基于单片机的汽车空调控制系统设计

第引言研究背景及意义随着现代社会的发展，小轿车已经进入了人们的日常生活。在驾驶车辆、运输车辆时，人们不仅对车辆的安全性有一般的追求，而且对车辆在行驶时的舒适性也有更多的要求[1]。汽车空调是保障行车安全的关键设备，其工作性能对乘员乘坐舒适性有很大的影响。与国内轿车相比，合资中型轿车的保有量稳步上升，轿车的安全与舒适驾驶感受已成了第一位选择。单片机在日常的工作和生活中有着非常普遍的应用，在智能家居、通讯电路、家用设备和工业导航等方面有着非常广阔的应用。本论文主要针对以单片微处理器为核心的车载空调自动化系统进行了深入的探讨，以达到车载空调自动化的总体要求[2]。截止到2021年末，按照国家的统计数字，我国有三亿九千五百万台机动车辆，三亿二千万台机动车辆。通过以上的统计资料，我们可以看到，在中国，在中国，汽车空调的发展潜力是非常巨大的。从现在的情况来看，在汽车空调市场中，最大的竞争是国内自主品牌汽车空调企业与进口品牌汽车之间的竞争[3]。因为，进口汽车的研发技术是来自于其国外公司，因为技术保护和进口关税等问题，会造成空调控制器的价格比较高。但是，因为其品牌优势和良好的国际合作关系，其实际的生产成本比较低。伴随着生产技术的持续进步，国内外汽车空调企业之间的市场竞争也在持续加剧。带有空调测温系统的汽车，在大部分的汽车用户中，都是非常欢迎和喜欢的。由于汽车空调的舒适性以及便于司机操作等特点，这也让它在市场上占据了更大的份额。因此，我们必须要把握住这一次的机会，将更多的资源和资源投入进来，加大自主开发和研发对汽车空调控制系统的研发力度，持续地改善生产技术，在将来，这不但会带来很大的经济效益，而且还会对我国的工业基础建设以及未来汽车行业的良性发展产生积极影响。该项目主要针对的是怎样提升车辆的舒适度，将单片机作为车辆空调的控制中心，并对目前我国车辆空调系统中存在的问题进行了改进，从而在确保车辆的正常运转的情况下，达到了车辆的温度自动控制[4]。国内外研究现状国外研究现状本文将车辆空气调节技术的发展过程分为5个时期：第一个步骤：单独加热步骤。1925年的时候，美国和欧洲还没有这种冷气，那时候的暖气都是靠着车子启动，然后在车子内部循环的方式来加热。1927年，美国出现了第一辆车，那时候车里的空气，只能给人取暖，却不能给人降温，而且还不能给人降温，所以这辆车，并不是真正的空气调节，而是用来取暖的。1948年，欧洲首先引进了一种新型的自动空气调节器，这种调节器具有自动升温和降温等多种功能，使空气调节器成为可能。而日本，也是在一九四五年，才有了这种车内的空气调节系统，跟美国的空气调节系统，相差了三十多年。在某些较为严寒的地区，仅具有加热作用的空调系统依然是车用空调的主体，然而，这也为车用空调的市场打开了一扇门。第二级：单级冷却级。在一九三八年，美国人帕尔德看见了冰箱的冷却效果，便开始学习它的工作原理，并把它应用在了车内的冷却装置上，在多次试验之后，终于取得了成果，使车内的空气变冷成为可能。在一九三九年，他把一台经过改良的林肯牌汽车装进了一台新的空气压缩机，取得了理想的冷却效果，成为了有史以来第一台用空气压缩机冷却汽车的先例[5]。1940年，他发明了一种新的空气冷却器，并在美国的帕克公司，进行了大量的实验，直到第二次世界大战，整个国家都陷入了停滞状态，而他的空气冷却器，也因此而停滞不前。第二次世界大战之后，由于国际上的有利条件，随着世界经济的迅速发展，汽车空调也随之迅速发展起来，其实用性和商品化程度达到了史无前例的程度。上个世纪五十年代，美国南方靠近赤道，气候酷热，对冷气的需求量很大，所以，冷气的需求量很大，这也是为什么冷气的原因，冷气的原因。直到7年前，这个只有一台冷气的空调机在日本的市场上被广泛应用。截至现在，因为热带、亚热带等地域气候的缘故，全世界仍然在使用着这种单机制冷空调的车辆数量已经超过了60000辆，占了总数的13%，它所占的比例非常大[6]。第三个时期：采暖与采暖相结合时期。在空气调节技术日益成熟的今天，用户的要求已经不仅仅局限于对温度的垂直调整，而对空气中的湿度等横向梯度的关注也越来越多，在此背景下，集成式汽车空调应运而生。早在一九四五年，NASH就已经成功地进行了第一次测试，并将其运用到了日常生活中。当前，汽车空调以其加热、降温和除湿等作用，广泛应用于家用轿车、工具车和特殊车辆中。