汽车空调控制系统设计本科毕业论文.doc

1 绪论1.1 课题背景及意义随着汽车工业的快速发展和人们对生括质量要求的不断提高，汽车的普及率大大地提高了，用户对当代汽车提出了操作简便、舒适性驾驶的要求。汽车空调作为汽车的重要功能部件之一，已成为改善乘座舒适性的重要手段。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。汽车空调主要对驾乘空间的温度进行控制，个别高档轿车增加了对湿度的控制。不但可以调节汽车内的温度，并且可以随时对车内的有害性气体含量进行控制，预防中毒和有害气体对驾乘人员健康的影响。汽车行业竞争市场的手段包括对空调系统的改进。国外主要的汽车公司纷纷给自己的高档汽车装上全自动的空调系统，而国内大部分是将进口的空调系统装给自己的高档汽车，目前还没有具有自主知识产权的汽车空调自动控制器。总体来看，目前我国汽车空调系统的电子化程度较低，大多数仍采用手动控制或简单的位式控制1。手动控制一方面会出现车内温度不容易满足乘客所需的最佳条件，不能满足舒适性和节能性的要求；另一方面容易分散驾驶员的注意力，降低行车的安全性。手动控制己成为汽车空调进一步发展的瓶颈问题。单片机技术在汽车空调控制系统领域的使用，提高了汽车的档次，同时也方便了用户的使用，增加了舒适度。汽车空调采用的大都是任务单一、响应速度较慢的普通单片机控制，在温度测量上是将温度值的模拟信号先采样再进行AD转换。例如新一代的环保型汽车和其它低排放车辆，由于本身动力系统远低于传统车辆，能够提给空调系统的动力极为有限。综上可见拥有一套节能高效、性能可靠的空调系统对开拓市场有着至关重要的作用1。本课题是对全合一空气混合型的汽车空调系统进行调研的基础上，通过控制策略仿真和软硬件系统模拟试验的手段，对汽车空调智能控制方法进行研究，并设计出汽车空调全自动控制系统中的核心部分智能温控系统1.2 国内外发展状况国内汽车空调系统已发展多年,但整体设计和制造水平低于国外。80年代末90年代初，国内汽车空调才开始发展。近年来随着管理信息系统的逐渐普及，国内厂家开始尝试将适合企业发展的信息管理系统分批次的引进进来。例如引进的产品数据管理系统IPMPDM的上海德尔福汽车空调系统有限公司，并且用此系统对管理产品设计信息和工艺信息进行统一的管理，形成技术先进的工程信息数据库，通过计算机网络与ERP系统的管理信息数据库进行资源共享和有效的信息交换，最终使公司CIMS的总体规划标准得以实现，并将公司带入的信息化的时代。但是，国内汽车空调发展时代晚，存在差、散、乱、的3种格局。国内汽车空调厂家的设计力量较差，技术水平落后。就国内主要几家汽车空调厂而言，仍处于仿制国外空调系统的阶段。虽然国内厂家也引进了UG，Catia等三维造型软件，但不能达到软件的最佳利用率，设计人员基本上对蒸发器、暖风机和鼓风机没有全新的认识及开发能力。我国汽车空调行业起步较晚，汽车空调主要依赖CKD组装。随着汽车工业迅速发展，市场对高性能的汽车空调需求量日趋增长。由于大多数企业技术水平不能满足生产需求，所以不少企业陆续从国外引进先进技术和成套生产设备，也有很多地方开始引进外资，在汽车空调项目上进行合作2。随着国内汽车市场的飞速发展,要积极推进汽车空调的国产化进程,与国内各大高等学校进行合作,鼓励国内设计人员独立进行研究,以尽快掌握蒸发器、鼓风机和暖风机的全新开发技术3。自从第一辆汽车由戴姆勒制造出以来，汽车的开发已有了110年的历史。由于当时简单的汽车设计，夏天热得汗流满面，冬天冻得手脚发木，给人们带来了诸多的不便。自从汽车加热装置和汽车空调设备研制出来后,人们就可乘坐装有空调的汽车了。在美国人们最早享受到了这些设备，比如早在上世纪30年，根据用户的要求就可以给汽车安装加热装置。而欧洲在1950年才生产出第一辆安装加热装置的汽车。这台带有电子新鲜空气送风机的加热装置是由贝洱公司作为附加装置提供的。从1963年开始，德国的卡车制造公司也在自己的货车上安装了加热装置和送风装置。1953年，美国把蒸发器安装在行李箱装，这是第一次作为空调系统进行生产，后来在仪表板内把蒸发器和通风管道结合在一起。在30多年的发展过历程中汽车空调也经历了众多改变。自从1971年加热装置和空调装置集成一体的装置（暖风器芯和蒸发器安装在同一壳体内并利用同一个温度分配管道）首次问世。1981年，第一台左右分开控制的空调出现，驾驶员和乘客均可根据自身对温度的感觉来调节气温。1986年，研制出了左右分开控制的空调装置。1994年又开发出了左右分开调控空气量的空调。