气量称为含湿量( d ) ，即： d = 弛m 。 式中d 一一湿空气含湿量，单位是k g k g 干空气； m 。一湿空气中水蒸气的质量，单位为k g ； 。一湿空气中干空气的质量，单位为妇。 2 相对湿度：在一定温度下，饱和空气中的水蒸气量己达到最大限度，它不再具有 吸湿能力，既不能再接纳水蒸气。这时空气所具有的含湿量称为该温度下湿空气的饱和 含湿最。 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。 二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 0 3 ，对人体无害。但如果二氧化碳含量超过一定的比例，即 客车空调智能控制技术及系统开发 可使人产生不适感：室内空气二氧化碳在0 0 7 以下时属于清洁空气，人体感觉良好： 当浓度在0 0 7 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 在客车空调控制系统中，也要对二氧化碳含量的控制。 2 2 对客车空调系统的控制 随着客车工业的发展，客车上的通风和空调逐步成为必备设施。客车空调的目的是 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。不过客车空调只有制冷、 取暖和配气系统还是不能够达到这些目的，要想客车空调系统能够实现这些功能，必须 对客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客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。 客车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 目前客车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 为辅对空调系统进行控制。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，主要是对压缩机的控制，控制压缩机的启动和停止来控制温度。 通过对客车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。通过上面介绍的大客车空调系统的学习，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 3 客车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 行设汁开发。 客车空调智能控制拽，忙厦系统开发 扭度佰亏 备童舻i 湿度信号 模 二氧化碳 数 浓度信号 转 i 鼓风机电机 各个风门 换 位置信号 l 压缩机i a t 8 9 c 5 2 ll 显示 l 加湿器 空气净化器 按键l 一二氧化碳报警 图2 - 6 客车空调控制器的总体框图 f i g 2 6f r a m e w o r kd i a g r a mo f c o n t r o l l e r f o rb u sa i rc o n d i t i o n e r 图2 - 6 是该控制器的总体框图，系统由c p u 检测电路，人机接口，驱动控制电路 等组成。该系统以a t 8 9 c 5 2 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。鼓风机电由直流电机控制。 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，满足车内的空凋对舒适性的要求具体来晓如下： ( t ) 根据车内空气当前的状况，向各个风1 7 电机发出指令，驱动各个风门执行相应 的动作。 ( 2 ) 根据室内外的温度高氐，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饥的电压， 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 车空凋系统减少风量的经济意义更为突出。 ( 4 ) 通过控甫i i 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的范 客车空调智能控制技术及系统开发 围，一般夏天是5 5 7 0 ，冬天是6 0 7 5 。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：在没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。 一查主皇塑塑些塑墅垫查墨墨竺堑垄 3 空调控制器的设计 3 1 空调控制器的硬件组成 空调控制器的硬件原理框图如图3 - i 所示。由图可知，空调控制器的硬件主要由 键盘，显示器，模拟量信号检测，电源以及控制输出等几部分组成。 