第四个步骤：自控步骤。随着科技的不断进步，自动化的技术也逐渐发展起来，相比于手动操作，自动化程度高，安全性高。研究人员将自动控制技术应用到了汽车空调的开发中，经过试验，结果表明，自动控制空调提高了司机在驾驶时的舒适度，同时，它的控制效果和安全性也得到了极大的提高，并被广泛地应用到了汽车空调设备中[7]。在1964年，世界上首款具有自控功能的汽车冷气机被应用在豪华轿车凯迪拉克上，大大提高了驾驶者的舒适度及安全性能。一九六七年，装有自控空气调节系统的车辆已达三百五十四万。由于其在市场上的反应与声誉，在1971年，日本与英国的轿车先后装备了该款冷气机，其所占的份额很大，发展空间也很大。第五步：微型计算机的操作步骤。因为有了电脑，所以才有了用电脑来控制车辆的空调，这是美国和日本两家公司，花费了大量的时间和精力，才研究出来的。之后，在1977年，他又在自己的新车上进行了测试，此时，他的车内的空气调节技术又上了一个台阶。他的工作方式是，将空调装置按照预先设置好的微机程序进行工作，除了可以对原有的加热、降温和除湿等功能进行调整之外，还增加了微机数字化屏显、数据流传输和自诊断的功能。此外，在其它的节能减排领域也有着优异的性能，从而达到了空调的运转与汽车运转的相互协调[8]。国内研究现状新中国建立以来，我国的轿车空调器行业随着国家经济的发展而发展，先后走过了三个发展时期。第一个时期是1949年，当时新中国刚刚建立，人民生活尚处在衣食无忧的时期，经济条件相对较差，在这个时期，汽车冷气技术的开发基本停滞不前[9]。第二个时期是在改革开放以后，这个时期里，我们的人民的根本问题都已经解决了，我们的经济已经有了发展，我们的人民已经一天比一天好，我们的人民已经走上了富裕的道路。我们华夏也在研究国外的空调技术，从日本购买了一批新的汽车和空调，用于大客车、轿车等领域[10]。在第三个时期，外国的汽车空调机市场日趋成熟，其发展速度远超我国。他们采用的是电力驱动的冷凝器，这样的冷凝器，效率更高，也更实用。在面临着复杂多变的市场环境时，我国派出了一些有关的专家到海外学习他们的有关经验，并将其引入到了车上的空调生产线中[11]。系统总体设计方案2.设计的任务和要求通过对控制器、温度传感器和显示器的选择，设计了一套以Proteus为核心的车载空调温度测量系统。设计出一套集送风、制冷和通风于一体的空气调节装置[12]。设计的具体工作内容1.通过对控制器、温度传感器和显示器的选择，确定了车载空气调节装置的温度测量系统的总体设计；2.对按键、继电器控制和显示电路进行了设计，并进行了硬件设计；3.用计算机编程实现车载冷气温度测量系统的软件；4.根据特定的真实情况和车辆空调系统的应用软件，画出电路示意图。总体设计框图该系统是为了改进车辆的空调系统，使车辆内部的空气温度得以调整，使车辆无论在任何外部天气情况下，都能保持一个良好的温度。本设计以STC89C52单片机为核心控制器，温度数据采集、按键电路、电源电路为输入部分，液晶显示模块、继电器、直流电机为输出部分，共同构成了车载空调控制的整体系统设计，实现了一款带有送风和呼吸功能的空调控制器。它以STC89C52为核心，以信号采集为主要功能，实现对传感器的测量。利用DS18B20型温度传感模块，实现了对汽车内部空气温度的实时测量，并在显示屏上进行显示；使用九个单独的按钮进行模式切换，控制空调，风扇，风速，温度设定等；利用电源回路，实现了对全系统的电力供给。整个系统的输出分为四个部分：一是液晶显示器1602的显示功能；第二部份为发热继电器；第三节为冷冻继电器的设计；第四部份为MX1508型DC马达调速风机，可在设定的温度范围内自动调速，亦可按下开关调速。在此基础上，提出了一种用于车载空气调节系统的硬件实现方案。图2.1总体设计框图在为该系统供电之后，在该电路上按下切换控制键，向该单片机发出启动的指令，该指令被发送到该指令后，该单片机就会启动。在键电路中，当用户按下呼吸键时，由MCU接受命令，并通过MCU来实现对MCU的控制；通过键盘的开关，可以实现对电动机的控制，并对显示器的工作进行控制。在此期间，只要点击“重置”键就可以恢复到原来的位置。系统硬件设计核心器件单片机及最小系统设计STC89C52单片机概述STC89C52是一个8K字节的可程序删除ROM。