DS1821在汽車空調(diào)制冷控制中的應(yīng)用?

【摘　要】闡述了蒸發(fā)器表面溫度控制在制冷時的重要性，介紹了DS1821的工作原理、結(jié)構(gòu)和功能，并給出了DS1821在蒸發(fā)器溫度控制中的應(yīng)用。
???? 關(guān)鍵詞：DS1821，制冷，蒸發(fā)器，控制
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　　空調(diào)的蒸發(fā)器是熱交換裝置，如果蒸發(fā)器表面溫度過低，空氣中的水分被析出后結(jié)霜，此時若蒸發(fā)器中制冷劑流量不減弱，則蒸發(fā)器表面會逐步結(jié)冰，最終導(dǎo)致蒸發(fā)器無法工作（風(fēng)不能通過，無法進行熱交換），空調(diào)也就無法制冷。所以，空調(diào)器最基本、也是最主要的控制任務(wù)就是防止蒸發(fā)器表面結(jié)霜，即控制蒸發(fā)器表面的溫度。目前汽車空調(diào)蒸發(fā)器的溫度控制主要有離合器－熱力膨脹閥系統(tǒng)（CCTXV系統(tǒng)）和離合器－節(jié)流管系統(tǒng)（CCOT系統(tǒng)），它們都是通過恒溫器控制離合器，進而控制壓縮機的轉(zhuǎn)停來達到除霜目的的。恒溫器主要有波紋管式和雙金屬片式兩種形式，前者為熱力杠桿式結(jié)構(gòu)，敏感元件為感溫包，后者通過溫度系數(shù)不同的兩塊金屬片觸點的接通和斷開來控制離合器接通和脫開。它們的工作精度均不高。數(shù)字式溫度傳感器DS1821具有恒溫器和單總線兩種工作模式，在恒溫器工作模式下它有溫度開關(guān)的功能，可以用來控制汽車空調(diào)蒸發(fā)器的表面溫度。

1　DS1821的功能和封裝
　　DS1821是美國Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器，與微控制器的連接簡單，它采用單總線（1－Wire Bus），即用一根數(shù)據(jù)線與微控制器連接，按照單總線通訊協(xié)議與微控制器進行通訊，工作溫度范圍為－55℃～125℃，在0℃～80℃時的精確度為±1℃，完全滿足汽車空調(diào)控制的要求。其封裝形式有兩種：8引腳的SOIC形式封裝和3引腳的PR35形式封裝，如圖1所示。

引腳說明：
　　QD：數(shù)據(jù)輸入／輸出線；
??? Vdd：接電源；
??? GND：接地；
??? NC：懸空。
　　DS1821既可以用作8位的溫度傳感器，又可以作為恒溫器使用，當(dāng)用作恒溫器時，DS1821具有溫度開關(guān)的功能，由用戶設(shè)定告警觸發(fā)點TH和TL，用戶設(shè)定的觸發(fā)點和設(shè)置在觸發(fā)時DQ引腳的電平（POL）被保存在DS1821的內(nèi)部EEPROM，即保存在TH寄存器、TL寄存器和工作寄存器中。
2　DS1821的工作原理
?? DS1821的工作原理如圖2所示。
　　DS1821通過記錄時鐘周期數(shù)來測量溫度。DS1821中有兩個振蕩器：低溫度系數(shù)振蕩器和高溫度系數(shù)振蕩器，被記錄的時鐘周期數(shù)是由低溫度系數(shù)振蕩器在高溫度系數(shù)振蕩器決定的門時間之內(nèi)的時鐘周期數(shù)。低溫度系數(shù)振蕩器的計數(shù)器被預(yù)置為－55℃所對應(yīng)的基數(shù)，如果計數(shù)器在門時間內(nèi)計數(shù)到零，則預(yù)先設(shè)置為－55℃的溫度寄存器增加1℃，同時計數(shù)器由斜率累加器電路決定的值重新預(yù)置，

這個斜率累加器電路還可以補償振蕩器相應(yīng)于溫度的拋物線特性。計數(shù)器重新開始計數(shù)，如果仍在高溫度系數(shù)振蕩器決定的門時間內(nèi)計數(shù)器計數(shù)到零，溫度寄存器的值又增加1℃，而計數(shù)器又重新置數(shù)。重復(fù)上述步驟，直到計數(shù)器計到零時的時間超過由高溫度系數(shù)振蕩器決定的門時間。這個過程完成以后，溫度寄存器中的值就是當(dāng)前的溫度。
3　DS1821的結(jié)構(gòu)
?? DS1821的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　TH寄存器和TL寄存器均是非易失的可電擦寫的存儲器EEPROM，用戶可以在單總線工作模式下對TH和TL寄存器進行讀寫。TH和TL寄存器為8位寄存器，其格式如下：

S位是符號位，0為正，1為負。
　　溫度寄存器格式同TH、TL寄存器格式一樣，1位符號位，7位有效數(shù)據(jù)，它的值就是對應(yīng)的溫度值（攝氏溫度），如：7DH為＋125℃，19H為＋25℃，E7H為－25℃。
　　工作寄存器也是8位寄存器，格式如下：