图3 一l 控制器硬件系统框图 f i g 3 - 1b l o c kd i a g r a mo fc o n t r o l l e th a r d w a r es y s t e m 3 1 1 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，在满足功能要求的翦提下，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a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 作为系统c p u ，主要原因是： 1 ) 由于它是以8 0 3 1 核构成的，所以它与m c s 5 1 系列单片机是兼容的，这对于熟 悉m c s 5 l 系列的广大用户来说用a t 8 9 系列单片机取代5 l 系列进行系统设 计是轻而易举的； 2 )内含f l a s h 存储器，可以承受i 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1 0 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，要求该智能控 制器体积非常精巧，而本课题所采用的c p u 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8 k 的r o m ，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2 5 6 个字节的r a m ，也可以省却r a m 的 扩展； 除此之外，a t 8 9 c 5 2 单片机还具有以下一些特点，了解这些功能能很好的对外围电 路进行优化和配置【l 。l ； 1 ) 一个8 位的微处理器c p u ； 2 ) 片内数据存储器。2 5 6 字节r a m ，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8 k 字节可熏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p o p 3 ，每个口可以用作输入，也 可以用作输出； 5 ) 三个1 6 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 7 6 v 的操作范围： 9 ) 与工业标准m c s 一5 l 系列单片机指令集和引脚结构兼容： 1 0 ) 一精密模拟比较器，六个中断源 3 1 2 单片机系统的实现 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 扩晨电路等。由于单片机a t 8 9 c 5 2 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8 0 3 l ，7 4 l s 3 7 3 ，2 7 1 6 等组成的单片机最小应用系统，并且片内2 5 6 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， a t 8 9 c 5 2 的内部的8 k 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 2 信号采集电路 在单片机的实时控制和智能仪器仪表等应用系统中，被控制或被测量的对象的有 关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度，压力，流量等物理量，这些模拟量必须 转换成数字基后才能送入单片机进行处理，计算机处理的结果也往往需要转换称模拟信 客车空调智能控制技术及系统开发 号，驱动相应的执行机构，实现对被控对象的控制。着输入是非电的模拟信号。还须通 过传感器转换成电信号并加以放大。实现模拟量变换成数字量的过程称为“量化”，也 称模数转换。 3 2 1 a d 转换及a d 转换器t l c l 5 4 3 a d 转换的功能是把模拟量电压转换为n 位数字量。a d c 的技术参数主要有分辨率， 转换误差和转换时间。 a d c 约分辨率是指所能分辨的输入模拟量最小值，也就是使输出数字量最低位l s b 发生变化时输入模拟量的最小值。 转换误差也称转换精度。a d c 的转换误差有相对误差和绝对误差两种表示方式。 a d c 的绝对误差是指与输出数字量对应的理论模拟值与产生该数字量的实际输入模拟值 之间的差值，该差值常用位数作为度量单位。若把差值表示为最大输入模拟量的百分数， 就是a d c 的相对误差( 相对精度) 。 a d 转换器完成一次转换所需要的时间称为转换时间。转换时间越短，适应输入信 号快速变化能力越强。当需要a d 转换的模拟量变化较快时就需选择转换时间短的 a d 转换器，否则会引起较大误差。 a i ) 转换器的主要技术参数为选择a d 转换器提供了的主要依据，在实际应用中， 所选择的转换器必须满足系统要求的转换的精度。转换时间分辨率等因素。 一般的a d 转换器都是并行方式，即器件通过数据总线的方式与c p u 进行通信，从 c p u 接受命令，向c p u 发送转换的结果。如a d c 0 8 0 l ，a d c 0 8 0 9 。