基于STC12C5A60S2的汽車空調(diào)控制系統(tǒng) - 全文

　　隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車為人們的出行提供了極大的便捷，逐漸成為人們生活不可或缺的一部分。汽車空調(diào)作為衡量汽車舒適性的重要指標(biāo)，其控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)于汽車市場(chǎng)的拓展有著至關(guān)重要的作用。相比于家用空調(diào)，汽車空調(diào)受環(huán)境影響大，同外界的熱交換量大，因此制冷和采暖的能力要求比家用空調(diào)高，使其所需負(fù)荷大。要求環(huán)境溫度在-20~60℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度為45%~90%。對(duì)耐腐蝕性、耐振動(dòng)性也有一定要求。

　　1系統(tǒng)控制原理

　　基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：制冷/采暖溫度調(diào)節(jié)、內(nèi)/外循環(huán)風(fēng)模式轉(zhuǎn)換、除霜、風(fēng)力調(diào)節(jié)、風(fēng)向模式變換、自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。車內(nèi)溫度傳感器用于溫度采樣，風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)，伺服電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換。電磁閥的控制包括熱水閥、冷/熱風(fēng)門、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門、除霜模式轉(zhuǎn)換門幾個(gè)部分。熱水閥的開(kāi)閉可實(shí)現(xiàn)采暖功能，當(dāng)需要采暖時(shí)，打開(kāi)熱水閥，使熱水流過(guò)熱交換器加熱空氣，同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)工作，將暖風(fēng)送入車廂內(nèi)。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　汽車空調(diào)控制系統(tǒng)硬件主要包括如下幾個(gè)部分：電源電路、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示屏及按鍵電路、電磁閥控制電路和溫度傳感器數(shù)據(jù)采集等。

　　2.1 STCI2CSA60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　STCI2CSA60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)要快8~12倍。該單片機(jī)工作電壓為5V，有44個(gè)通用I/O口，片上集成1280字節(jié)的RAM，共4個(gè)16位定時(shí)器，3個(gè)時(shí)鐘輸出口，7路外部中斷I/O口，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，主要針對(duì)電機(jī)控制、強(qiáng)干擾等場(chǎng)合。

　　2.2執(zhí)行器控制

　　2.2.1風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

　　圖2為風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，這是一個(gè)1/4橋MOS管驅(qū)動(dòng)電路。在接通時(shí)，可以將MOS管的Ugs維持在10 V以圖1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路《汽車電器》2014年第6期上，使得MOS管的阻值可以降到最低，而損耗比8.5 V時(shí)降低10%左右，讓電路可以長(zhǎng)時(shí)間工作在0~100%占空比下而不發(fā)熱。C5的作用主要有兩點(diǎn)：第一，吸收干擾并且降低開(kāi)通速度，但關(guān)斷速度基本維持不變，這是減小門級(jí)高頻震蕩同時(shí)也作為同步續(xù)流驅(qū)動(dòng)的安全措施之一;第二，降低開(kāi)通速度，降低dv/dt，減少耦合到對(duì)管門級(jí)上的電壓，可避免極端情況下對(duì)管的誤開(kāi)啟（極端情況指大功率電機(jī)缺相、突然卡死等）。R4用于限流，防止開(kāi)通速度過(guò)快，造成Uds振鈴進(jìn)而Uds超壓擊穿。利用STC12C5A60S2單片機(jī)的硬件PWM功能，在不占用單片機(jī)軟件資源的情況下，從P1.3輸出不同占空比的PWM波形，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制電機(jī)兩端的平均積分電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PWM波頻率為30 kHz，超出人耳聽(tīng)覺(jué)范圍，可以起到有效減小噪聲的作用。

　　2.2.2伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向控制

　　伺服電機(jī)電路中采用L293芯片。L293采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。L293每個(gè)電機(jī)有3個(gè)控制信號(hào)：EN12、IN1、IN2，其中，EN12為使能信號(hào)，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)。IN1、IN2可以用來(lái)設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，在使能信號(hào)為1（高電平）的情況下，當(dāng)其輸入信號(hào)分別為1（高電平）、0（低電平）時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整，將PWM連接至EN12引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖3為伺服電機(jī)工作電路圖。1，2EN為使能信號(hào)輸入端，對(duì)應(yīng)EN12;1 A、2 A為方向信號(hào)輸入端，對(duì)應(yīng)IN1、IN2，分別同單片機(jī)兩個(gè)I/O口相接;1Y、2Y為信號(hào)輸出端。