如果仍然遵循温度单独调控原理，也可以把后排与前排乘客分开各自调控自己需要的温度。到现在为止，把第二个空调装置安装在后排，可实现所说的这种四区空调装置4。1.3 汽车空调的特点及其控制系统的难点与建筑内的空调相比，汽车空调有着极大的区别。首先，汽车在外界是不停移动的，外界环境气候多变，车外温度变化极大，以至于车外设计参数没有一个确定值。其次，由于汽车载客量大，人体产生热量多，车内空间小，因此要求汽车空调制冷能力强，汽车乘员进入车内的同时往往会打开空调，并且要求在很短的时间内就享受到空调效果；而汽车在开启空调时车内的温度过大，这几种因素导致汽车空调有着极大的工作负荷，使车内温度能迅速满足乘客的需求。因此，汽车空调机组的工作负荷应该比建筑内的空调大的多5。另外，汽车是高速行驶的，与外界环境接触时间长，而且车身隔热困难，门窗所占汽车比例又大，车内温度变化频繁。如果汽车长时间暴露在太阳直射下(或风雪下)，进入车内的热负荷(或冷负荷)比一般室内的要大得多。夏天汽车在烈日下长时间的停放，一般车内温度会上升到50以上6。汽车所在的外界环境十分的恶劣，这些环境因素往往又会造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能达到规定的工作效果，出现某些故障。因此与一般的空调控制系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求7。首先，要承受住外界温度和湿度的考验。汽车外部的环境温度最高为50，最低为-40，但汽车内各零部件却有着各自不同的最佳工作温度。其次，要承受振动冲击环境的要求，在不良路面上行驶时，汽车各零部件必须承受住较大的振动和冲击力。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8。 1.4 课题的提出与研究内容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。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者及用户认可，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，提高了乘坐舒适度，减少疲劳，为安全驾驶提供基本保证。以单片机为控制核心构成的汽车空调控制系统，其硬件简单，软件丰富，性能优良，运行调试方便且成本低。要求如下： 了解汽车空调的基本工作原理 汽车空调车内温度调节过程的分析 单片机及其它设备的选型，系统硬件设计 系统软件设计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制冷工作原理：从蒸发器流出的低压、低温的制冷剂蒸汽，经压缩机压缩后，成为高压、 气体，然后进入冷凝器。在汽车空调调节器中，均采用容积式压缩机。经压缩机排出的高温制冷剂气体进入冷凝器内，与外部的冷却介质进行热交换，其自身放出热量，发生相变，最终成为液态制冷剂流出冷凝器。膨胀阀对制冷剂节流降压，在降压的同时使制冷剂降温。制冷剂在流经膨胀阀时一部分液体成为气体。膨胀阀还起到控制制冷剂流量的作用，以保持冷凝器中制冷剂压力高于蒸发器内制冷剂压力。蒸发器是输出冷量的设备。节流后的制冷剂液体流经蒸发器时，吸收车室内空气的热量，液体气化吸热，从而达到制冷的目的，获得降温的效果。制冷剂经蒸发器后已变成低温低压气态，再经压缩机压缩，进入下一个循环，实现连续制冷9。2.2 汽车空调的总成结构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10。汽车空调系统总成是采用冷暖完全合一型，其风道系统如图2.1所示。2车内进风1车外进风3内外循环风门 4鼓风机5混合风门6制冷蒸发器9除霜风口10下吹风口7暖风散热器11前吹风口8风向风门图2.1 全合一型汽车空调结构3 车室温度模糊控制的研究汽车空调的应用随着汽车工业和微电子技术的发展已越来越受到欢迎, 以及人们对汽车空调设备和系统的性能要求也越来越高。一方面, 要求汽车空调设备和系统有卓越的技术性能和控制性能, 以满足乘客对车内环境的要求; 另一方面, 由于汽车空调的性能增加，自身的消耗也逐步增加, 因而汽车空调系统的节能效果也尤为重要。为了达到这两方面的要求，我们从模糊控制方面进行研究。从人脑识别和判断的特点中，发明了模糊控制, 在计算机中进行运算, 让部分自然语言能够代替算法语言直接用程序运算。