畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于AT89C51單片機(jī)的車載空調(diào)自動(dòng)控制設(shè)計(jì).doc

i 摘摘 要要 隨著生活水平的逐步提高，人們對(duì)出行、乘車環(huán)境的要求也越來越高。人們 總是希望車輛在任何環(huán)境條件下即使在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低的情況下，都可以滿足人 體舒適性的要求，所以需要制冷效果更好的空調(diào)系統(tǒng)。然而現(xiàn)在國產(chǎn)汽車的車載 空調(diào)控制器普遍采用手動(dòng)機(jī)械控制方式，大大落后于國際水平，限制了汽車工業(yè) 的發(fā)展。本文針對(duì)實(shí)現(xiàn)車載空調(diào)的自動(dòng)控制這一問題進(jìn)行了一系列研究。利用模 糊控制理論對(duì)車載空調(diào)車室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，能較為精確地控制車 內(nèi)溫度，滿足人體舒適性的要求。 該系統(tǒng)主要由主控制單元和輸入輸出控制單元及外圍電路組成，控制單元采 用 atmel 公司的 at89c51 單片機(jī)作為系統(tǒng) cpu，對(duì)溫度、濕度及二氧化碳濃度等 環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并且對(duì)風(fēng)門電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)等設(shè)備實(shí)施控制。同時(shí)利用模 糊控制技術(shù)對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算，利用蘇州創(chuàng)高電子有限公司生產(chǎn)的 專用的汽車液晶顯示器顯示系統(tǒng)信息。 本系統(tǒng)可以對(duì)車內(nèi)通風(fēng)、取暖、制冷、加濕等功能進(jìn)行智能控制，并且可以 直觀的顯示車載空調(diào)的工作狀態(tài)及數(shù)字信息。在實(shí)際中可以將本系統(tǒng)進(jìn)行廣泛的 應(yīng)用和推廣。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字 ： 車載空調(diào) 單片機(jī) 智能控制 空氣質(zhì)量 溫度 模糊控制 ii abstractabstract now the domestically produced automobile air conditioning controller falls behind greatly the international level. this article has conducted a series of research in view of the realization automobile air conditioning automatic control question. users the fuzzy control theory to carry on the intelligent control to the automobile air indoor temperature governing system. the fuzzy control method can precisely control the temperature of the vehicle and satisfy the human body comfortable request. this system has the main control unit and input-output control unit and the external circuit, a control unit atmels at89c51 scm as a system cpu, the temperature, humidity and co2 concentration, and other environmental parameters are monitored, and the throttle motor, blower electrical equipment, such as the implementation of control. at the same time using a high-suzhou electronic co., ltd. for the production of liquid crystal display vehicle information display system. this system can on the vehicle ventilation, heating, refrigeration, humidification, and other functions of intelligent control and can direct the air-conditioned buses will be the work of state and digital information emerged. in practice, this system can be widely used and promoted. keywordskeywords ： air conditioner in automobile single chip microcomputer intelligent control air quality degree fuzzy control i 目目 錄錄 第第 1 1 章章 緒緒 論論1 1.1 引言 1 1.2 車載空調(diào)的發(fā)展歷史.2 1.3 國內(nèi)外車載空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀.3 1.3.1 我國車載空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀.3 1.3.2 國外車載空調(diào)的發(fā)展?fàn)顩r.4 1.4 課題的研究內(nèi)容和主要工作.6 第第 2 2 章章 車載空調(diào)系統(tǒng)的介紹及總體設(shè)計(jì)車載空調(diào)系統(tǒng)的介紹及總體設(shè)計(jì).8 2.1 車載空調(diào)的功能.8 2.2 車載空調(diào)系統(tǒng)原理.8 2.2.1 車載空調(diào)系統(tǒng)基本工作原理.8 2.2.2 車載空調(diào)系統(tǒng)的總成結(jié)構(gòu)10 2.3 車載空調(diào)制冷加熱處理的原理分析14 2.4 對(duì)車載空調(diào)系統(tǒng)的控制16 2.5 車載空調(diào)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)17 2.6 本章小結(jié)19 第第 3 3 章章 車載空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)車載空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).20 3.1 車載空調(diào)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖 .20 3.1.1 單片機(jī)的選擇及特點(diǎn) .21 3.1.2 最小系統(tǒng)的組成 .23 3.2電源電路23 3.3 信號(hào)采集電路 .23 3.3.1 a/d 轉(zhuǎn)換及 a/d 轉(zhuǎn)換器 tlc1543 24 ii 3.3.2 tlc1543 與 51 系列單片機(jī)接口.26 3.3.3 電壓及溫度檢測(cè)電路 .27 3.4 人機(jī)通道的設(shè)計(jì) .28 3.4.1 ocm4x8c 液晶顯示模塊29 3.4.2 按鍵接口電路 .30 3.5 復(fù)位及看門狗電路 .31 3.6 外圍負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電路 .35 3.6.1 直流電機(jī)的控制 .36 3.6.2 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 .37 3.7 本章小結(jié) .39 第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及控制算法系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及控制算法40 4.1 軟件設(shè)計(jì)概述 .40 4.2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) .42 4.3 主要軟件功能的實(shí)現(xiàn) .43 4.4 模糊控制算法在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用 .52 4.4.1 模糊控制系統(tǒng)基本原理 .52 4.4.2 模糊控制的特點(diǎn) .54 4.4.3 模糊控制器的設(shè)計(jì) .55 4.5 本章小結(jié) .58 第第 5 5 章章 抗干擾措施抗干擾措施59 5.1 硬件抗干擾措施 .59 5.2 軟件抗干擾措施 .61 5.2.1 軟件干擾對(duì)控制系統(tǒng)可能造成的危害 .61 5.2.2 軟件抗干擾設(shè)計(jì)的幾個(gè)措施 .62 5.3 本章小結(jié) .65 總總 結(jié)結(jié).66 致致 謝謝.