　　2.3溫度數(shù)據(jù)采集

　　為了進(jìn)行溫度信號(hào)的測(cè)量及反饋調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)中采用型號(hào)為DS1820的溫度傳感器。傳感器有3個(gè)引腳，分別為GND、DQ、VDD。DQ為單線應(yīng)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，信息經(jīng)過(guò)該單線接口送入和送出。讀寫和完成溫度變換所需電源可由數(shù)據(jù)線本身提供，不再需要外部電源。DS1820通過(guò)門開(kāi)通期間內(nèi)低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的適中周期個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量溫度，其中，門開(kāi)通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定。DQ引腳同單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換I/O口P1.1連接，為了保證傳感器在其有效變換期內(nèi)有足夠的電流驅(qū)動(dòng)，在該I/O口上使用MOS管使其上拉至電源。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　汽車空調(diào)控制軟件部分采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，Kei1C51軟件進(jìn)行編譯。當(dāng)汽車起動(dòng)時(shí)，ECU上電，讀入上次斷電前存入EEPROM的空調(diào)狀態(tài)信息，初始化控制器到上次關(guān)機(jī)前狀態(tài)。顯示面板上的開(kāi)關(guān)按鍵可以啟動(dòng)空調(diào)，乘客根據(jù)需要設(shè)定溫度、風(fēng)力、模式等

　　3.1主程序流程圖

　　圖4為本文控制系統(tǒng)主程序流程。其中，執(zhí)行器控制模塊分別包括風(fēng)機(jī)、伺服電機(jī)、電磁閥、壓縮機(jī)幾個(gè)部分的控制。系統(tǒng)為5級(jí)風(fēng)量控制，上電后，屏幕初始化，空調(diào)開(kāi)關(guān)按鍵按下后，風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，風(fēng)量初始設(shè)定為1級(jí)。根據(jù)按鍵設(shè)定信號(hào)，執(zhí)行器模塊工作，同時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣，直到采樣值滿足設(shè)定要求。

　　3.2模式控制子程序

　　系統(tǒng)中出風(fēng)模式以及除霜模式通過(guò)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度及其轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。模式控制流程如圖5所示。由于采樣的設(shè)定為每一個(gè)設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行一次采樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不能很精確地達(dá)到設(shè)定的位圖3伺服電機(jī)工作電路圖圖4主程序控制流程圖5模式控制流程置，因此需要設(shè)定一個(gè)Δ值，使電機(jī)在±Δ范圍內(nèi)能停轉(zhuǎn)。同時(shí)，Δ能夠允許電機(jī)輸出的電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，從而起到抗干擾的作用。

　　4應(yīng)用現(xiàn)狀

　　該系統(tǒng)已形成第一代樣品（圖6），并在浙江麗水地區(qū)某汽車空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)，在模擬小型家用轎車工況下進(jìn)行了試運(yùn)行，工作過(guò)程穩(wěn)定，溫度控制準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。STC12C5A60S2單片機(jī)在汽車諸多部位得到實(shí)際應(yīng)用，如：車輛報(bào)站系統(tǒng)、倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、汽車車燈控制系統(tǒng)、電動(dòng)車充電系統(tǒng)等部位有相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用。下一步將對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)空調(diào)控制面板外觀進(jìn)行美化，形成初期產(chǎn)品，并投入生產(chǎn)，預(yù)計(jì)將取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化作出了貢獻(xiàn)。隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，本研究對(duì)汽車空調(diào)智能化的推進(jìn)將產(chǎn)生積極影響。

　　5小結(jié)

　　試驗(yàn)表明，基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)，當(dāng)供電電壓在9~16 V范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)的主要電氣性能正常，控制器顯示精度在1℃以內(nèi)，各風(fēng)門的位置度控制在±1.5°，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)溫度較為穩(wěn)定的控制，能達(dá)到精度控制要求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能為乘客提供一個(gè)舒適的乘車環(huán)境。