这个装置是由ATMEL高密度非挥发性存储器制造技术制作而成，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚互相兼容，STC89C52单片机的引脚图见图3.1所示。图3.1STC89C52单片机STC89C52管脚说明在表格3.1中给出了STC89C52的引线说明。表3.1STC89C52管脚介绍主电源引脚VCC电源输入，接+5V电源GND接地线外接晶振引脚XATL1片内振荡电路的输入端XATL2片内振荡电路的输出端控制引脚RST/VPP复位引脚ALE/PROG地址锁存允许信号PSEN外部存储器读选通信号EA/VPP程序存储器的内外部选通可编程输入/输出引脚P08位双向I/O口线P18位准双向I/O口线P28位准双向I/O口线P38位准双向I/O口线晶振电路晶振电路在单片机的整体操作体系中起着不可缺少的作用，在单片机的操作中，它必须给出一种起动的讯号，然后才能使其正常地工作。晶振电路是指与外界的某些线路相连，使之成为一个平稳的正弦信号，晶振电路的存在性对于一个完整的MCU系统能否顺利工作至关重要。复位电路复位电路是一种将MCU恢复到初始状态的电路。当单片机在运行中发生卡顿或错误时，我们可以启动复位按钮，使其返回初始状态，再进行工作，类似于我们平时的归零操作。在MCU的工作中，重置电路是一个必不可少的环节。显示电路的器件选型及介绍由于在本系统中既要同时显示英文的文字、符号以及一些数值，所以显示部分采用了LCD的形式来显示所收集到的资料。在这一次的设计中，选择了LCD1602液晶显示器，它是通过点、线、面与液晶背光显象管相配合来自动地形成液晶图像，所以它被称为液晶。在表格3.2中给出了LCD1602的引线说明。表3.2LCD1602的引脚介绍符号引脚说明VSS接地端VDD接5V正电源VL液晶显示器对比度调整端RS寄存器选择脚R/W读/写信号线E使能端D0-D78位双向数据线BLA背光源正极BLK背光源负极LCD1602液晶显示器拥有高显示质量、数字式接口、体积小、能耗低等优点，其具体的电路构造原理电路图见图3.2。图3.2显示电路原理图温度采集电路设计DS18B20型测温系统是一种基于单母线的数字式测温系统，其结构紧凑、价格低廉、精度高。由于热阻传感器具有温度性能好、测量准确度高等优点，被大量用于大型集中空调系统。该方法利用传感器的工作原理和传感器的工作原理，利用传感器的工作原理和传感器的工作原理，将传感器的工作原理和工作原理进行了阐述。在该系统中，温度检测部分选用DS18B20、VDD：供电管脚VDD：供电，在使用非接触式供电时，VDD需接地；DQ：单一总线使用的数据输入/输出，在使用寄生电源进行供电时，为装置提供电力；GND：接地图3.3温度采集电路继电器控制电路继电保护是一种自控装置，在自动化线路中，一般装置可以完成对其的输入和输出，并能进行自动调整，从而达到节约生产费用的目的。该装置采用了一种较为简便的方式，即在绕组上施加适当的电压，即可实现对接触开关的控制。在工业线路中，采用多种驱动方式，如：电磁继电器驱动，温度继电器驱动等等。在该控制装置中，选用了MX1508单片机作为控制装置。在图3.4中显示了该执行机构的结构。图3.4驱动控制电路键盘输入控制电路在单片机的键控线路中，键盘可以划分成两类：一类是独立键控，另一类是矩阵键控。矩阵键盘适合于要求多个按钮的场合，由于一般我们没有足够多的MCU输入和输出接口来供给键盘电路的输出端，所以我们可以采用矩阵键盘的方式来节约MCU的输入和输出接口。该方案选择了矩阵型键盘，其工作方式是3x3。操作人员可以利用键盘来对系统进行一系列的操作，例如：开始、关闭、送风、制冷、制热等工作状态，以及系统水平送风、倾斜送风、垂直送风、扫风等风向步进电机、调节温度高低等方面。键盘的行由P2.0,P2.1,P2.2（启动内上推电阻器）来控制，P2.4,P2.5,P2.6来控制，因此，在矩形键盘中，对键的辨识和操纵都是由行线和列线来完成的，这一点在图3.5中是可以看出的。图3.5键盘输入控制电路风向步进电机控制步进电动机是以电磁体为工作机理的一类特殊的电动机仪表设备。与其它类型的电动机相比，步进电动机的起动过程是从低转速到高转速的过程，减速过程也是一步一步减慢至0的过程。