经过这个程序的多次运算, 就可能达到预期的目标, 完成以前比较复杂的控制效果11。3.1 模糊控制理论基础汽车在某些情况下（例如，石油和天然气的混合、缸内燃烧等过程）的控制中想找到准确的模型是很难的, 就算找出模型, 也应该会因模型过于复杂难以对其实施控制。在模糊控制运行过程中是不需要预先知道精确数学模型。适于模糊运算的模糊量转化成由各种仪器测量出的精确量是在模糊控制过程中产生的,将运算结果中的模糊量加以运算并转换为精确量是为了对各执行器进行具体的操作控制。模糊量和精确量之间相互转化的过程一直存在模糊控制中。例如控制车速的快与慢,客观上车速是一个确定量, 但人对车的速度判断却带有模糊性质。因此, 一定要用模糊语言确定模糊控制规则:例如： “车速略快”或“车速比较快”或“车速很快”或“车速很慢”或“车速较慢”或“车速比略慢”或“车速适当”等,“那么”应怎么样控制。常常要分成几个等级来处理模糊控制问题, 即若干级的精确量范围由模糊量转换过来是处理相关问题的方法之一。对车速是“快”还是“慢”的问题，, 运用模糊统计的方法得出车速“高”或“低”的程度是个模糊量,它是根据不同人的感觉、经验以及不同的测试结果推理出来的。然后再求出其相对的函数和相对的函数曲线, 根据相对的函数做出的模糊数学模型来实现模糊控制11。在控制过程中条件语句经常成组出现, 假如两个传感器信号分别由A、B表示, 某控制变量要用Y表示,则如下所示:条件1: 若A 小且B 小, 则Y 小;条件2: 若A 小且B 大, 则Y 大;条件3: 若A 大且B 很大, 则转入语句N (N 为另一控制过程)。条件4: 若A 大且B 大, 则Y 略微减小;这些条件语句组成了多套控制策略, 如图3.1所示。如果决策第一次落在目标集合S 上, 观测后第二次的决策输出落在子集G上, 而G在S 内, 并且两个值比较接近, 则称结果相对上一次更精细,为使控制自动达到优化的目的要重复此过程。观察1观察2模糊化运算1决策控制2模糊化运算2决策控制1SG图3.1 模糊控制的多套控制策略示意图3.1.1 模糊控制器的分类一般说来, 模糊控制器的功能模块主要有3个功能:(1) 模糊推理：它由大前提、小前提和结论3部分组成。大前提也是规则库的一种，是由多个多维模糊条件语句构成的; 小前提是由一个模糊的判断句组成的事实。模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程以已知的规则库和输入变量为依据的，这种过程称为模糊推理。(2) 清晰化：用作控制的数字值由模糊推理后得到的模糊集转换来的过程称之为清晰化。与传统的控制相比, 模糊控制具有以下的优点:a 该系统适用于非线性、时变、滞后系统的控制，适用于不易获取精确数学模型的控制对象,。b 模糊控制是语言变量的一种控制器, 其控制规则的表达只能是语言变量, 被控对象的模糊模型由语言变量构成。系统模型用传递函数来描述的是经典控制， 用状态方程来描述的是现代控制。 (3) 模糊化:相应模糊语言变量值由模糊控制器输出量的确定值的转化过程称为模糊化, 相应语言变量值均由对应的确定值来定义3.2 模糊控制器的设计3.2.1 模糊控制器的结构设计与建筑内的普通空调系统相比, 汽车空调会面临车门启闭次数多、车内载客量大、车外气温和太阳辐射变化大等问题。因此, 汽车空调控制过程必须对这些因素充分考虑。汽车空调模糊控制框图如图3.2所示。X:温差 计算模糊量运算负荷模糊控制规则隶属度计算图3.2汽车空调模糊控制框图+ x室温具体实现步骤如(1) 以人体舒适度为基础，根据车内反映温度，车外对气流、辐射等温度传感器以及车内的温度传感器测出的温度及湿度传感器测出的湿度, , 对车内设定的温度进行模糊修正。(2) 根据车内实测空气温度与上述修正后的设定温度进行对比, 用模糊控制规则计算出输出结果。(3) 根据车外温度和车内载客量对控制输出进行热负荷模糊修正。(4) 根据车门开闭因素, 对控制输出结果进行修正, 完成控制过程3.2.2 精确量的模糊化把物理量的精确值转换成语言变量值的过程称为精确量的模糊化。在以以前实验的经验为基础的模糊控制中，一般将模糊控制器的输入输出变量的状态划分为“正大、正中、正小、零、负小、负中、负大”七个档次来描述，分别用英文字母PL，PM，PS，0，NS，NM，NL表示之。对于系统偏差，描述其状态时，还常把“零”分为“正零”和“负零”，分别用P0，N0表示之。在汽车空调智能温控系统中，温度设定值和温度测量值之差称作温度偏差。