如果a d c 的转换精度较 高( 1 2 位) ，而c p u 采用8 位数据总线的话，那么c p u 必须进行两次读操作才能将转换 结果读出，这种形式的a d c 与c p u 通信时不仅需要数据线，还要地址线，读写信号线， 查询或中断信号线等，给印刷板布线带来不少麻烦，增加了系统硬件的成本和电路板调 试的难度。 本系统共有9 路物理量模拟信号需要进行a d 转换两个车内温度信号，车外温度 信号，湿度传信号，c o ：浓度信号，温度混合门电机位置反馈信号，内外空气门电机位 置反馈信号，送风方式风门电机位置反馈信号，除霜风门电机位置反馈信号。为了节约 i 0 口线，减少系统扩展，从而减小控制器的体积，本系统采用了美国德州仪器公司于 近几年推出的一种性能价格比较优的l1 个输入端的并入串出的1 0 位模数转换器 t l c l 5 4 3 ，t l c l 5 4 3 是美国t i 公司生产的众多串行a d 转换器中的一种，它具有传输速度 快，使用灵活和价格低等优点，是一种性价比很高的a d 转换器t l c l 5 4 3 是采用c m o s 技 术，具有1 0 位分辨率的开关电容逐次逼近模数转换器，它具有三个输入端和一个三态输 出端( 片选c s ，输入输出时钟i oc l o c k ，地址输入a d d r e s s 和数据输出d a t ao u t ) 这 样就和主处理器的串行口有一个直接的4 线接口，可以从主机高速传输数据。 除此之外，它还有如下特点0 1 】【”) ： 1 ) l o u s 转换时间： 2 )高精度，最大1 l s b 线性误差； 3 )3 种内建自测模式； 4 )内建采样保持器； 客车空调智能控制技术及系统开发 5 )内建片内时钟系统； 6 )具有转换结束引脚，方便使用查询和中断方式编程。 t l c l 5 4 3 具有多种封装形式。它的d i p 封装的引脚形式见图3 2 ， a ov c c a 1e o c a 2c l o c k a 3a d d r e s s a 4 d a t a o u t a 5c s a 6r e f + a 7 r e f a 8a 1 0 g n da 9 图3 - 2t l c l 5 4 3 引脚 f i g 3 - 2t l c l 5 4 3p i n s t l c l 5 4 3 的引脚功能说明如下： a o a i o ：1 1 个输入通道的模拟输入端； d a t ao u t ：数据输出端； 尬d r e s s ：地址输入端； i oc l o c k ：输入输出时钟端； c s ：片选端低电平有效； e o f ：转换结束信号： r e f + 齐f lr e f 一：a d 转换器的参考电压； v c c ：电源电压； g n d ：接地端。 3 2 2t l c l 5 4 b 与5 l 系列单片机接口 件合h 目- 蓖前s p 使i 曩器s 嚣芫裟勰：蓄鹭謇苗挈臻：毖等嚣嚣渊嚣 算图中t 畿；嚣器篓篙管嚣震扩麓蚕善嚣景曩完黯蓑尊篓鬟旱 粤菜早蹇嚣篙嚣毒嚣餮竺星髫l 线o u s 糍篓装孳龛粼l 5 擘o f , 蒜寺 二个工作周期之间的单片机指令一般大于 ，转换已经晃威小必判断 魑忤刈 客车空调智能控制技术及系统开发 u 2 0v c c a 0v c ci a le o c a 2c l o c k a 3a d d r e s s a 4d a t a o u t1 a 5c s | a 6r e f + a 7r e f 一 a 8a 1 0 g n da 9 t l c l 5 4 3 图3 - 3 模数转换器的接口图 工作过程 t l c l 5 4 3 工作过程可以分为两个周期：i o 周期和实际转换周期 1 ) i o 周期 一开始，c s ( p 0 7 ) 为高，i 0 c l o c k ( p 3 2 ) 和a d d r e s s ( p 3 3 ) 被禁止以及d a t a o u t ( p 3 7 ) 为高阻状态。当串行口使c s ( p 0 7 ) 变低，开始转换过程，i o c l o c k ( p 3 2 ) 和a d d r e s s ( p 3 3 ) 使能，并使d a t a o u t ( p 3 7 ) 端脱离高阻状态。在i 0c l o c k ( p 3 2 ) 的前四个脉冲上升沿， 以m s b 前导方式从a d d r e s s ( p 3 3 ) 口输入4 位数据流到地址寄存器，这4 位为模拟通道地 址，选通一路送到采样保持电路。该电路从第4 个i oc l o c k 的下降沿开始对所选模 拟量输入进行采样，采样一直持续6 个i oc l o c k 周期，保持到第l o 个i oc l o c k 的 下降沿。 同时，串口也从d a t a o u t 端接收前一次转换的结果。它以m s b 前导方式从d a t a o u t 输出，但m s b 出现在d a t a o u t 端的时刻取决于串行接口时序所用串行时钟脉冲的数目 也取决于工作的方式，t l c l 5 4 3 共有六种工作方式，本系统中采用了工作方式0 。