【汽车空调自动控制系统设计（开题报告+论文）9400字】

开题报告书院（系）专业姓名学号论文（设计）题目汽车空调自动控制系统设计一、选题目的和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。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A／D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。选用运算速度较快、稳定性好、价格便宜的MSP430单片机芯片，实现了汽车手动空调系统的智能化控制改造设计。二、本选题在国内外的研究现状和发展趋势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IPM／PDM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。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。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。三、课题设计方案本文研究的是汽车自动刹车系统设计，主要思路是：1、汽车空调控制系统的组成2、系统的硬件设计。汽车全自动空调控制器硬件，空调控制系统由传感器，键盘，风门电机等组成。温度信号采集电路的设计人机接口的设计一LED显示和键盘串行通讯接口的设计3、系统的软件设计。系统主流程模块按键扫描处理子程序模块模糊控制子程序模块异步电机控制流程模块4、搭建单片机控制的空调系统。5、系统调试。在2009年款CFI-1.6L捷达轿车空调系统上的应用实例。6、结论。研究途径1、理论准备：对汽车空调控制系统构造及原理2、资料查询：图书馆查询相关资料3、网上下载：通过网络了解该选题的最新进展并下载相关资料四、计划进度安排起止时间：2016.12.30-2017.5.15分阶段的进度要求：1.进行选题(2016.12.30---2017.01.20)2.撰写开题报告(2017.01.20---2017.03.15)3.撰写论文初稿(2017.03.15---2017.05.10)4.定稿论文，准备答辩。(2017.05.10---2017.05.15)五、主要参考文献（只列出最重要的5—6种）[1]林火生,阳明霞.微型汽车空调自动控制系统开发[J].柳州职业技术学院学报,2014,02:57-59.[2]章亦葵,乔啸乾.基于微控制器的汽车空调控制系统[J].电子测量技术,2013,04:46-50.[3]于津涛,田冬莲,肖广宇.汽车自动空调系统性能试验及评价方法研究[J].汽车技术,2015,10:47-51.[4]梅蕙麟.浅谈我国暖通空调自动控制系统的发展[J].西部资源,2015,06:52.[5]郑雅兰,张小燕.汽车自动空调控制系统研究与开发[J].中国高新技术企业,2016,06:17-18.[6]向俊.浅谈汽车空调制冷系统控制电路[J].科技与企业,2013,24:346.指导教师意见及建议：指导老师签名：年月日签名：年月日教学单位领导小组审批意见：组长签名：年月日空调自动控制系统设计摘要：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。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。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。主要完成以下内容：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、系统硬件设计、系统软件设计。关键词：空调；自动控制系统；硬件；软件；调试1绪论1.1本课题研究的背景、目的和意义随着汽车工业的快速发展和人们对生活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。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A／D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。选用运算速度较快、稳定性好、价格便宜的MSP430单片机芯片，实现了汽车手动空调系统的智能化控制改造设计。1.2国内外的研究现状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。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IPM／PDM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。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。2汽车空调控制系统的组成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。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。22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系统的硬件设计3.1空调控制系统硬件组成汽车全自动空调控制器硬件，空调控制系统由传感器，键盘，风门电机等组成，硬件框图如3-1。