步进马达是一种无需依靠数学建模，只需按一定的方向，一步一步地达到真实的结果，就像一台电阻仪一样，不会产生任何错误。系统程序设计编程软件介绍在该设计中，软件部分使用C语言进行编程，使用Keil5软件来对程序进行编译和调试，它的接口具体如下：图4.1Keil5开发界面KEILC51是一种基于C语言的MCU程序，它是一种基于CU的MCU程序。KEILC51软件的用法是：1.在一个综合的开发环境中，打开KEILC51的程序，用鼠标点击打开程序的图标，就可以打开程序了；2.创建一个项目文档，将多个源码文档组合在一起，组成一个单一的应用系统，并对该项目进行CPU的特定编辑；3..储存已加入的原始档案。重新命名并保存一个新的档案，键入新编写的程式，并按下储存键；4.以上的过程全部结束，确认没有任何问题之后，最后产生一个.HEX文件，然后在Proteus中找到MCU，然后进行操作，就可以得到自己需要的效果了。主程序流程设计在图4.2中显示了该系统的主要流程；在主循环中，第一个步骤是按钮功能，它是根据按钮的大小来设定按钮，并根据按钮的大小来设定按钮，例如切换模式，控制风扇开关，控制继电器开关，制冷，制热，调节风扇档位，调节温度等等。接下来就是监控功能了，这一部分的监控功能是利用温度收集的传感器来监控温度的数据；然后，继续到了显示模式，空调状态，风扇状态，档位，温度，温度阈值的功能；接下来，就会进入到第四个函数，这个函数的作用就是对目前的情况进行分析，如果不是，那么就会用按钮来对空调和风扇进行控制，如果是自动模式，那么就会按照温度来对空调和风扇进行控制。并利用延迟函数及计算方法对各个功能进行了限定。它的主要代码的一部分是这样的：图4.2程序总体流程图按键函数流程设计在图4.3中显示了关键功能的子流程；按键设置功能，第一步是利用键盘的扫描功能，获得键盘按下的键值，并根据键值的差异，对对应的变量进行更改。若取得的密钥是1，则转换模式；若取得的密钥为2，则控制扇子；若取得了3个密钥，则控制空气调节；若取得钥匙4，加热；若取得了5个关键字，则风力+1；若所获得的密钥是6，则将其设定为+1；若取得了7个密钥，则冷却；若取得的密钥是8，则风力-1；当得到的是9的时候，就设定了-1的温度。它的一些程序代码是这样的：voidKey_function(void){ case1: //按键1 flag_mode=~flag_mode; break; case2: //按键2 flag_open_f=~flag_open_f; break; case3: //按键3 flag_open_k=~flag_open_k; break; case4: //按键4 flag_jdq=1; break; case5: //按键5 if(flag_speed<=90) flag_speed+=10; break; case6: //按键6 temp_set+=10; break; case7: //按键7 flag_jdq=0; break; case8: //按键8 if(flag_speed>=10) flag_speed-=10; break; case9: //按键9}图4.3按键函数子流程图处理函数流程设计该处理功能子流程图见图4.4，它将先对目前的状态进行判定，若不是，那么就用键盘来对风机和空调进行控制；在自动运行时，当气温低于设定时，冷气会被冷气所加温，随着气温的降低，风机的速度也会随之增大；当空气中的气温超过设定的数值时，空气中的空气就会变凉，而且随着气温的升高，风机的速度也会随之增大。本软件的程序代码如下：voidManage_function(void){ if(flag_mode==1) { if(flag_open_f==1) speed=flag_speed; else speed=0; if(flag_open_k==1) { if(flag_jdq==1) { RELAY_1=0; RELAY_2=1; } else { RELAY_1=1; RELAY_2=0; } } else { RELAY_1=1; RELAY_2=1; } } else { flag_open_f=1; flag_open_k=1; if(temp_set-temp_value>0) { RELAY_1=0; RELAY_2=1; } else { RELAY_1=1; RELAY_2=0; } if(temp_set>=temp_value) { speed_auto=temp_set-temp_value; speed=speed_auto; } else { speed_auto=temp_value-temp_set; speed=speed_auto; } }voidTime1_Init(void){// TMOD&=0x0F; TMOD|=0x10; TH1=(65535-9216)/256; TL1=(65535-9216)%256; TR1=1; ET1=1; EA=1; //打开总中断 MOTOR_IN0=0; MOTOR_IN1=0;}voidTime1(void)interrupt3{staticuintmotor_count;TH1=(65535-9216)/256;TL1=(65535-9216)%256; motor_count++; if(motor_count>=100) { motor_count=0; } if(motor_count<speed) { MOTOR_IN0=1; MOTOR_IN1=0; } else { MOTOR_IN0=0; MOTOR_IN1=0; }}图4.4处理函数子流程图系统仿真仿真软件介绍该系统采用Proteus程序实现了对步进电动机的调速和调速，实现了对步进电动机的调速和调速。如果风力马达刚启动时只是按压马达不旋转，则需再次按下；需要换风马达旋转时，需要先按下换风按钮，然后再按下按钮；风力马达需要先按下风力按钮，然后再按下按钮；如果您按下冷却按钮，您的空调器就会启动冷却，如果您按下温控按钮，您的空调器就会将您的空调器调节到您感到舒服的温度。用Proteus软体打开电脑，选取指令及所需组件，将其放置在相应的地方，并画出相应的电路示意图。最后，使用Proteus软件，不但可以提升开发的速度，而且在没有任何硬件支持的条件下，开发者也可以对MCU和周边电路进行模拟，从而达到对系统的最大效用。仿真测试分为两种，一种是自动的，另一种是手动的，Auto表示的是自动的，Hand表示的是手动的，LCD的屏幕上面的位置是指的是车内的温度，下面的位置是指的是空调的温度。通过DS18B20的上下按键进行控制，通过6、9按键对空气调节器进行控制，同时通过6按键和9按键对空调器进行控制。在自动模式下，将空调机的温度与车内的温度进行对比进行调整，如果空调机的温度高于室内的温度，则为加热状态，这一点见图5.1，如果空调机的温度低于室内的温度，则为冷却状态，这一点见图5.2。图5.1仿真系统制热状态图图5.2仿真系统制冷状态图在自动运行时，通过调节空气中的空气质量与车厢内的空气质量的差值来调节空气质量。从图5.3与图5.4的对比可以看出，图5.3中的空气调节与车内的空气调节的温度相差很小，而电动机的转速也很低。图5.4空调器与车厢内的气温相差很大时，电动机转速很高。图5.3电机转速较慢状态图图5.4电机转速较快状态图在切换到手动模式的时候，挡位为0时，这时风速为0，可以通过手动来进行调整，调整矩阵键盘的5键和8键，手动一共分10个档位，如图5.5所示。当档距为10时，风力达到最大值，见图5.6。而且，冷暖两种方式，都需要人工进行调整，可以在四、七个按键之间进行调整。图5.5仿真系统手动状态图图5.6手动最高档状态图结语在本设计中，所要研究的只是一种简单的汽车空调控制器系统的设计，经过对其进行了初步的整理，建立起了与之相关的知识框架，然后对其进行了探索并进行了设计，在网络上查找了大量的数据，并阅读了大量的科学文献，最终完成了有关的研究工作。单片机在日常的工作和生活中有着非常普遍的应用，在智能家居、通讯电路、家用设备和工业导航等方面有着非常广阔的应用。因此，在本课题的研究中，我们选择了MCU来实现对车辆空调的自动控制。本论文着重对以单片机为基础的汽车空调自动控制系统进行了深入的研究，它可以实现对汽车空调的通用要求的自动控制，并为其提供了一种高效、低成本、高可靠性的汽车空调系统。本次毕业设计的重点是一个以单片机为基础的汽车空调测温系统，它以STC89C52单片机为核心控制器，以温度传感器检测模块、按键电路模块和电源电路模块为输入部分，以显示模块、继电器模块和电机驱动风扇模块为输出部分，实现了对步进电机的速度、温度、湿度等方面的控制，利用按键电路实现对空调、风扇的控制和对风速、温度的调整，从而实现了一个汽车空调控制系统。