我国南北温差大，同一地方的冬夏两季温差也十分大，在一个沿海城市，它具有典型的温带海洋性气候，全年的温度将在-1030之间徘徊。按照医学研究结果表明， 241是人体感受的最佳温度。本文把15到28设定为规定的温度范围，20，20是定义温度偏差e的范围，4，4 是温度偏差变化率ec的范围，0%，100%为风门电机的输出量u的范围(0%表示最大制冷，100%表示最大采暖)。对e，ec和u的模糊状态E，EC和U的整数范围分别定义如下:E和EC的范围为:-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4U的范围为:-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5综上所述，量化因子Ke=4/20=0.2，Kec=4/4=l，Ku=l/10=0.1。物理量的精确值转换成语言变量值的步骤如下： 5到10档是语言变量的一般分法，档级数的1.5到2倍被称为整数论域。档级越少，语言变量值越粗糙，对控制质量的影响越恶劣。档级越多，语言变量越细，关系矩阵越大，占用内存比例越大。，U，E和EC的模糊语言定义是根据汽车空调温度控制模糊控制器来区分开的:U的模糊集为:NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB。E和EC的模糊集均为:NB，NS，ZE，PS，PB；从模糊控制过程对于语言变量值的隶属度函数形状没有紧密的联系上可以体现出隶属函数有着一种特殊性，只是与隶属度函数的范围有一定的联系，三角形或梯形的隶属函数在控制中有利于计算隶属度，是隶属函数控制过程有着紧密的关系。3.2.3 模糊控制规则的确定将IF Ai and Bi then Ci作为本文空调系统模糊控制规则，其中温差以Ai代替，模糊子集以E代替，模糊子集EC的温差变化率以Bi代替，风门开度增量U的模糊子集以Ci代替。总模糊控制规则表的数据是以现场实际操作经验参数特点和车厢温度变化及专家的知识理论为参考依据。如表3.3所示：表3.3 模糊控制规则表ECCENBNS0 PS PB NBNBNMNS00NSNMNM00PS 0NSNS 0 PSPMPSNSOPMPBPBPB0PSPMPBPB模糊控制规则建立的基本步骤:当误差较大或大时，选择的控制量应该以尽快消除误差为主，而当误差较小时，选择控制量应该以注意防止超调和系统的稳定性为主。当误差较大时，误差变化正在变大，这时误差有增大的趋势，为尽快消除己有的较大误差并抑制误差变大的趋势，所以取最大的控制量，即得到最大的风门角度，使通过加热器的风量增大。3.2.4 模糊量的精确化为了使控制更加精确，精确量u还需由模糊量u转化而成，即对模糊量进行清晰化处理。求取模糊控制表也就是模糊量的精确化。把输入的所有情况都考虑到是求取模糊控制表的前提，下面以系统输入论域值为1的偏差E，论域值为2的偏差变化率EC，为例来介绍模糊输出量U是怎样确定的。以偏差E为1，偏差变化率EC为2时，可以推导出偏差量有:ZE(1)=0.2,PS（1）=0.4，其它模糊集的隶属度都为0。当PS（2）=1，相对于输入的偏差变化率可以导出其余的模糊集的隶属度为0。在模糊状态控制表里可查得U=PM是以ZEE和PSEC为根据的，同理，以PSE和PSEC可查出U=PB，有两条控制规则相对于当前输入值是有效的:IF E=ZE and EC=PS then U=PMIF E=PS and EC=PS Then U=PB由L.A.Zadeh的模糊推理算法，再根据以上控制规则得出模糊推理过程如下:首先取两个前件的隶属度的最小值以第一条规则为基础，对后件的模糊集求截集，求得与该控制规则相符的控制量的模糊截集有:PM(1,2)=min(0.2，1)=0.2接着再取两个前件的隶属度的最小值以第二条规则为基础，对其后件的模糊集求截集，所求的控制量与第二条规则相符的模糊截集有:PM(l,2)=min(0.4，l)=0.4最后将所有符合有效规则的当前输入值进行推理所得的控制量的模糊截集相加，得到,按重心法原则对当前输出控制量的模糊集进行模糊判决，求出控制量u:u=(1)1+(2)2+(3)3+(3)3+(3)3/ (1)+ (2)+ (3)+ (4)+ (5)=(l0+20.2+30.2+40.4+50.4)/(0+0.2+0.2+0.4+0.4)=3.84由此可知，当输入e=1，ec=2时求得的控制量u的论域值为4，按以上方法，论域z元素表示的控制量变化值是以论域x,y中的元素所有组合计算出来的，并根据以上元素写成矩阵(u)。