錯(cuò)誤！未定義書簽。錯(cuò)誤！未定義書簽。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).68 1 第第 1 1 章章 緒緒 論論 1.11.1 引言引言 汽車是現(xiàn)今社會(huì)中的主要交通工具之一。以我國為例，近幾年汽車發(fā)生了井 噴式的增長速度，目前幾乎所有的汽車都安裝了空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)，即空氣調(diào)節(jié)， 包括供暖、制冷、增減空氣濕度、調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量等等。在汽車上安裝車載空調(diào)可 以為乘員提供舒適的車內(nèi)環(huán)境，減少疲勞感，還能預(yù)防或去除附在擋風(fēng)玻璃上的 霧、霜或雪，以確保駕駛員的視野清晰與行使安全。在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，車載 空調(diào)系統(tǒng)性能的好壞，也成為評(píng)價(jià)汽車檔次的重要因素之一。 車內(nèi)空氣參數(shù)主要是指汽車室內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、流動(dòng)速度、空氣的含塵 量、噪音、二氧化碳的含量、壁面溫度等。這些參數(shù)對(duì)人體的健康、舒適性有一 定的影響，因此要求將其控制在一定范圍內(nèi)。手動(dòng)控制的空調(diào)系統(tǒng)無法根據(jù)室外 空氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷以及室內(nèi)人體散熱等因素的變化 及時(shí)地對(duì)汽車內(nèi)的空氣狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制質(zhì)量也不很理想，并且手動(dòng)控制需要 駕駛員人工操作，這顯然加大了駕駛員的工作量。 然而，當(dāng)前只有豪華大客車安裝了微機(jī)控制的空調(diào)系統(tǒng)，而一般的大中型客 車上的空調(diào)還是功能不夠齊全的手動(dòng)控制的空調(diào)系統(tǒng)或電控的空調(diào)系統(tǒng)，手動(dòng)和 電控空調(diào)在功能上和使用上的缺點(diǎn)暴露得越來越明顯，例如操作不方便，安全性 不好，不能很好地調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣，對(duì)乘客的觀光旅游，學(xué)習(xí)及駕駛員的工作不利， 所以為了滿足人們外出觀光旅游的需求，從市場(chǎng)方面要求，希望汽車空調(diào)裝置能 夠進(jìn)一步應(yīng)用在普通的大中型客車上，同時(shí)空調(diào)能夠進(jìn)一步降低成本，提高燃油 經(jīng)濟(jì)性；空調(diào)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，智能化；從乘客和駕駛員方面要求，車 內(nèi)溫度要合理分布，要求操作簡便，空調(diào)裝置應(yīng)向全季節(jié)型發(fā)展。由此看來，客 車空調(diào)智能控制系統(tǒng)即客車空調(diào)控制器的開發(fā)，能夠改善工作條件，提高舒適性， 而且對(duì)提高客車等級(jí)從而提高客車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有重要的意義，可廣泛用于大 2 中型客車。 1.21.2 車載空調(diào)的發(fā)展歷史車載空調(diào)的發(fā)展歷史 汽車空調(diào)裝置的出現(xiàn)始于 20 世紀(jì) 20 年代，當(dāng)時(shí)其裝置很簡單，包括一個(gè)加 熱器，一個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)和一個(gè)空氣過濾器，承擔(dān)了在冬季向乘客供暖和為風(fēng)窗玻璃 除霜的任務(wù)。然而嚴(yán)格地說，它只能算是一個(gè)單一的取暖器。裝有制冷機(jī)的轎車 于 1940 年由美國的一個(gè)公司推出。 第二次世界大戰(zhàn)后，汽車空調(diào)開始了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。1954 年，第一臺(tái)冷暖一 體化整體式空調(diào)設(shè)備安裝在美國的小汽車上。1960 年，有冷氣的汽車空調(diào)裝置開 始普及，并逐步推廣到客車上。1964 年，第一臺(tái)自動(dòng)控溫的汽車空調(diào)裝置出現(xiàn)于 美國的轎車上。到 1979 年，美國和日本共同推出了微機(jī)控制的空調(diào)系統(tǒng)，標(biāo)志著 汽車空調(diào)裝置已進(jìn)入第 5 代產(chǎn)品。20 世紀(jì) 80 年代以后，隨著環(huán)保和節(jié)能呼聲的 高漲，工業(yè)發(fā)達(dá)國家紛紛投巨資進(jìn)行新型制冷劑和制冷系統(tǒng)的研究，并取得較大 進(jìn)展。特別是 20 世紀(jì) 90 年代以來，每年都有幾十種新型空調(diào)器專利出現(xiàn)，而對(duì) 現(xiàn)有空調(diào)裝置零部件的改進(jìn)更是數(shù)不勝數(shù)。目前，汽車空調(diào)裝置的裝車率已達(dá) 80%90%，旅游客車上則高達(dá) 100%。由此可見，空調(diào)裝置已經(jīng)開始成為汽車的標(biāo) 準(zhǔn)裝備，汽車空調(diào)裝置已成為汽車技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要組成部分。 1988 年，美國生產(chǎn)的汽車(包括轎車、客車和其他車輛)就有 90.3%裝備了空 調(diào)系統(tǒng)，到 1993 年，上升到 94%。而我國在這方面起步較晚，從上世紀(jì) 60 年代 初，才開始在紅旗轎車上安裝空調(diào)。不過近年來我國車載空調(diào)發(fā)展速度很快，截 止到現(xiàn)在，國內(nèi)轎車上 90%裝有空調(diào)系統(tǒng)，在工程車、旅游車及城市公交車上也 開始大量安裝空調(diào)系統(tǒng)。 隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展、生活水平的提高，舊式的手動(dòng)模擬輸入簡單空調(diào) 控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足高檔汽車消費(fèi)的要求，所以產(chǎn)生了要求生產(chǎn)自動(dòng)控制空調(diào) 的生產(chǎn)研究課題。該課題的研究成果不僅會(huì)在自行設(shè)計(jì)開發(fā)自動(dòng)空調(diào)項(xiàng)目上取得 階段性勝利，而且還會(huì)使我們積累大量汽車空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)， 因此車載空調(diào)系統(tǒng)的研究成果，將會(huì)對(duì)以后的新車開發(fā)研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)， 同時(shí)也會(huì)推動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)在國內(nèi)汽車中的廣泛應(yīng)用，并為我們國家在車載空調(diào) 自動(dòng)控制領(lǐng)域中打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 3 1.31.3 國內(nèi)外車載空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外車載空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.11.3.1 我國車載空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀我國車載空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀 汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著我國加入世貿(mào)組織，國外各大汽車集 團(tuán)紛紛進(jìn)入我國市場(chǎng)，大大加快了我國汽車工業(yè)的發(fā)展。我國的汽車工業(yè)發(fā)展較 晚，在汽車發(fā)展的早期，主要以發(fā)展載貨車為主，汽車空調(diào)一直處于空白狀態(tài)。 到了 60 年代，曾經(jīng)有利用汽車尾氣溫度來取暖的供熱系統(tǒng)，并在 60、70 年代生 產(chǎn)的轎車上應(yīng)用。