首先通过温度传感器将现场的温度信息输入到MCU中，并在高于设置值的情况下启动制冷机；当温度低于设置值时，就会启动加热，并根据温度的高低来对冷冻继电器和加热继电器的闭合进行控制。在此基础上，本文提出了一种基于智能技术的车载空调控制方法。附录A1原理图第第1页A2主函数程序#include"main.h"#include"lcd1602.h"#include"key.h"#include"ds18b20.h"#include"motor_zhiliu.h"bitflag_mode=0;//模式0：自动1：手动bitflag_open_k=0;//空调开关0：关1：开bitflag_open_f=0;//风扇开关0：关1：开bitflag_jdq=0;//0:制冷1：制热uintflag_speed;uintspeed_auto; { case1: //按键1 flag_mode=~flag_mode; break; case2: //按键2 flag_open_f=~flag_open_f; break; case3: //按键3 flag_open_k=~flag_open_k; break; case4: //按键4 flag_jdq=1; break; case5: //按键5 if(flag_speed<=90) flag_speed+=10; break; case6: //按键6 temp_set+=10; break; case7: //按键7 flag_jdq=0; break; case8: //按键8 if(flag_speed>=10) flag_speed-=10; break; case9: //按键9 lcd1602_display_num(1,5,flag_speed/10); lcd1602_display_temp(1,10,temp_value); lcd1602_display_temp(2,10,temp_set); /***********处理函数*****/voidManage_function(void){ if(flag_mode==1) { if(flag_open_f==1) speed=flag_speed; else speed=0; if(flag_open_k==1) { if(flag_jdq==1) { RELAY_1=0; RELAY_2=1; } else { RELAY_1=1; RELAY_2=0; } } else { RELAY_1=1; RELAY_2=1; } } else { flag_open_f=1; flag_open_k=1; if(temp_set-temp_value>0) { RELAY_1=0; RELAY_2=1; } else { RELAY_1=1; RELAY_2=0; } if(temp_set>=temp_value) { speed_auto=temp_set-temp_value; speed=speed_auto; } else { speed_auto=temp_value-temp_set; speed=speed_auto; } }{ uchark; switch(m) { case(0x09):k=1; break; //K1按下 case(0x0a):k=2; break; //K2按下 case(0xc):k=3; break; //K3按下 case(0x11):k=4; break; //K4按下 case(0x12):k=5; break; //K5按下 case(0x14):k=6; break; //K6按下 case(0x21):k=7; break; //K7按下 case(0x22):k=8; break; //K8按下 case(0x24):k=9; break; //K9按下 } return(k);}ucharmatrix_keyboard_scan(void){ ucharrow,col,i; ucharrelay,relay_1; relay=MATRIX_KEYBOARD_DATA&0