图3-1控制系统硬件框图3.2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。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OV～5V，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3-2。图3-2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3-3。图3-3模数转换电路3.3人机接口的设计一LED显示和键盘4.4.1LED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3-4。图3-4键盘显示电路3.4串行通讯接口的设计单片机的波特率与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。4系统的软件设计4.1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480—960Fs的低电平的数据线，再通过上拉电阻将数据线保持在15～60Fs，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4-1。开始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4-1系统的主流程序图4.2按键扫描处理子程序模块外部中断外部中断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4-2按键扫描子程序流程图4.3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?e(k)>20?开始e,ecYec(k)=4NNec(k)>4?e(k)<-20?e(k)>20?开始e,ec采样输出NYYe(k)=-20e(k)=20Yec(k)<-4?ec(k)<-4?N Ne(k)，ec(k)模糊化处理查询模糊控制表再乘比例因值u(k)ec(k)=-4e(k)，ec(k)模糊化处理查询模糊控制表再乘比例因值u(k)ec(k)=-4计算Δu(k)=u(k)-uc(Δu(k)存入3CH|Δu(k)|存入3CHP1.1=0Δu(k)>0?NY返回计算Δu(k)=u(k)-uc(Δu(k)存入3CH|Δu(k)|存入3CHP1.1=0Δu(k)>0?NY返回图4-3模糊控制算法子程序流程图4.4异步电机控制流程模块异步电机控制流程如图4-4所示。定时器T2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4-4异步电机控制流程图YNNNYYNY返回5搭建单片机控制的空调系统4.1搭建目标通过对原车空调系统进行恰当的改造，融入单片机控制装置，搭建单片机控制的空调控制系统。4.2搭建原则在系统搭建时，要搞清原车空调系统的具体结构和原理，恰当地将单片机控制系统与原车空调系统进行结合，尽量减少原车系统的改造，并保证原车系统功能的完善。4.3搭建内容1）传感器利用原车空调系统的各温度传感器作为单片机控制系统的温度传感器。2）执行器单片机控制系统的执行器为压缩机的继电器和采暖阀的继电器。新增的压缩机继电器取代原车空调系统的温控开关触点，采暖阀继电器依然为原车的。若原车为手动阀门，应首先将其更换成电磁阀门，而后增加控制继电器。3）控制器单片机作为空调系统运行与控制的核心器件，取代原车的机械或电子式温控器，而实现空调系统的高精度、智能化控制。6系统调试以单片机控制系统在2009年款CFI-1.6L捷达轿车空调系统上的应用实例。5.1系统搭建5.1.1原车空调系统的缺陷捷达汽车的空调系统无制冷温度控制器，其温度调节采用间接调节方式。当空调系统工作时，车内温度影响系统冷媒的蒸发压力，用系统内变化冷媒压力改变压缩机的斜盘角度，而使活塞行程增减，达到改变冷媒排量目的，实现对调节车内温度的调节。尽管此种调节系统有许多优点，但其属于机械式间接调节方式，存在调节机构运动摩擦大、系统控制灵敏性差、控制精度差的缺点。强劲持续的空调制冷效果经常使车内温度偏低，使人感到不舒适。为调节车内温度，驾驶员经常需要手动关闭或打开空调。这样的操作，不仅使车内的温度波动幅度较大，且影响行车安全。5.1.2对原有空调系统的改造1）利用原车温度传感器。利用原车的车内温度传感器、阳光传感器信号（车外环境温度）电压信号，信号线可从相应的插接器或ECU端子上引出，经过A／D转换后，送入单片机运算分析后，作为控制空调系统运行的基本依据。2）空调系统电路改造。空调系统的电路改造就是原车空调系统电路上，增加一个受单片机控制的空压机继电器，用于控制压机运行。捷达轿车空调系统的电路改造，就在由空调开关E35到发动机控制单元J361的线路上，如图6-1所示，增加的压缩机继电器与车外温度开关相串联，用于控制压缩机电磁离合器的吸合和分离。所增加的压缩机继电器作为单片机控系统的执行器，受单片机输出信号的控制，从而实现单片机控制系统对空调系统的控制。图6-1单片机控制的捷达轿车空调系统电路3）温度调节旋钮的改造。对原车的温度调节旋钮做适当改造。在原有结构的基础上，在旋钮后增加一个旋转式电位器，将旋钮的不同位置转化成电位器的电阻变化，经过模数信号转换，将其转换成数字信号，输入给单片机，作为单片机控制系统的调节目标值。这种改造保证了既没有破坏原车空调系统的功能，又增加了单片机