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??? T／R：工作模式控制位，T／R＝1時為恒溫器模式，T／R＝0，為單總線模式。在單總線工作模式下，數(shù)據(jù)的傳送要遵循單總線協(xié)議，有關(guān)單總線協(xié)議及操作見文獻1；
　　POL：溫度超過告警點時DQ的狀態(tài)，POL＝1時DQ為1，POL＝0時DQ為0；
　　THF：在恒溫器工作模式下，當(dāng)溫度超過TH中設(shè)置的值時，THF被置為1，并保持1直到用戶重新將其清0；
　　TLF：同THF一樣，在恒溫器工作模式下，當(dāng)溫度低于TL中設(shè)置的值時，TLF被置為1直到用戶將其清0；
　　THF和TLF提供了在一定的時間內(nèi)，溫度是否超過告警點的信息。
　　1SHOT：在單總線工作模式下，該位決定采用對溫度連續(xù)檢測方式還是采用單步檢測方式，當(dāng)1SHOT＝0時為連續(xù)檢測方式，1SHOT＝1時為單步檢測方式，在恒溫器工作模式下，始終為連續(xù)檢測方式；
　　DONE：在單總線模式下，1SHOT＝1時，用戶可以查詢DONE位以確定溫度是否檢測完畢，當(dāng)DONE＝0時正在檢測，DONE＝1時檢測完畢；
　　NVB：寫EEPROM時的狀態(tài)查詢，NVB＝0，正在寫EEPROM，NVB＝1，寫完畢。
　　在工作寄存器中，THF，TLF，T／R，POL，1SHOT這5位均存儲在非易失性存儲器EEPROM中。
4　DS1821的恒溫器工作模式
　　當(dāng)T／R＝1時，DS1821上電后處于恒溫器工作模式，連續(xù)檢測溫度。DQ作為DS1821的信號輸出引腳。要使用DS1821的恒溫器功能，必須在單總線模式下對TH和TL寄存器進行設(shè)置。DS1821作為恒溫器的工作原理如圖4所示。

　　設(shè)POL＝1，DS1821檢測到溫度超過TH寄存器中設(shè)置值時（告警點），DQ的狀態(tài)由0變?yōu)?（POL＝0時DQ由1變?yōu)?）并保持1狀態(tài)，當(dāng)DS1821檢測到溫度低于TL中的值時，DQ由1變回0，如次循環(huán)往復(fù)。用戶可以通過查詢THF和TLF的狀態(tài)來了解溫度是否超過告警點。
5　DS1821在汽車空調(diào)蒸發(fā)器溫度控制中的應(yīng)用
　　基于對DS1821恒溫器工作模式的分析，DS1821具有溫度開關(guān)的功能，當(dāng)溫度超過告警點時可以利用DQ引腳驅(qū)動執(zhí)行部件，完成某個動作。對空調(diào)蒸發(fā)器表面溫度進行控制時，當(dāng)蒸發(fā)器表面結(jié)霜（溫度低于0℃）時，DQ輸出一個信號，控制電磁離合器，脫開發(fā)動機與壓縮機的連接，開始除霜。電路原理圖如圖5所示。

　　設(shè)置TH＝4℃，TL＝0℃，POL＝1，T／R＝1，空調(diào)開始工作時的溫度肯定超過TH，DS1821的DQ輸出為1，經(jīng)反相為0，打開光隔，電磁離合器連接壓縮機和發(fā)動機開始制冷，蒸發(fā)器表面的溫度也開始下降，當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度下降到超過0℃時，DQ輸
出為0，反相后為1，關(guān)閉光隔，電磁離合器則脫開發(fā)動機與壓縮機的連接，壓縮機停止運轉(zhuǎn)，開始除霜，蒸發(fā)器表面的溫度逐漸升高，當(dāng)溫度高于TH的設(shè)定值時，DQ變?yōu)?，打開光隔，電磁離合器又接通發(fā)動機和壓縮機，開始制冷，如此循環(huán)往復(fù)，從而控制了蒸發(fā)器的表面溫度，防止其結(jié)霜。
　　DS1821在汽車空調(diào)控制中還可以作為環(huán)境溫度開關(guān)使用，當(dāng)車外溫度高于某個設(shè)定值（TH）時，電磁離合器閉合，壓縮機開始工作，而當(dāng)車外溫度低于某個設(shè)定值（TL）時，電磁離和器脫開，壓縮機停止工作。
　　DS1821在單總線工作模式下可作為溫度傳感器用于溫度的測量，由于它是數(shù)字式的，測量溫度時無需A／D轉(zhuǎn)換等其它器件，其數(shù)據(jù)就可以直接供微控制器使用，只要兩者之間數(shù)據(jù)傳輸遵循單總線協(xié)議。在與MCS－51等系列單片機連接時，MCS－51系列沒有單總線接口，需要用軟件模擬單總線的操作。另外，與DS1820和其他單總線器件不同的是，DS1821不能被編址，因此，在一根總線上只能掛一個DS1821，需要進行多點測量時，占用微控制器的資源較多，這限制了它作為溫度傳感器的使用。 　　1　陳孟湘．汽車空調(diào)．上海：上海交通大學(xué)出版社，2001