80 年代初期，我國從西方國家購入用于降溫的汽車制冷系統(tǒng)， 裝在我國生產(chǎn)的紅旗、上海伏爾加等轎車上，發(fā)展成單一的降溫空調(diào)。在此基礎(chǔ) 上，我國汽車生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展并生產(chǎn)出了手動(dòng)冷暖一體的汽車空調(diào)。手動(dòng)汽車空調(diào) 需要人工操縱，這顯然增加了駕駛?cè)藛T的工作量，同時(shí)，控制質(zhì)量也不理想。隨 著微處理器技術(shù)和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，微電腦在國外汽車工業(yè)中的運(yùn)用越來越 普遍，并成了一種趨勢(shì)和潮流，我國也相繼研發(fā)自動(dòng)控制的空調(diào)。 目前，我國汽車上最常見的幾種空調(diào)有：手動(dòng)調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)、電動(dòng)調(diào)節(jié)空 調(diào)系統(tǒng)、全自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)等。從市場(chǎng)占有情況看，由于目前大多數(shù)汽車空調(diào)生產(chǎn) 未上規(guī)模，加上汽車空調(diào)種類繁多，國內(nèi)汽車空調(diào)銷售市場(chǎng)僅為幾家所壟斷。其 中上海德爾福汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的愛斯牌汽車空調(diào)為別克、帕薩特、桑 塔納等車型配套；一汽杰克賽爾汽車空調(diào)有限公司生產(chǎn)的空調(diào)主要為奧迪、紅 旗轎車及解放牌卡車等車型配套；湖北沙市電工儀表集團(tuán)公司生產(chǎn)為東風(fēng)汽車公 司、神龍富康汽車公司配套的載貨車空調(diào)和富康轎車空調(diào)；空調(diào)國際（上海）有 限公司主要為依維柯、金杯等品牌配套的面包車、大客車空調(diào)；廣州豪華空調(diào)有 限公司生產(chǎn)了為海南馬自達(dá)、奧拓、廣州本田、長安之星等配套的車用空調(diào)。比 較而言，國內(nèi)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)要稍遜一些。廣州標(biāo)致轎車空調(diào)的電子控制系 統(tǒng)根據(jù)車內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、蒸發(fā)器溫度、送風(fēng)溫度及人為設(shè)定值、通過控制風(fēng) 機(jī)轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)離合器的開、合及熱水閥閥口大小來進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。奧迪 100 轎 車的空調(diào)系統(tǒng)模式風(fēng)門是手控的，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由繼電器控制，壓縮機(jī)離合根據(jù)蒸 發(fā)器溫度控制。奧拓轎車空調(diào)就更為簡單，沒有舒適性控制用的傳感器，靠人為 控制室溫。車室內(nèi)的送風(fēng)溫度的分布是很不均勻的，并且均勻分布的溫度場(chǎng)也會(huì) 4 由于人的舒適感不同而產(chǎn)生舒適性 差異。對(duì)此有人研究針對(duì)前排、后排車座的雙蒸發(fā)器運(yùn)行情況，并進(jìn)行相應(yīng)的控 制。還有人針對(duì)司機(jī)和乘客的個(gè)體舒適性差異，對(duì)不同的出風(fēng)口進(jìn)行單獨(dú)控制。 通過控制壓縮機(jī)啟、停，調(diào)節(jié)車室內(nèi)的溫度，也需要進(jìn)行相應(yīng)的控制才能達(dá)到更 優(yōu)。 國內(nèi) 80 年代就參加到模糊控制領(lǐng)域的研究討論當(dāng)中，到了 90 年代和最近幾 年，已經(jīng)在模糊控制等智能控制領(lǐng)域得到了較成熟的發(fā)展。在理論研究方面，國 內(nèi)研究涉及了基于傳統(tǒng) pid 的模糊控制，基于神經(jīng)模糊網(wǎng)絡(luò)模糊控制和時(shí)空混沌 的自適應(yīng)模糊控制等?？梢哉f國內(nèi)的理論研究已經(jīng)朝縱深發(fā)展，理論體系也比較 完善。而根據(jù)近幾年的研究發(fā)展可以看到，大量的研究都嘗試采取新型的自適應(yīng) 進(jìn)化算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和模糊控制相結(jié)合應(yīng)用。 而在實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域，模糊控制在近幾年幾乎涉及到各個(gè)重、輕工業(yè)領(lǐng)域。在 空調(diào)制冷系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)和各種家庭小電器中都可以看見用模糊控制方法實(shí) 現(xiàn)優(yōu)化處理的應(yīng)用文章。對(duì)于汽車空調(diào)的算法，國內(nèi)外也有許多相關(guān)的研究。 mitsul 曾用 pid 控制器對(duì)汽車空調(diào)運(yùn)行進(jìn)行控制，該控制器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電子膨 脹閥和壓縮機(jī)，根據(jù)蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度之差，用 pid 控制器對(duì)電子膨脹閥的閥 口開度進(jìn)行控制。與熱力膨脹閥控制相比，能取得較好的效果。而采用模糊控制 方法的也有相關(guān)報(bào)道，但是并沒有形成統(tǒng)一成型的模糊控制方法，甚至只是一些 嘗試，需要更深入地進(jìn)行研究和應(yīng)用。 從國內(nèi)汽車空調(diào)技術(shù)水平來看，盡管我國汽車空調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)水平有了 大幅度提高，但其技術(shù)含量仍低于國際先進(jìn)水平，我國汽車空調(diào)面臨著產(chǎn)品升級(jí) 換代的問題。隨著我國汽車配件市場(chǎng)的逐步開故，國內(nèi)汽車空調(diào)面臨國外汽車空 調(diào)專業(yè)生產(chǎn)廠家的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，國內(nèi)汽車空調(diào)生產(chǎn)如何走上專業(yè)化、規(guī)模化 經(jīng)營之路，將成為我國未來幾年汽車空調(diào)業(yè)迫切需要解決的問題。 1.3.21.3.2 國外車載空調(diào)的發(fā)展?fàn)顩r國外車載空調(diào)的發(fā)展?fàn)顩r 長期以來，國外的許多相關(guān)廠家一直致力于汽車空調(diào)的改進(jìn)與新產(chǎn)品的研制， 并且投入了大量的人力物力，同時(shí)得益于微機(jī)控制、微電子技術(shù)的發(fā)展，取得了 5 相當(dāng)?shù)某删汀Ｄ壳?，美國生產(chǎn)的客車 12%裝備了自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，只要預(yù)先調(diào)好溫 度，機(jī)器就能自動(dòng)地在調(diào)定的溫度范圍內(nèi)工作，有 82%的客車裝備了手動(dòng)空調(diào)系 統(tǒng)。美 國通用汽車公司和日本五十鈴汽車公司（后合并到三菱集團(tuán)）一起聯(lián)合研究微機(jī) 控制的客車空調(diào)系統(tǒng)，將客車空調(diào)技術(shù)推到一個(gè)新的高度。法國路易斯公司開發(fā) 出了頭部和腳部溫度能分別調(diào)節(jié)的空調(diào)裝置。歐洲，日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家的 汽車公司也相繼開發(fā)出各自的自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。 國外一些大汽車公司的汽車空調(diào)系統(tǒng)代表了全自動(dòng)空調(diào)的最高水平美國通用 汽車公司 1964 年率先在轎車上應(yīng)用自控汽車空調(diào)，開辟了自控汽車空調(diào)裝置階段 的先河。自控汽車空調(diào)只需預(yù)先設(shè)定溫度控制，自動(dòng)保持在溫度范圍內(nèi)工作。裝 置根據(jù)傳感器隨時(shí)檢測(cè)車內(nèi)外溫度，自動(dòng)地調(diào)控裝置各部件工作，達(dá)到控制車內(nèi) 溫度和行使其他功能的目的，通用汽車公司某型轎車車身計(jì)算機(jī)模塊（bcm）控制 的空調(diào)系統(tǒng)是較典型的自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)。