该矩阵构成的相应的表格即模糊控制器的控制表。见表3.4。表3.4 模糊控制器的控制表CECE-4-3-2-10 12 3 4-4-5-4-3-2-10001-3-4-3-3-2-10011-2-3-3-3-201112-1-2-2-2-2011230-2-1-1-1122231-1-1-10132332100014334300012434440112344454 硬件电路设计4.1 汽车全自动空调控制器硬件4.1.1 工作原理汽车空调控制系统对所需要的控制参数进行采集主要通过安装在车内不同位置的各种传感器，经过AD由模拟量转换成数字量，然后微处理器以检测的数据和设定值为依据进行决策处理后，以控制汽车空调系统内风机、压缩机、混合风门的驱动模块的方式来改变各个控制对象的状态，从而汽车室内温度的调节得以实现12。4.1.2 硬件组成空调控制系统由传感器，键盘，风门电机等组成，硬件框图如4.1。单片机车内温度传感器车外温度传感器蒸发器温度传感器统内风门电机混合风门电机水阀电机压缩机风机电源键盘/显示驱动放大器驱动器LCD键盘图4.1 控制系统硬件框图4.2 单片机简介AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器Vcc：供电电压GND：接地。P0口：之所以PO口每脚可吸收8TTL门电流，是因为具有一个8位漏极开路双向I/O口，。当1被定义为高阻输入的前提必须是第一次输入PO口的管脚，。PO被定义为数据/地址的第8位，使其能够用于外部程序数据存储器。PO外部必须被拉高是因为PO口在FLAS编程时作为原码输入口，PO当FLASH进行校验时输出原码。P1口：P1口是一个8位双向I/O口内部提供上拉电阻，P1口缓冲器能接受输出4TTL门电流。当1被写入P1口管脚后，用作输入时被内部上拉为高电平，当输出电流时P1口由于内部上拉的缘故造成外部下拉为低电平。P1口作为第8位地址是在FLASH编程和校验时。P2口:P2口为一个8位双向I/O口内部上拉电阻，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当1被写入P2口管脚后，作为输入时其管脚被内部上拉电阻拉高，当作为输入时，由于内部上拉的缘故，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号13当P3口写入“1”后，它们用作输入的原因是被内部上拉为高电平。作为输入，P3口输出电流（ILL）是由于内部上拉为高电平而是外部下拉为低电平。RST：复位输入，保持RST脚的高电平保持两个机器周期时间是器件被振荡器复位的关键因素。ALE/PROG：当访问外部存储器时，用于锁存地址的地位字节是地址锁存允许的输出电平形成的。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止AP3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电LE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。/EA将内部锁定为RESET的条件是是加密为1。内部程序存储器是当/EA端保持高电平时。此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）的前提是在FLASH编程期间。XTAL1：反向振荡放大器及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：输出由反向振荡器产生。4.3 温度信号采集电路的设计4.3.1 温度传感器的选择温度检测采用电阻式传感器，电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。由电阻元件及电刷两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出14。4.3.2 温度传感器采样放大电路温度传感器采集的温度信号是模拟信号，需要进行A/D转换。某些结型半导体器件，例如二极管和三极管对温度呈现出敏感性，因而可用作温度敏感元件，因此可以利用这个特性，从它的输出电量的大小直接换算，而得到绝对温度值。HN36便是根据此原理制造的一种电阻型传感器。单片机的ADC0809芯片就是用于A/D转换的扩展芯片，它可以进行8路模拟信号的转换。