在第 1 0 个时钟的下降沿e o c 输出变低，而当转换完成时回到逻辑高电平。需要说明的是，如 果i oc l o c k 的传送多于1 0 个时钟，在第l o 个时钟的下降沿内部逻辑也将d a t a o u t 变 低以保证剩下的各位的值是零。 2 ) 转换周期 如前所述，转换开始于第4 个i oc l o c k 的下降沿之后，片内转换器对采样值进行逐 次逼近式a d 转换，其工作由u oc l o c k 同步了的内部时钟控制。转换结果锁存在输出 数据寄存器中，待下一个i oc l o c k 周期输出。 t i c l 5 4 3 各通道的定义： a 0 ：第一组按键输入信号； a 1 ：第二组按键输入信号； a 2 ：车内温度传感器信号1 ： 客车空调智能控制技术及系统开发 a 3 ：车内温度传感器信号2 ； a 4 ：车外温度传感器信号： a 5 ：混合风门位置反馈信号： a 6 ：内# b 循环风门位置反馈信号 a 7 ：除霜风门位置反馈信号： a 8 ：送风方式风门位置反馈信号； a 9 ：相对湿度信号； h 1 0 ：二氧化碳浓度信号。 3 2 3 温度信号接口电路 通常用来测量温度的元器件有热电偶，金属热电阻和半导体热敏元件。而其中热敏 电阻有正温度系数( p t c ) ，负温度系数( n t c ) 两种。n t c 热敏电阻具有很高的负温度系 数，具有灵敏度高，体积小使用方便等优点，所以系统中选用了负温度系数的热敏电 阻来测量车内外的温度。 温度采样电路是由温度传感器及精密电阻分压而成。为提高采样的可靠性，加一较 大容量的滤波电解电容，经过滤波的电压信号送入a d 端口，进行模数转换。采集电路 如图3 4 所示： v c c t r tu 2 0 , 4 9i 丽 2 9 k 葡 a 0 a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 0 n d v c c 灯 1 9 1 8p 3 2 1 7p 3 3 1 3a g n d 图3 - 4 温度信号采样电路图 f i g 3 - 4c i r c u i td i a g r a mo ft e m p e r a t u r es i g n a ls a m p l i n g 假如送到模拟通道的电压为v ，则有v c c ( 2 ”一1 ) = v d ，式中d 是a d 转换后的结 果。则d = v ( 2 ”一1 ) v c c 式3 1 由于精密电阻的分压，可以得到以下关系： v 4 2 9 = v c c ( r t + 4 2 9 )式3 2 由式3 一l 和式3 2 可以得到热敏电阻和转换结果的关系： r t = ( 1 0 2 3 d 一1 ) x 4 2 9 ， 计算出了热敏电阻此时的阻值，就可以根据热敏电阻的温度与阻值的关系，计算出此时 氍怒嚼监馏 q m 队u 客车空调智能控制技术及系统开发 的温度。 3 2 4 湿度传感器信号和二氧化碳传感器信号 系统采用h o n e y w e l l 公司生产的h i h 3 6 1 0 湿度传感器，该传感器测量的是相对湿度， 它具有仪表测量性能，低成本，s i p 封装，线性放大的电压输出可使器件直接与控制器 或其他器件相连，驱动电流为2 0 0 u a ，很合适电池供电，精密的器件一致性好，减少和 消除了o e m 生产时标定费用，并且厂方可提供单个传感器的标定数据。 1 h i h 3 6 1 0 的主要技术指标“【j ”： 电源电压；4 5 8 v ； 供电电流：2 0 0 ua ( 5 v d c ) ： 湿度范围：o i 0 0 r h 精度：2 r h ( 0 i 0 0 r h 、2 5 、v = 5 v d c ) ； 线性度：o 5 r h ( 典型) ； 稳定度：d - 1 r h ( 5 0 r h 、5 年内) ； 响应时间：1 5 s ( 2 5 及空气缓慢流动环境下) ； 工作温度：- - 4 0 8 5 ； 2 h i h 3 6 1 0 的电压输出特性 h i h 3 6 1 0 的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高，输出电压将 成比例升高，在实际应用中，通过以下两个步骤可计算出实际的相对湿度值。 ( 1 ) 首先根据下述计算公式，计算出2 5 温度条件下相对湿度值i i h 0 。 v o u t = v d c ( 0 0 0 6 2 r h o + o 1 6 ) 其中v o u t 为h i h 3 6 1 0 的电压输出值，v d c 为h i h 3 6 1 0 的供电电压值，r h o 为2 5 时的相对湿度僮。 ( 2 ) 进行温度补偿，计算出当前温度下的实际相对湿度值r h 。 r h = r h o ( 1 0 5 4 6 - - 0 0 0 2 1 6 t ) 其中r h 为实际的相对湿度值，t 为当前的温度值，单位为 h i h 3 6 1 0 的输出电压与相对湿度的关系曲线如图3 5 所示。 