該模塊監(jiān)視高壓管路、低壓管路的溫度以 及儲(chǔ)液干燥器的壓力及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫等信號(hào)。如果系統(tǒng)不在設(shè)定的范圍內(nèi)工作， bcm 將壓縮機(jī)電磁離合器脫離。該系統(tǒng)用一個(gè)雙向電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)混合風(fēng)門開度，并 用 5 個(gè)操縱機(jī)構(gòu)分別控制各個(gè)模式風(fēng)門和加熱器熱水閥，還用功率模塊控制鼓風(fēng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)駕駛員輸入的溫度、車室內(nèi)外溫度及制冷劑低壓管路溫度，bcm 計(jì)算出氣流分送模式，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及混合風(fēng)門開度，然后進(jìn)行相應(yīng)的控制。 日本豐田某型轎車自動(dòng)空調(diào)監(jiān)測(cè)車內(nèi)外溫度、蒸發(fā)器溫度、冷卻水水箱溫度 以及陽光輻射強(qiáng)度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等參量，通過控制壓縮機(jī)磁吸、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度 混合風(fēng)門、內(nèi)外流循環(huán)風(fēng)門和模式風(fēng)門的伺服電機(jī)，進(jìn)行車室溫度調(diào)節(jié)。該空調(diào) ecu（電子控制單元）首先計(jì)算送風(fēng)溫度，并根據(jù)送風(fēng)溫度控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、混合風(fēng) 門開度、壓縮機(jī)啟停及送風(fēng)模式。 另外，模糊控制在國外發(fā)展非常迅速，在 ieee 上有關(guān)于模糊系統(tǒng)的專刊，而 且定期舉行模糊系統(tǒng)協(xié)會(huì)國際會(huì)議。在歐美、日本等地，模糊控制理論迅速應(yīng)用 到了商業(yè)產(chǎn)品中去，其中就包括日本把模糊控制成功應(yīng)用到地鐵和各種家電產(chǎn)品 的實(shí)例。 現(xiàn)在國外的模糊控制理論研究基本上在每個(gè)領(lǐng)域上都取得了成功，其中包括 工業(yè)溫度控制，大型空調(diào)系統(tǒng)控制和電冰箱溫度控制等。在多輸入、輸出非線性 6 系統(tǒng)領(lǐng)域中取得了驕人的成功，突破了傳統(tǒng)控制方法的局限。國外空調(diào)控制領(lǐng)域 也朝著模糊控制的方向發(fā)展。 1.41.4 課題的研究內(nèi)容和主要工作課題的研究內(nèi)容和主要工作 本課題是設(shè)計(jì)一個(gè)基于微機(jī)的汽車空調(diào)電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由主控制單元和 輸入輸出控制單元及外圍電路組成，并具有過/欠壓，離合器轉(zhuǎn)速高/低保護(hù)功能。 研究內(nèi)容如下： （1）系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì) 仔細(xì)分析國外先進(jìn)的全自動(dòng)空調(diào)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，借鑒他們的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié) 合我國的實(shí)際情況，進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)。確定改進(jìn)以往的客主空調(diào)控制系統(tǒng)的 溫度設(shè)定，真空操作等部分，以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，開發(fā)出具有風(fēng)口自動(dòng) 轉(zhuǎn)換，溫度范圍可調(diào)，滿足一定濕度及清潔度的空調(diào)控制系統(tǒng)。 （2）控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)采用了 89c51 單片機(jī)為主控單元，還包括模擬信號(hào)采集電路、人機(jī) 接口單元、看門狗電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、加濕器、空氣 凈化器及其操縱機(jī)構(gòu)組成。 （3）模糊控制理論的研究以及模糊控制技術(shù)的應(yīng)用 學(xué)習(xí)模糊控制的基礎(chǔ)，并結(jié)合汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)際情況，將模糊控制技 術(shù)初步用于空調(diào)控制器。 （4）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 軟件主要是指系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)，此外，為了彌補(bǔ)硬件抗干擾能力的不足， 還進(jìn)行了軟件抗干擾的設(shè)計(jì)。 （5）樣機(jī)的試驗(yàn)調(diào)試 進(jìn)行樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，檢驗(yàn)開發(fā)出的樣機(jī)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行是否準(zhǔn)確 可靠。 主要技術(shù)參數(shù)： 1. 蒸發(fā)機(jī)和冷凝機(jī)工作電壓 dc24v，功耗 200w，額定風(fēng)量分別為 1000/h 3 m 和 2100/h； 3 m 7 2. 熔斷器額定電流值 12a； 3. 6 個(gè)功能鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度，除霜等功能的控制； 4. 實(shí)現(xiàn) led 的溫度及風(fēng)向顯示； 5. 工作電壓 22v28v； 6. 車載空調(diào)溫度調(diào)節(jié)范圍 1528（1） 。 8 第第 2 2 章章 車載空調(diào)系統(tǒng)的介紹及總體設(shè)計(jì)車載空調(diào)系統(tǒng)的介紹及總體設(shè)計(jì) 2.12.1 車載空調(diào)的功能車載空調(diào)的功能 汽車空調(diào)具有以下幾個(gè)功能： 1.調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度：這是汽車空凋的基本功能，汽車空調(diào)在冬季利用其采暖裝 置升高車室內(nèi)的溫度，在夏季，車內(nèi)降溫由制冷裝置完成。 2.調(diào)節(jié)車內(nèi)的濕度：普通汽車空調(diào)一般不具有這種功能，只有高級(jí)豪華汽車 采用的冷暖一體化空調(diào)器，才能對(duì)車內(nèi)的濕度進(jìn)行適量的調(diào)節(jié)。它通過制冷裝置 冷卻降溫去除空氣中的水分，再由采暖裝置升溫以降低空氣的相對(duì)濕度，但在汽 車上目前還沒有安裝加濕裝置，只能通過開車窗或通風(fēng)設(shè)施，靠車外新風(fēng)來調(diào)節(jié)。 3.調(diào)節(jié)車室內(nèi)的空氣流速：空氣的流速和方向?qū)θ梭w舒適性影響很大。夏季， 氣流速度稍大，有利于人體散熱降溫，但過大的風(fēng)速直接吹到人體上，也會(huì)使人 感到不舒服。冬季，風(fēng)速大了會(huì)影響人體保溫，因而冬季采暖希望氣流速度盡量 小一些。 4.過濾凈化車內(nèi)空氣：由于車內(nèi)空間小，乘員密度大，車內(nèi)極易出現(xiàn)缺氧和 二氧化碳濃度過高的情況，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中的一氧化碳和道路上的粉塵，野外 有毒的花粉都容易進(jìn)入車內(nèi)，造成車內(nèi)空氣污濁，影響乘員的身體健康，因此必 須要求汽車空調(diào)具有補(bǔ)充車外新鮮空氣，過濾和凈化車內(nèi)空氣的功能。 2.22.2 車載空調(diào)系統(tǒng)原理車載空調(diào)系統(tǒng)原理 2.2.12.2.1 車載空調(diào)系統(tǒng)基本工作原理車載空調(diào)系統(tǒng)基本工作原理 車載空調(diào)的基本功能是通過人為的方法使車廂的溫度降低和升高、從而達(dá)到 9 使人體感到舒適的溫度環(huán)境。高級(jí)汽車空調(diào)還包括對(duì)車廂內(nèi)空氣凈化、控制二氧 化碳 含量和控制空氣濕度等高級(jí)功能。一般汽車空調(diào)系統(tǒng)都可以分為采暖系統(tǒng)和制冷 系統(tǒng)兩部分。