但电压值是ADCO809的输入信号，电压范围一般在OV5V，而电流信号也就是HN36采集的温度信号，之所以HN36传感器采集的温度信号还不能直接输入到单片机中，是因为电流的量值是微安级。为了适应ADC0809芯片的输入要求，还需将HN36采集的温度信号要进行电流/电压的转换，将电流信号转换为电压信号，并且对电压信号进行放大。因此，本文设计的电阻型传感器如图4.2。LMP7721143K7K143KNH3610K10K100K100K 图4.2 电阻型传感器4.3.3 模数转换电路单片机控制ADC0809的工作过程：首先通过指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR，A时，单片机的WR信号有效，从而产生一个启动信号，将脉冲从0809的START引脚送入，脉冲开始在选中通道进行转换。当转换结束后，0809发出代表转换结束的EOC信号，该信号可反相后作为向单片机发出的中断请求信号也可以可提供单片机查询。模数转换电路如图4.3。图4.3 模数转换电路4.4 人机接口的设计一LED显示和键盘4.4.1 LED显示器(1) LED静态显示方式：LED显示器以静态显示方式工作时，所有显示器的共阴极要连接在一起并与地（或+5V）相连；每位的段码线（a-dp）分别相连一个8位的锁存器的输出端。当各个LED的显示字符一经确定，直到送入另一个字符的段码为止，相应锁存器锁存的段码输出将维持不变，这便是称为静态显示的原因。静态显示器的亮度都较高的原因也是相同的。(2) LED动态显示方式：在多个LED显示时，通常将所有位的段码线相应段并联在一起，为的是简化硬件电路。段码线的多路复用由1个8位I/O口控制的，I/O线控制着相应的共阳极或共阴极，从而形成各位的分时选通。4.4.2 键盘工作原理在8255相对应的PCO-PC2线上连接着简易键盘中的UP键、DOWN键和AUTO键，此时输入端为8255的PC口。同时CPU的外部中断引脚INT1上通过一个与门与3个按键的行线连接到一起当键盘上的键全部开启时，列线都输出高电平，INT1引脚也为高电平。一旦闭合任意一个键，INT1引脚的电平就会变低，CUP也会接受到中断请求。判别是否真的有键按下和确定是哪个键被按下是用软件查询的方法完成的。另外， AT89C51的P13引脚接连着系统的软开关按键“ON/OFF”键接，按键在没有闭合时，P1.3引脚处的电平将会升高，该按键的工作方式将采用扫描查询，当检测到低电平为输入端时，在“软关机”和“正常运行”之间系统会进行切换。键盘显示电路如图4.4。图4.4 键盘显示电路4.5 串行通讯接口的设计4.5.1 串行数据通信概述1) 串行数据传送的特点数据传送按位顺序进行，完成次过程最少只需一根传输线，它的特点是成本低但速度慢。计算机与远程终端或终端与终端之间的数据传送通常都采用串行方式。另外，串行数据传送分为异步传送和同步传送两种方式，本文使用异步传送方式。2) 异步串行通信异异步串行数据通信是以字符为基本单位，即一次传送一个字符。具有一定格式的串行数据位和停止位在异步数据发送器送出一个起始位后发出。异步数据接收器首先接收起始位，通过调整时钟，使发送器的频率逐步接近于规定值，然后以同步时钟为基础接收位数据串。在接收过程中，短时间内的数据串接收的正确性不会因为接收时钟与发送时钟的匹配会有偏差而造成影响。接收器用来判别接收过程中的某些错误的功能是通过停止位，例如串行数据的字节边界错误等。异步串行通信是一个字符的完整的通信格式，包括起始位、数据位、奇偶校验位、停止位。从起始位到停止位结束的全部内容称为一帧。字符格式（即字符的编码形式，奇偶校验形式，以及起始位和停止位的规定），波特率（即数据传送速率的规定，用每秒传送格式位的数目表示）是异步通信数据传输中，微机与其他设备之间必须遵守的两项规定4.5.2 单片机与PC机的串行接口及电路单片机和微机串口不兼容是因为微机串口通常采用RS232电平而单片机串口是TTL电平。所以，接口必须做电平转换处理。本文采用的是MAXMI公司的MAX232电平转换芯片。单片机串行口的TXD，RXD和GND经电平转换分别与微机的RXD，TXD和GS相连。4.5.3 串行通讯的工作方式和波特率设置单片机的波特率与CP机串口的波特率要相等是为了为了保证上位机与下位机的正常通信，传送的误码随着传输速率越低而降低。在本文中，由于环境因素影响不大，故采用低波特率来减小误码率，本文采用的波特率为1200bit/s。单片机有四种串行工作方式，本文采用串行工作方式l。