系统中二氧化碳浓度的测量采用g m m 2 2 2c 0 2 传感器，它的测量范围：o 2 0 0 0 p p m ； 精度：+ 2 5 时工厂标定值，包括了非线性；热漂移：0 1 的全量程；长期稳定性： l o o p p m 5 年；响应时间：3 0 s ( 0 6 3 响应) ；输出信号：o 5 v ；电源：2 4 v d c 。 由于湿度传感器和二氧化碳浓度传感器输出的都是0 到5 v 的电压信号，所以直接 送入t l c l 5 4 3 进行转换。 客车空调智能控制技术及系统开发 r e l a f h f eh u m b l y ( 图3 - 5 输出电压与相对湿度的关系曲线 f i g 3 - 5r e l a t i o nc u r v eb e t w e e no u t p u tv o l t a g ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y 3 2 5 风门实际开度位置反馈信号 风门实际开度位置反馈信号来自安装在风门电机上的位置交送器。这个位置变送器 采用的是高性能的导电塑料精密旋转电位器，是具有较高分辨能力的、高可靠性的经济 类型产品。由于反馈电位器旋转角度和风门开度有线性的对应关系，所以，风门开度与 反馈电位器的输出电压值也有一种线性对应关系。采样得到反馈电位器的电压，就是间 接地得到了风门的开度值。 3 3 人机通道的设计 单片机应用系统中，通常都要有人机对话功能。它包括人对应用系统的状态干预与 数据输入以及应用系统向人报告运行状态与运行结果。往往人机界面的优劣程度关系到 整个系统的性能和水平。本文选择键盘作为操纵者对应用系统的状态干预与数据输入的 外部设备，用报警指示灯和l e d 显示器来向操纵者报告系统运行状态与运行结果。 本系统所设计的操作面板，将按键设计在控制面板的右侧，这样符合人的右手习惯。 司机在进行操作的同时可以看到状态显示，很好的方便了操作。微控制器的操作面板示 意图如3 6 所示。整个面板设计小巧、结构紧凑，而且便于安装、使用。面板有三种功 能： 1 运行参数和状态显示，显示设定温度和当前车内温度，送风方式，循环方式 等状态 2 故障状态显示，当车内c 0 2 浓度大于设定浓度时，显示灯亮； 查塑塑型壁笙型垫查墨墨篓堑茎 3 键盘输入，通过按键来控制空调系统的运行状态 3 ，3 1l e o 显示模块 图3 - 6 控制面板图 f i g 3 - 6t h ep a n e o fc o n t r o l1 e r 显示器采用苏州创高电子有限公司生产的专用的汽车显示器，内部结构为发光二极 管，工作方式同一般的l e d 。可以显示设定温度、送风方式、车内空气循环方式、鼓风 机、压缩机以及加热器的工作状态。 本系统采用的专用汽车显示器如图3 7 所示。 为节省口线，系统采用串入并出的移位寄存器芯片7 4 h c l 6 4 来对显示进行段选，单 片机的p 0 0 ，p 0 1 和7 4 h c l 6 4 相连。数据传送方式为：对8 位数据先将其最高位送至p 0 0 端，使p o i 端发生从0 到i 的跳变，然后再将次高位送至p 0 0 端，使p o 【端发生从0 到 1 的跳变；共循环8 次，即可将数据传送至7 4 h c l 6 4 中”“。7 4 h c l 6 4 输出的信号经m c l 4 1 3 驱动输出显示电路的段码控制信号输出端，由p 2 口的p 2 0 ，p 2 1 ，p 2 2 ，p 2 3 ，p 2 4 驱动输出显示的位选控制信号。显示段码驱动电路见图3 - 8 。m el 4 1 3 集成电路为七达 林顿结构非门，具有集成度高，性能可靠，静态功耗电流低，抗干扰能力强等优点，其 工作电压范围为3 到1 8 v 输出电流2 0 0 m a ，提供的电流足以驱动l e d 显示。在本系统 中，位选为低且段选位为高时该段点亮。 客车空调智能控制技术及系统开发 7 0 茹k o 脚印 图3 7 显示器的引脚 f i g 3 - 7p i n so fd i s p l a y 图中，各个引脚的意义如下 1 至7 引脚是段选b l ，b 2 ，b 3 ，b 4 ，b 5 ，b 6 ，b 7 ，8 引脚接v c c ，9 至1 4 引脚是位选 a 6 ，a 5 ，a 4 ，a 3 ，a 2 ，a 1 ，1 5 ，1 6 弓l 脚为n c 。 v c c u 1 6 7 4 h c l 6 4 3 3 2 按键接口电路 图3 8 显示驱动电路图 f i g 3 - 8d r i v i n gc i r c u i td i a g r a mo fd i s p l a y 按键在单片机应用系统中是一个关键部件，它可以实现向单片机输入数据、传送命 令等功能，是人工干预的重要手段。在单片机组成的测控系统及智能化仪器中，用得最 多的是独立联接式和矩阵式两类。 2 0 桊 州渊土 _ _ 日j日 一 一一一一一一一也j 叫叱叫啦一 。0 呲坠整虹矗 墨兰至塑塑壁量型垫查墨墨竺茎垄 为节省单片机的口线充分利用模数转换器的资源，本系统舍弃了传统的按键结构， 采用了- 1 0 新型的按键接口电路，键盘电路见图3 9 。键盘信号k e y l ，k e y 2 送入模数转