如圖 2-1 為汽車空調(diào)制冷循環(huán)圖 圖 2-1 汽車空調(diào)制冷循環(huán)圖 制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器（包括冷凝風(fēng)機(jī)） 、膨脹閥和蒸發(fā)器（包括蒸 發(fā)風(fēng)機(jī)）組成。其制冷原理是利用液態(tài)制冷劑吸熱產(chǎn)生冷效應(yīng)。首先，低壓（低 溫）液態(tài)制冷劑進(jìn)入用來冷卻車內(nèi)空氣的蒸發(fā)器，制冷劑在定壓下吸熱氣化。由 于制冷劑在管內(nèi)氣化時(shí)的溫度低于管外空氣的溫度，因此能自動(dòng)地吸取蒸發(fā)器周 圍空氣中的熱量，使蒸發(fā)器周圍空氣的溫度降低，產(chǎn)生冷效應(yīng)。然后，氣化了的 制冷劑通過壓縮機(jī)壓縮，變成高于車外空氣的高溫高壓氣體。高溫高壓的制冷劑 通過在車室外的冷凝器，發(fā)生液化，將熱量釋放到車外，制冷劑放熱就變成了高 壓(高溫)液態(tài)冷凝劑。最后，經(jīng)過節(jié)流閥，降溫降壓，恢復(fù)到低壓（低溫）液態(tài)。 所以，當(dāng)空調(diào)要進(jìn)行制冷時(shí)，必須開啟壓縮機(jī)使制冷劑循環(huán)，從而降低車內(nèi)溫度。 采暖系統(tǒng)是由暖風(fēng)散熱器、暖水閥和風(fēng)機(jī)組成。由于汽車行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生 大量熱量，一般小型汽車空調(diào)都采用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱采暖。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水通過暖水閥 流入暖風(fēng)散熱器，從而升高通過暖風(fēng)散熱器的空氣。所以，當(dāng)空調(diào)要進(jìn)行加熱時(shí)， 必須開啟暖水閥。 10 2.2.22.2.2 車載空調(diào)系統(tǒng)的總成結(jié)構(gòu)車載空調(diào)系統(tǒng)的總成結(jié)構(gòu) 目前，大多數(shù)客車空調(diào)系統(tǒng)總成采用全功能型，其風(fēng)道系統(tǒng)如圖 2-2 所示。 圖 2-2 冷暖合一型空調(diào) 內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門由內(nèi)外循環(huán)電磁閥控制，當(dāng)內(nèi)外循環(huán)電磁閥閉合時(shí)，汽車空調(diào) 處于內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候只有車內(nèi)回風(fēng)能夠進(jìn)入空調(diào)風(fēng)道。反之，當(dāng)內(nèi)外循環(huán) 電磁閥開時(shí)，空調(diào)處于外循環(huán)狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候不僅僅車內(nèi)回風(fēng)能夠進(jìn)入空調(diào)風(fēng)道， 車外空氣也進(jìn)入空調(diào)風(fēng)道，也就制冷（加熱）處理前空氣是車內(nèi)回風(fēng)和車外新鮮 空氣的混合氣體。 鼓風(fēng)機(jī)由鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速電路控制，其作用是推動(dòng)空氣在空調(diào)風(fēng)道里流動(dòng)，在冷 暖合一型空調(diào)中，它同時(shí)也起了是制冷蒸發(fā)器風(fēng)扇和暖風(fēng)散熱器風(fēng)扇的作用。所 以鼓風(fēng)機(jī)的快慢直接影響到了制冷蒸發(fā)器和暖風(fēng)散熱器的對(duì)流散熱快慢，也就直 接影響到了車內(nèi)空氣的調(diào)節(jié)速度。由于空調(diào)風(fēng)道只有這一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)，所以無論是 哪個(gè)出風(fēng)口風(fēng)速的大小都是由該鼓風(fēng)機(jī)控制。制冷蒸器連接制冷壓縮機(jī)，壓縮機(jī) 由壓縮機(jī)電磁閥控制。壓縮機(jī)電磁閥吸合后，壓縮機(jī)開始工作，蒸發(fā)器就能從流 過的空氣中吸取熱量，從而使空氣降溫。 暖風(fēng)散熱器由暖水電磁閥控制，暖水電磁閥吸合后，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水流過暖風(fēng) 散熱器，這樣就可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行熱交換，將經(jīng)過散熱器的空氣加熱。混 合風(fēng)門開度由混合風(fēng)門電機(jī)控制。風(fēng)向風(fēng)門由風(fēng)向風(fēng)門電機(jī)控制。風(fēng)向風(fēng)門可以 11 控制空調(diào)出風(fēng)口的出風(fēng)方式，也就是控制經(jīng)過處理的空氣從除霜風(fēng)口、下吹風(fēng)口 和前吹風(fēng) 口吹出。 綜上所述，整個(gè)汽車空調(diào)控制系統(tǒng)可以通過六個(gè)受控裝置來控制，它們分別 是內(nèi)外循環(huán)電磁閥、鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速電路、混合風(fēng)門電機(jī)、壓縮機(jī)電磁閥、暖水電磁 閥和風(fēng)向風(fēng)門電機(jī)。 1. 車載空調(diào)的制冷系統(tǒng) 空調(diào)的制冷方式很多，目前實(shí)際應(yīng)用于汽車上的空調(diào)制冷方式，全部為蒸氣 壓縮式制冷方式。汽車空調(diào)蒸氣壓縮式制冷原理圖如圖 2-3 所示。 圖 2-3 蒸氣壓縮式制冷原理圖 1-壓縮機(jī) 2-排氣管 3-冷凝器 4-風(fēng)扇 5、7-高壓液管 6-干燥貯液器 8-膨脹閥 9-低壓液管 10-蒸發(fā)器 11-鼓風(fēng)機(jī) 12-感溫包 13-吸氣管 空氣壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。由壓縮機(jī)排出的高溫、高壓制冷劑蒸氣，通 過高壓軟管進(jìn)入汽車空調(diào)的冷凝器。由于高溫、高壓的制冷劑蒸氣溫度高于車外 的空氣溫度，因此借助冷凝器風(fēng)扇使冷凝器中制冷劑蒸氣的熱量被車外空氣帶走， 使高溫高壓的制冷劑蒸氣冷凝為較高溫度的高壓液體，通過高壓軟管流入干燥貯 液器，經(jīng)干燥和過濾后，流過膨脹閥，在膨脹閥的節(jié)流作用下，制冷劑變?yōu)榈蜏?12 低壓的液體而進(jìn)入汽車空調(diào)的蒸發(fā)器。在定壓下汽化并吸收蒸發(fā)器管外空氣中的 熱量，使流經(jīng)蒸發(fā)器的車內(nèi)循環(huán)空氣的溫度降低為冷氣，通過鼓風(fēng)機(jī)送到車內(nèi)， 降低車內(nèi)的空氣溫度。氣化后的制冷劑蒸氣，由壓縮機(jī)吸入進(jìn)行壓縮，又變成高 溫高壓的制 冷劑氣體，通過高壓軟管壓入汽車空調(diào)的冷凝器中，完成了汽車空調(diào)的一個(gè)制冷 循環(huán)。此循環(huán)周而復(fù)始地進(jìn)行，就可以使車內(nèi)的溫度維持在舒適的狀態(tài)。 由于大型客車的制冷量大，通風(fēng)要求高，所以大型客車上普遍采用獨(dú)立式空 調(diào)制冷系統(tǒng)，獨(dú)立空調(diào)制冷系統(tǒng)采用輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來供應(yīng)制冷系統(tǒng)，例如壓 縮機(jī)，冷凝器和蒸發(fā)器的風(fēng)扇等所需要的動(dòng)力，獨(dú)立式空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷量不 受行車速度的影響而受控于人，停車時(shí)仍然可以進(jìn)行制冷空調(diào)工作。在獨(dú)立式空 調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，本系統(tǒng)中只通過控制壓縮機(jī)的開關(guān)來控制空調(diào) 的制冷。 2. 空調(diào)系統(tǒng)的采暖裝置 車載空調(diào)的取暖系統(tǒng)分為余熱式取暖系統(tǒng)和獨(dú)立式熱源取暖系統(tǒng)，獨(dú)立的熱 源取暖系統(tǒng)又分為獨(dú)立熱源氣暖裝置和獨(dú)立熱源水暖裝置兩種。大客車上通常采 用的是獨(dú)立熱源水暖裝置，水加熱器的最大優(yōu)點(diǎn)就是不僅可作為車廂取暖之用， 而且可以預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)熱潤滑油和蓄電池，便于各季發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和很快轉(zhuǎn)入穩(wěn) 定狀況。待發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定后，再將被加熱的水引向車廂內(nèi)的加熱器供取暖用。 