即以10位为一帧的异步串行通信方式，共包括1个起始位，1个停止位，8个数据位数据发送是由一条写发送寄存器(SBUF)的指令开始，随后在串行口由硬件自动加入起位和停止位，构成一个完整的帧格式，然后在移位脉冲的作用下，由TDX端串行输出。一个字符帧发送完后，使TXD输出线维持在“l”状态下，并将串行控制寄存器SCON的TI位置“1”，通知CPU可以接着发送下一个字符15。接收数据时，处于允许接收状态(REN=1)的SCON允许接收位RNE位。在此前提下，串行口RXD端，当采样到从“1”向“0”的状态变化时，就认定是变化到了起始位。随后在移位脉冲的控制下，把接收到的数据位移入接收寄存器中。CUP从SBUF取走接收到的一个字符的前提是接收中断标志位RI。5 汽车空调温控系统的软件设计5.1 系统软件设计概述根据系统的总体设计，实现信号采集功能、键盘控制和显示功能、实现控制器的输出、空调系统工作模式选择功能是汽车空调主要控制器软件。本系统采用的是8位单片机AT89C51，其程序存储器也只有SK，为了更充分地使用单片机的有限空间，在开发该系统软件时使用中断模式作为整个软件的主线系统软件使用的是ICCAVR编译器，采用结构化的程序设计方法进行编写，由主程序和中断服务子程序构成。5.2 系统软件的工作模式“正常运行模式”、“软关机模式”、“手动控制模式”和“自动控制模式”是汽车空调智能温控系统的四种工作模式。系统的自检状态会在通电的同时开启，这时在X25045中系统会首先读入上一次存入EEPROM的断电前的系统状态信息，使上次关机前空调控制器的运行状态得以恢复。上次关机前智能温控系统的“正常运行模式”会经过通电初始化得到恢复。此时，需要的温度值可以通过温度调节按键设定，温度传感器定时检测车厢温度，温度设定值和温度测量值通过显示器显示出来，根据温差和温差变化混合风门的开度会自动调节，温控系统能够与PC机通过串口通讯交换数据。当显示器熄灭，混合风门步进电机停止运转，系统不能再进行温度检测、温度设定和串行通讯时说明温控系统进入了软关机模式，达到这一效果只需按一下“ON/OFF”。系统在关机前会在X25045的EEPROM中自动把 (如混合风门的开度范围，温度在自动控制模式下的设定值或手动控制模式下的风门档位值等)温控系统的状态信息保存。要想让系统将恢复到“正常运行模式”只需再按一下“N0/OFF”键。”时，混合风门开度档位当处于手动控制模式下可以直接调节(由全制冷到全加热分为5档)。为使车厢温度能满足乘客想要的舒适度，智能温控系统根据温度设定值与测量值的偏差，需要处在“自动控制模式”对自动调节混合风门的开度进行调节。5.3 系统软件的模块化编程模块化编程是一种软件设计方法，采用模块化形式编写本控制系统的软件，分别编写各模块程序，经过编译和调试，最后把各模块一起连接/定位，达到所需的目标。模块化编程具有以下优点:l) 开发周期短，研究方便；2) 当同类的需求较多时，可以把程序放入库中以备以后使用；3) 使得要解决的问题与待定模块分离，有利于软件的可示化；4) 有利于软硬件的联调，很容易找到出错的模块，大大简化了调试；5.3.1 系统主流程模块使用专门用于计算机嵌入式应用的Linux操作系统来设计系统的部分软件，其大多数都是用C语言编写的放大的源代码，汇编语言编写的只是少量可移植性强的源程序启动代码和硬件初始化代码。之所以严格遵守单总线协议来驱动DSl8820，是因为C语言编写的温度测试子程序。每次能执行读写指令前都必须将DSl8820进行复位。主机要释放保持480960Fs的低电平的数据线，再通过上拉电阻将数据线保持在1560Fs，复位操作完成的信号是DSl8820发出存在脉冲。初始化程序(复位程序)、“读”子程序、“写”子程三个基本子程序要与DSl8820进行通信才能完成。在测温、显示等各个子程序编译完成后就可以结合硬件来完成系统的功能，系统的主程序流程图如图5.1。 开始初始化操作系统创建任务初始化输出电路测温子程序显示子程序初始化显示电路控制输出输出控制子程序结束NYN任务结束？Y图5.1 系统的主流程序图5.3.2 按键扫描处理子程序模块1) 按键扫描程序按按键扫描程序的功能分为以下3个方面的内容:a.判别键盘上有无闭合：，看CPU有没有收到中断请求在外部中断输入端INT1后。若CPU收到中断请求，发出信息使INT1运行中断服务子程序，则说明键盘上由键处于闭合状态。b. 去除键的机械抖动。识别闭合键的键号和排除键抖动引起的误操作是扫描键盘中断服务程序里的重要部分。本系统采用按键消抖措施之一的软件消抖措施，另一种为硬件消抖措施。