安裝采暖裝置主要有以下作用： （1） 采暖裝置和蒸發(fā)器一起將空氣調(diào)節(jié)到人們舒適溫度，現(xiàn)代客車空調(diào)已 經(jīng)發(fā)展到冷暖一體化裝置，全年地對(duì)車內(nèi)的空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過冷熱風(fēng)的調(diào)合， 溫度由人為設(shè)定，達(dá)到舒適性的要求。 （2）冬季取暖。 （3）車上玻璃除霜。冬天或者春季，室內(nèi)外溫差較大，車上玻璃會(huì)結(jié)霜和起 霧，影響司機(jī)和乘客的視線，不利于行車安全，這時(shí)可以用熱風(fēng)來除霜和除霧。 3. 車載空調(diào)配氣系統(tǒng) 圖 2-4 為客車空調(diào)配氣系統(tǒng)，一般有三部分組成：第一部分為空氣進(jìn)口段， 主要用來調(diào)節(jié)新鮮空氣和室內(nèi)循環(huán)空氣的比例。第二部分為空氣混合段，主要由 加熱器和蒸發(fā)器組成，用來提供所需溫度的空氣；第三部分為空氣分配段，使空 13 氣吹向面部，腳部和玻璃上。本系統(tǒng)中采用直流電機(jī)對(duì)空氣配氣系統(tǒng)的各個(gè)風(fēng)門 擋板進(jìn)行控制，電機(jī)內(nèi)部帶有位置反饋信號(hào)，可以確切的知道風(fēng)門的開度大小， 從而實(shí)施下一步控制。鼓風(fēng)機(jī)也由直流電機(jī)控制。 空調(diào)配氣系統(tǒng)的工作過程如下：新鮮空氣+車內(nèi)循環(huán)空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)空 氣進(jìn)入蒸發(fā)器冷卻由風(fēng)門調(diào)節(jié)進(jìn)入加熱器的空氣進(jìn)入各吹風(fēng)口。 圖 2-4 客車空調(diào)配氣系統(tǒng) 1-風(fēng)機(jī) 2-蒸發(fā)器 3-加熱器 4-腳部吹風(fēng)口 5-面部吹風(fēng)口 6-除霜風(fēng)口 7-加熱器旁通風(fēng)門 8-空氣進(jìn)口風(fēng)門擋板 9-制冷系統(tǒng)進(jìn)液出氣管 10-水閥調(diào)節(jié)進(jìn)出水管 空氣進(jìn)口段的風(fēng)門擋板主要控制新風(fēng)和車內(nèi)回風(fēng)的比例，當(dāng)夏季室外氣溫較 高，冬季室外氣溫較低的情況下，盡量開小風(fēng)門，使壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間減少。當(dāng)汽 車長期運(yùn)行時(shí)，車室內(nèi)的空氣品質(zhì)下降，這時(shí)應(yīng)定期開大風(fēng)門。 加熱器旁通風(fēng)門擋板也稱為混合風(fēng)門擋板主要用于調(diào)節(jié)通過加熱器的空氣量。 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)風(fēng)門擋板，開大旁通風(fēng)門，通過加熱器的空氣量少，由風(fēng)口 4、5 吹出 冷風(fēng)；反之，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)旁通風(fēng)門擋板，關(guān)小旁通風(fēng)門，這時(shí)由風(fēng)口 4、5、6 吹 14 出熱風(fēng)供采暖和除霜用。 4. 與空調(diào)控制相關(guān)的空氣參數(shù) 車載空調(diào)的主要控制對(duì)象是車內(nèi)的空氣，為此必須首先了解空氣的性質(zhì)，然 后才能控制客車空調(diào)中的各種問題。除了溫度以外，濕度和空氣清潔度也是衡量 車內(nèi)空氣質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，空氣清潔度的控制主要是控制車內(nèi)二氧化碳含量。 所以 在對(duì)濕度及二氧化碳含量控制以前必須對(duì)濕度和二氧化碳含量有個(gè)大體的認(rèn)識(shí)。 （1）空氣的濕度 空氣的濕度是指空氣中含水蒸氣量的多少。一般有絕對(duì)濕 度，含濕量和相對(duì)濕度三種表示方法，這里只介紹后兩種。 1）含濕量 濕空氣是由干空氣和水蒸氣組成的。在濕空氣中與 1kg 的干空氣 同時(shí)并存的水蒸氣量稱為含濕量，即： （式 2-1） gq mmd/ 式中， d濕空氣含濕量，單位是 kg/kg 干空氣； 濕空氣中水蒸氣的質(zhì)量，單位為 kg； q m 濕空氣中干空氣的質(zhì)量，單位為 kg。 g m 2） 相對(duì)濕度 在一定溫度下，飽和空氣中的水蒸氣量已達(dá)到最大限度，它 不再具有吸濕能力，即不能再接納水蒸氣。這時(shí)空氣所具有的含濕量稱為該溫度 下濕空氣的飽和含濕量。 相對(duì)濕度是指空氣中水蒸氣分壓力和同溫度下飽和水蒸氣分壓力之比。在空 調(diào)系統(tǒng)中，一般都用相對(duì)濕度來表示空氣中水蒸氣的含量。 （2）空氣中的二氧化碳含量 空氣中主要成分是氧氣和氮?dú)猓硗膺€有二氧化碳和其他稀有氣體。清潔空 氣中的二氧化碳體積含量約占 0.03%，對(duì)人體無害。但如果二氧化碳含量超過一 定的比例，即可使人產(chǎn)生不適感；室內(nèi)空氣二氧化碳在 0. 07%以下時(shí)屬于清潔空 氣，人體感覺良好；當(dāng)濃度在 0.07%至 0.1%時(shí)屬于普通空氣，超過 0.1%時(shí)個(gè)別敏 感者會(huì)感覺有不良?xì)馕叮豢諝庵卸趸己扛嘀粫?huì)導(dǎo)致乘客呼吸困難、窒息， 嚴(yán)重的還會(huì)造成生命危險(xiǎn)，所以在車載空調(diào)控制系統(tǒng)中，也要對(duì)二氧化碳含量的 15 控制。 2.32.3 車載空調(diào)制冷加熱處理的原理分析車載空調(diào)制冷加熱處理的原理分析 全合一空氣混合型全自動(dòng)空調(diào)的空調(diào)系統(tǒng)，它的出氣口空氣是通過將經(jīng)過蒸 發(fā)器降溫后和經(jīng)過暖風(fēng)散熱器升溫后的氣體由混合風(fēng)門調(diào)節(jié)混合所得的。同時(shí)， 上面的分析我們把空調(diào)對(duì)空氣的處理看成理想的熱交換器，車廂內(nèi)一部分空氣吸 入，然后經(jīng)過熱交換后從排風(fēng)口排出相同體積的空氣。所以空調(diào)系統(tǒng)對(duì)空氣的熱 處理可以 分析為將一定量的理想空氣根據(jù)不同的比例分別經(jīng)過與制冷蒸發(fā)器和暖風(fēng)散熱器 的熱交換后再次混合。假設(shè)空氣為理想氣體，在熱力學(xué)定律和交換散熱理論的指 導(dǎo)下可以得出以下公式： hhhhccchcp tvkxtkxqqq （式 2-2） 其中， 經(jīng)過加熱處理前后空氣的熱差； p q 制冷蒸發(fā)器的交換熱； c q 暖風(fēng)散熱器交換熱； h q 代表制冷蒸發(fā)器的開關(guān)(0 或者 1) ； c x 制冷蒸發(fā)器溫度(約為 0 攝氏度)與處理前空氣溫度的差值； c t 代表暖風(fēng)散熱器的開關(guān)(0 或者 1) ； h x 制冷蒸發(fā)器熱交換系數(shù)(約為 0.7) ； c k 暖風(fēng)散熱器熱交換系數(shù)(約為 0.5)； h k 經(jīng)過制冷蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換的氣體體積() ； c v 3 m 經(jīng)過暖風(fēng)散熱器進(jìn)行熱交換的氣體體積() ； h v 3 m 暖風(fēng)散熱器溫度(約為 60 攝氏度)與處理前空氣溫度的差值。 h t 又由于假設(shè)理想氣體，有： =（-） （式 2-3） p q p v p c f t m t 其中： 經(jīng)過處理氣體的總體積()； p v 3 m 16 熱處理后空氣溫度(k 或)； f t 熱處理前空氣溫度(k 或)； m t 又因?yàn)榛旌巷L(fēng)門調(diào)節(jié)空氣混合，所以可以得到: =+=（1-）+ （式 2-4） p v c v h v p v p v 其中，一經(jīng)行加熱處理空氣的比例，理想情況下正比與混合風(fēng)門開，所以， 可以得到空調(diào)處理過程溫度關(guān)系為: =0.7（1-）(0-)+0.5(60-)+ f t m t c x m t h x m t （式 2-5） 2.42.4 對(duì)車載空調(diào)系統(tǒng)的控制對(duì)車載空調(diào)系統(tǒng)的控制 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車上的通風(fēng)和空調(diào)逐步成為必備設(shè)施。汽車空調(diào)的 目的是在任何氣候和行使條件下，能為乘員提供舒適的車內(nèi)環(huán)境，并能預(yù)防或除 去 附在擋風(fēng)玻璃上的霧、霜或冰雪，以確保駕駛員的視野清晰與行使安全。不過汽 車空調(diào)只有制冷、取暖和配氣系統(tǒng)還是不能夠達(dá)到這些目的，要想汽車空調(diào)系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能，必須對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行必要的控制，即必須采 用控制器對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠協(xié)調(diào)工作，從而很好得控制 車內(nèi)空氣質(zhì)量，滿足乘客的舒適行要求，保證汽車行駛的安全性、經(jīng)濟(jì)性。