方法为键盘上有键闭合后，延迟10m以后再判别键盘的状态，若仍然有键闭合，则认为键盘上有一个键正在稳定的闭合中，否则就认为是按键在抖动16。c.通常键盘有编程扫描、定时扫描和中断扫描三种工作方式。在本设计中，用中断扫描的方式设计“UP”、“DOWN”和“AUTO”键，采用编程扫描的方式设计“ON/OFF”键。在硬件接线上，UP、DOWN、和AUTO3个按键的行线与CPU的外部中断引脚INT1通过一个与门相连接，当键盘上按键都开启式，高电平都会由列线输出，高电平也在INT1引脚上出现。一旦闭合的按键出现在键盘上，低电平就会从INT1引脚输出，从而导致CPU收到中断请求。若响应中断请求，执行中断服务程序，需要CUP开放外部中断。在中断服务程序中，首先调用一个10ms的延时程序，键盘上各按键的状态是由软件查询的方式判别的。按键处理程序在按键机械抖动的影响消失后要做出相应的调节16。2) 按键处理程序：按键按下后，相应的功能要与特定的按键对应，“AUTO”是自动/手动切换按键，通过AUTO在系统默认方式下的手动模式的变化，温度加1键是“UP”，温度减1键是“ODWN”。如图5.2按键扫描子程序流程图17。外部中断1响应读入8255PC口按键状态延时10msUP键按下？DOWN键按下？UP键子程序DOWN键子程序AUTO键子程序中断返回NNYYYN消除按键机械抖动AUTO键按下？图5.2按键扫描子程序流程图5.3.3 模糊控制子程序模块程序实现了模糊控制中的控制算法，它包括两部分:一是离线计算模糊控制查询表，将模糊控制表存于单片机的程序存储器中；二是在实时控制过程中，如图5.3：根据某一时刻单片机的温度设定值与温度测量值的偏差值e(k)和温差变化率ec(k)，经模糊化推理后直接与存储在单片机表中的数据比较，根据输出量查出步进电机的运转步数，精确后用于混合风门的调节。Yec(k)=4NNec(k)4?e(k)20?开始e,ec采样输出NYYe(k)=-20e(k)=20Yec(k)0?P1.1=0Yu(k)存入3CH|u(k)|存入3CH返回图5.3 模糊控制算法子程序流程图5.3.4 异步电机控制流程模块异步电机控制流程如图5.4所示。定时器T2中断响应步数u(k)P1.0=1?P1.1=1?Uc=25?Uc=-25?当前位置U+1改变p1.0状态步数u(k)-1重装定时器T2当前位置U-1图5.4 异步电机控制流程图YNNNYYNY返回结 论本论文经过对车厢空气温度调节原理、控制策略、系统软硬件方案设设计等方面的研究，开发出汽车空调温控系统。通过对汽车空调系统总成结构以及对汽车空调系统的基本工作原理进行研究和分析，推导设计了以单片机AT89C51为核心的汽车空调控制系统，包括温度检测电路、风门电机驱动电路等硬件模块方案，最终设计出总体硬件系统。研究了模糊控制的基本原理，根据汽车空调温度调节的特点提出模糊控制的控制方法，使各个功能模块都具有软件算法和程序。汽车是在外界高速行驶的物体，所处的外界环境变化大，车内温度往往要在短时间内得到改变，才能满足乘客的需要。这就需要一个智能的空调控制系统对温度进行调节。本文设计的方案在运行时大多需要手动，在智能这一方面体现不多。因此控制系统的智能化是本文下一步要研究的问题。致 谢本文从一开始课题的选定，系统设计方案的确立，以及对具体页面的修改指正，一直到全文的撰写以及文稿的修改，都是在导师xx老师的悉心指导下完成的。对其中设计思路的引导和论文的审校，更倾注了她大量的精力和心血。特别是在设计过程中，李老师经常能够一针见血的指出问题所在，让我从中得到很多的经验和启发。在此，特别向李教授表示由衷地感谢和诚挚的敬意此外，在这里我还要感谢我的同学和朋友对我的无私的帮助，没有他们的帮助，我的毕业设计无法顺利地完成。学习的道路是漫长的，这只是我人生的一个阶段性的总结，谨以此报答我的父母兄弟姐妹们以及我许许多多的同学。在此，再次向所有帮助过我的人表示衷心的感谢!参考文献1 J.M.Saiz Jabardo.W.Gonzales Mamani1 刘丽.汽车空调制冷的单片机控制系统设计，合肥工业大学学报，2006（10）：126112632 郭丽红.吴海涛.基于Atmegal6的汽车空调系统设计与实现，长春理工大学学报，2007(3):78803 郭丽红,芮雄丽.基于Atmegal6的商用车辆空调系统设计，南京工程学院学报，2007(3):61644 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