本課 題就是研究和開發(fā)汽車空調(diào)系統(tǒng)的控制器，使空調(diào)能夠進(jìn)行溫度、濕度和清潔度 的控制，滿足乘客的需要，為乘客提供舒適的乘車環(huán)境。 車載空調(diào)系統(tǒng)的控制可以分為制冷系統(tǒng)的控制和空氣側(cè)的控制。對(duì)空氣側(cè)的 控制是目前車載空調(diào)采取的主要策略。在本系統(tǒng)中，以空氣側(cè)的控制為主，以制 冷系統(tǒng)的控制為輔對(duì)空凋系統(tǒng)進(jìn)行控制。對(duì)空氣側(cè)的控制有：控制空氣進(jìn)口風(fēng)門 （內(nèi)/外循環(huán)風(fēng)門）的開度以及空氣凈化器的開關(guān)，改善空氣的清潔度；控制加熱 器旁通風(fēng)門（混合風(fēng)門）的開度，調(diào)節(jié)出風(fēng)溫度；控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出風(fēng)速 度；控制吹頭吹腳風(fēng)門（送風(fēng)方式風(fēng)門）的開度，調(diào)節(jié)出風(fēng)角度，滿足吹頭、吹 腳、除霧除霜；需要加濕的時(shí)候打開加濕閥的開關(guān)，需要減濕的時(shí)候改變混合風(fēng) 門的開度，調(diào)節(jié)空氣的相對(duì)濕度等要求。對(duì)制冷系統(tǒng)的控制，主要是對(duì)壓縮機(jī)的 17 控制，控制壓縮機(jī)的啟動(dòng)和停止來控制溫度。 通過對(duì)車載空調(diào)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)可以發(fā)現(xiàn)，大中型客車上的配氣系統(tǒng)雖然有很多 種，目前最常用的只有空氣混合式和全熱式兩種。但是不管哪種類型的配氣系統(tǒng)， 其控制的風(fēng)門都是相同的，都是通過調(diào)節(jié)混合風(fēng)門的開度來調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣的溫度， 通過調(diào)節(jié)送風(fēng)方式風(fēng)門來改變吹風(fēng)角度，進(jìn)行吹頭，吹腳和除霜，通過調(diào)節(jié)內(nèi)/外 循環(huán)風(fēng)門來改變車內(nèi)空氣的清潔度。通過上面介紹的車載空調(diào)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，結(jié)合 對(duì)前面的空調(diào)的配氣系統(tǒng)的了解，可以看出，不論是對(duì)哪種形式的客車空調(diào)系統(tǒng) 進(jìn)行控制，主要就是控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如風(fēng)門擋板，壓縮機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)以及加 濕閥，空氣凈化器等，從而達(dá)到控制車內(nèi)空氣的溫度，濕度和二氧化碳濃度以及 合適的送 風(fēng)量的目的。 2.52.5 車載空調(diào)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)車載空調(diào)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 本課題所設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng)控制系統(tǒng)是借鑒目前國際、國內(nèi)車用空調(diào)系統(tǒng)制造 商 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)及其設(shè)計(jì)思想，針對(duì)大客車空調(diào)系統(tǒng)，采用先進(jìn)的微 控 制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。圖 2-5 是該控制器的總體框圖。 溫度信號(hào) 濕度信號(hào) 二氧化碳 濃度信號(hào) 各個(gè)風(fēng)門 位置信號(hào) 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 顯示 按鍵 at89c52 各個(gè)風(fēng)門電機(jī) 鼓風(fēng)機(jī)電機(jī) 壓縮機(jī) 加濕器 空氣凈化器 二氧化碳報(bào)警器 18 圖 2-5 車載空調(diào)控制器的總體框圖 系統(tǒng)由 cpu、檢測(cè)電路、人機(jī)接口、驅(qū)動(dòng)控制電路等組成。該系統(tǒng)以 at89c52 為微處理器，將檢測(cè)到的各種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送往處理器進(jìn)行處理，通 過計(jì)算輸出相應(yīng)的控制信號(hào)控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)動(dòng)作，將車內(nèi)空氣控制在 人感覺舒適的范圍，實(shí)現(xiàn)了客車空調(diào)的智能化控制。 本系統(tǒng)對(duì)原來的空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在原來的客車空調(diào)系統(tǒng)中，空氣 進(jìn)口段，空氣混合段以及空氣分配段這三部分的控制是通過鋼絲繩或真空裝置與 汽車儀表盤相連接的，這種控制方法參數(shù)不能預(yù)定，需人工操作，因而控溫精度 較差。 這種人工操作的控制方式在我國客車空調(diào)中使用較多，而國外客車使用較少。本 系統(tǒng)采用小功率的直流電機(jī)對(duì)空氣配氣系統(tǒng)的各個(gè)風(fēng)門進(jìn)行控制，電機(jī)經(jīng)過減速， 內(nèi)部帶有位置反饋信號(hào)，可以確切的知道風(fēng)門開度大小。從而實(shí)施下一步控制。 鼓風(fēng)機(jī)也由直流電機(jī)控制。該空調(diào)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能： 1. 空調(diào)控制。溫度自動(dòng)控制，風(fēng)量控制，運(yùn)轉(zhuǎn)方式的自動(dòng)控制，清潔度的控 制，濕度控制等，滿足車內(nèi)的空調(diào)對(duì)舒適性的要求。具體來說如下： （1）根據(jù)車內(nèi)空氣當(dāng)前的狀況，向各個(gè)風(fēng)門電機(jī)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)并執(zhí)行相應(yīng) 動(dòng)作。 （2）根據(jù)車內(nèi)外的溫度高低，自動(dòng)切斷壓縮機(jī)工作，從而達(dá)到調(diào)節(jié)控制車內(nèi) 溫度的目的。這點(diǎn)對(duì)節(jié)省油耗很重要。 （3） 根據(jù)車內(nèi)的溫度情況，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)電源的開關(guān)時(shí)間來改變鼓風(fēng)機(jī) 的電壓，從而調(diào)節(jié)空調(diào)風(fēng)量。既能滿足人們的舒適性，又能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，尤其 對(duì)大客車空調(diào)系統(tǒng)減少風(fēng)量的經(jīng)濟(jì)意義更為突出。 （4）通過控制加濕器和混合風(fēng)門的開度將汽車內(nèi)空氣的相對(duì)濕度控制在合適 19 的范圍，一般夏天是 55%70%，冬天是 60%75%。當(dāng)濕度超過上限時(shí)，加大混合 風(fēng)門，使通過加熱器的空氣增多。濕度低于下限時(shí)，打開加濕器，對(duì)空氣進(jìn)行加 濕。這是以前的控制系統(tǒng)所沒有的，是本系統(tǒng)的一個(gè)特色。 （5） 在冬天和雨天，除去玻璃上的結(jié)霜和凝霧，以保證駕駛員的安全操作 和乘員的視線清晰。 （6） 控制車內(nèi)二氧化碳濃度并且有二氧化碳報(bào)警，當(dāng)車室內(nèi)的空氣中二氧 化碳濃度超過設(shè)定的上限時(shí)，就進(jìn)行二氧化碳報(bào)警，同時(shí)吸入新鮮空氣，啟動(dòng)空 氣凈化器對(duì)車內(nèi)空氣進(jìn)行凈化。 2. 顯示。在設(shè)定溫度時(shí)顯示設(shè)定的溫度，在其它時(shí)間顯示車內(nèi)的實(shí)際溫度， 同時(shí)顯示吹頭，吹腳，除霜等送風(fēng)方式，以及空氣循環(huán)方式，鼓風(fēng)機(jī)、加熱器和 壓縮機(jī)的工作狀態(tài)等，讓司機(jī)能夠?qū)ぷ鳡顩r了解。 2.62.6 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章首先介紹了車載空調(diào)的基本工作原理，然后介紹了車載空調(diào)的組成和結(jié) 構(gòu)，重點(diǎn)說明了空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，并對(duì)汽車車廂的 熱力學(xué)和空調(diào)制冷加熱原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上為客車空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的 實(shí)際開發(fā)做好了準(zhǔn)備。 20 第第 3 3 章章 車載空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)車載空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.13.1 車載空調(diào)控制車載空調(diào)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖 空調(diào)控制器的硬件原理框圖如圖 3-1 所示。由圖可知，空調(diào)控制器的硬件主 要由鍵盤，顯示器，模擬量信號(hào)檢側(cè)，電源以及控制輸出等幾部分組成。 按鍵 溫度濕度二 氧化碳濃度 信號(hào)量信號(hào) 位置反饋信 號(hào) tlc1543 顯示 x5045 電源 at89c52 控制各 個(gè)電機(jī) 繼電器輸 出信號(hào) 報(bào)警 信號(hào) 21 圖 3-1 控制器硬件系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)采用 atmel 公司的 at89c51 作為系統(tǒng) cpu。控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖 4-1 所示。at89c51 是以 8051 為內(nèi)核的 8 位單片機(jī)，內(nèi)部有 4k 的 rom，可以滿足 控制系統(tǒng)的需要，不再擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器;擴(kuò)展 led 顯示和鍵盤等人機(jī)接口，可以顯 示車廂內(nèi)溫度，用戶通過鍵盤設(shè)置工作參數(shù);at93c66 是三線制 microwire 總線的 串行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它是可以電擦除的非易失性 eeprom，用于存儲(chǔ)控制表格和用戶 設(shè)置的工作參數(shù);溫度傳感器采用三個(gè)單總線數(shù)字式溫度傳感器 d51820，分別測(cè) 量蒸發(fā)器表面溫度、車外環(huán)境溫度和車廂內(nèi)的溫度。 3.1.13.1.1 單片機(jī)的選擇及特點(diǎn)單片機(jī)的選擇及特點(diǎn) 隨著單片機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，單片機(jī)的種類越來越多，一種微控制器的選擇 需要從多個(gè)方面考慮，首先，必須根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，在滿足功能要求的前提 下，優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)成；其次，要想使用某種微控制器設(shè)計(jì)好一個(gè)系統(tǒng)，必須對(duì)這 種微控制器本身及其系統(tǒng)比較熟悉；最后，開發(fā)設(shè)備和產(chǎn)品的供貨渠道以及成本 要求也確定能否采用某種產(chǎn)品。 本系統(tǒng)采用 atmel 公司的 at89c51 作為系統(tǒng) cpu，主要原因是： （1）由于它是以 8031 為核心構(gòu)成的，所以它與 mcs51 系列單片機(jī)是兼容的， 這對(duì)于熟悉 mcs51 系列的廣大用戶來說用 at89 系列單片機(jī)取代 51 系列進(jìn)行系統(tǒng) 設(shè)計(jì)是輕而易舉的； （2）內(nèi)含 flash 存儲(chǔ)器，可以承受 1 萬次寫/擦循環(huán)。這在系統(tǒng)的開發(fā)過程 中，可隨意進(jìn)行程序修改，既便錯(cuò)誤編程之后仍可以重新編程，故不存在廢品且 大大縮短了程序的開發(fā)周期；同時(shí)在系統(tǒng)工作過程中能有效地保存數(shù)據(jù)信息（數(shù) 據(jù)保存期 10 年） ； （3）采用該芯片的另一個(gè)重要原因是空調(diào)控制器的箱體尺寸一定，要求該智 22 能控制器體積非常精巧，而本課題所采用的 cpu 芯片確實(shí)能夠在保證功能的前提 下盡量做到空間體積的最優(yōu)化：自帶 8k 的 rom，完全可以滿足系統(tǒng)程序的存儲(chǔ)容 量，不必再擴(kuò)展系統(tǒng)；芯片內(nèi)含 256 個(gè)字節(jié)的 ram，也可以省卻 ram 的擴(kuò)展； 除此之外，at89c51 單片機(jī)還具有以下一些特點(diǎn)，了解這些功能可以很好的對(duì) 外圍電路進(jìn)行優(yōu)化和配置： （1）一個(gè) 8 位的微處理器 cpu； （2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。256 字節(jié) ram，用于存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的 中間結(jié)果，最終結(jié)果以及要顯示的數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)含有 8k 字節(jié)可重編程閃速程序存儲(chǔ)器，可以存放程序，一些原始 數(shù)據(jù)和表格； （4）四個(gè) 8 位并行 i/o(輸入/輸出)接口 p0p3，每個(gè)口可以用作輸入，也 可以用作輸出； （5）三個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式， 用 以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，比可以根據(jù)計(jì)數(shù)或者定時(shí)的結(jié) 果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制； （6）一個(gè) 6 向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)； （7）一個(gè)全雙工串行口，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和單片機(jī)或其他微機(jī)之間的串行通 訊； （8） 2.76v 的操作范圍； （9） 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) mcs-51 系列單片機(jī)指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容； （10） 一個(gè)精密模擬比較器，六個(gè)中斷源。 at89c51 管腳圖，如圖 3-2。 23 圖 3-2 at89c51 管腳圖 圖 3-2 at89c51 管腳圖 3.1.23.1.2 最小系統(tǒng)的組成最小系統(tǒng)的組成 單片機(jī)系統(tǒng)包括程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，低位地址鎖存器，地址譯碼電路 以 及 i/o 擴(kuò)展電路等。由于單片機(jī) at89c52 內(nèi)部集成了計(jì)算機(jī)的基本功能部件，已 具備了很強(qiáng)的功能，一塊芯片電路就是一個(gè)基本的微機(jī)系統(tǒng)，相當(dāng)于一個(gè) 8031，74ls373，2716 等組成的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，并且片內(nèi) 256 字節(jié)的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器，已基本滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所需，同時(shí)軟件優(yōu)化的計(jì)算方法，減少了對(duì)數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量的要求，所計(jì)算的數(shù)據(jù)相對(duì)較少，另外，本控制系統(tǒng)所需要處理 的事件不多，加之采用模塊化編程思想，at89c52 的內(nèi)部的 8k 字節(jié)閃存可編程可 擦除存儲(chǔ)器已能滿足系統(tǒng)要求，故本系統(tǒng)沒有擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外程序存 儲(chǔ)器，減少了外圍擴(kuò)展器件，有利于提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少了控制器 的體積，有利于整個(gè)控制器的設(shè)計(jì)和安裝，提高了產(chǎn)品的靈活性。 3