8基于单片机的汽车空调控制系统设计

1绪论1.1课题背景及意义汽车空调作为一种舒适性空调，不仅是人民生活水平提高的标志，也是提高汽车市场竞争能力的重要手段。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对汽车空调的温度控制性能提出了更高的要求。国外一些大汽车公司的高档汽车上纷纷装有全自动的空调系统，而国内大部分高档汽车的空调控制器是进口的，目前还没有自主开发的具有自主知识产权的汽车空调自动控制器。总体来看，我国目前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与乘员舒适要求相差很大，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。而国外一些高档汽车上已经配有全自动汽车空调系统，并且对这些先进的技术率先申请了专利，对知识产权进行了保护，因此无法破解其核心技术，这样就形成了引进-落后-再引进-落后的恶性循环，严重阻碍了我国汽车工业的发展。随着我国加入WTO和全球贸易大市场的形成，国外先进的汽车空调控制技术对国内汽车工业造成很大的冲击和压力，汽车工业又面临着新的机遇和挑战。我们只有自主开发适合我国交通、气候的汽车空调全自动控制器，形成具有自主知识产权技术，制订出汽车空调控制器的产品标准，才能提高我国汽车工业整体水平，否则就会在竞争中失败，因而加紧汽车空调全自动控制系统的研究势在必行。目前，我国汽车保有量己超过1200万辆，汽车年产量约110万辆，汽车空调市场有着广阔前景。而现在进口汽车空调控制器的价格较高，而实际的生产成本较低，随着人民生活水平的提高和汽车工业的发展，全自动控制的空调汽车由于具有较好的舒适性和节能性以及方便驾驶员操作等优点将会越来越受到人们喜爱，因而我们必须不失时机地抓住这个机遇，自主开发研制先进的汽车空调控制系统，不仅会产生巨大的经济效益，而且对我国的经济建设，汽车工业的发展都具有促进作用。在对全合一空气混合型的汽车空调系统进行调研的基础上，通过模糊控制策略和软硬件系统的研究，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。1.2国内外研究现状和分析我国现有主要汽车空调生产厂家多家，其中绝大部分是引进国外技术生产线和生产设备，还有些是中外合资企业，国内汽车空调技术的研究和开发特别在自动控制方面与国外的差距很大，由于没有掌握核心技术，导致产品缺乏竞争力，难以满足整车企业的系统化、模块化采购。另外在温度控制方法方面，学术界普遍认为模糊控制和神经网络等理论适用于描述非线性系统。对模糊理论与传统控制理论的关系学术界进行了很多的讨论[1]。1.2.1国外研究现状国外一些大汽车公司的汽车空调系统代表了全自动空调的最高水平。目前，美国，欧洲，日本等汽车工业发达国家的汽车公司已经相继开发出各自的自动空调系统[1]。通用汽车公司某型汽车车身计算机模块(BCM)控制的空调系统是较典型自动空调系统。高模块监视高压管路、低压管路的温度以及蓄压罐的压力发动机冷却水温等信号。如果系统不在设定的范围内工作，BCM将压缩机电磁离合器脱离。该系统用一个双向电动机调节混合风门开度，并用5个操纵机构分别控制各个模式风门和加热器热水阀，还用功率模块控制鼓风机的转速。根据驾驶员输入的温度、车室内外温度及制冷剂低压管路温度，BCM计算出气流分送模式，鼓风机转速及混合风门开度，然后进行相应的控制[2]。而克莱斯勒公司的某些汽车空调还以占空比的方式对压缩机离合器进行控制。日本丰田某型汽车自动空调监测车内外温度、蒸发器温度、冷却水水箱温度以及阳光辐射强度、压缩机转速等参量，通过控制压缩机磁吸、风机转速和温度混合风门、新风风门和模式风门的伺服电机，进行车室温度调节。自动功能下该空调ECU(电子控制单元)首先计算送风温度，并根据送风温度控制风机转速、混合风门开度、压缩机启停及送风模式[2]。模糊控制在国外发展非常迅速，在IEEE上有关于模糊系统的专刊，而且定期举行模糊系统协会国际会议。在欧美、日本等地，模糊控制理论迅速应用到了商业产品中去，其中就包括日本把模糊控制成功应用到地铁和各种家电产品的实例[2]。现在在国外的模糊控制理论研究基本上在每个领域上都取得了成功，当中包括工业温度控制，大型空调系统控制和电冰箱温度等。在多输入输出非线性系统领域取得了骄人的成功，突破了传统控制方法的局限[2]。1.2.2国内研究状况从市场占有情况看，由于目前大多数汽车空调生产未上规模，加上总类繁多，国内汽车空调销售市场仅为几家所垄断。比较而言，国内的汽车空调控制要稍逊一些。广州标致汽车空调的电子控制系统根据车内温度、环境温度、蒸发器温度、送风温度及人为设定值、通过控制风机转速、压缩机离合器开合及热水阀大小来进行温度调节。奥迪100汽车的空调系统模式风门是手控的，鼓风机转速由继电器控制，压缩机离合根据蒸发器温度控制。奥拓汽车空调就更为简单，没有舒适性控制用的传感器，对室温靠人为控制。另外一些形式的汽车空调还未产品化。有人认为光线的入射角会对热负荷影响很大，而对此制定了一套相适应的控制策略。也有这种研究如何通过计算确定送风量、送风温度的分布是很不均匀的，并且均匀分布的温度场也会由于人的舒适感不同而产生舒适性差异。对此有人研究针对前排、后排车座的双蒸发器运行情况，并进行相应的控制。还有人针对司机和乘客的个体舒适性用不同出口进行控制。通过控制压缩机启停来控制车厢内温度也需进行相应的控制才能达到更优。国内80年代就参加到模糊控制领域的研究讨论当中，到了90年代和最近几年，己经在模糊控制等智能控制领域得到了较成熟的发展。在理论研究方面国内研究涉及了基于传统PID的模糊控制，基于神经模糊网络模糊控制和时空混沌的自适应模糊控制等。可以说国内的理论研究已经朝纵深发展，理论体系也比较完善[4]。而在实践应用领域，模糊控制在近几年几乎涉及到各个重、轻工业领域。在空调制冷系统，温度控制系统和各种家庭小电器中都可以看见用模糊控制方法实现优化处理的应用文章[5]。国内汽车空调生产企业如何利用电子技术提升传统空调产品的技术含量走上专业化、规模化经营之路，将成为我国未来几年汽车空调业迫切需要解决的问题。1.3汽车空调的特点及其控制系统的难点与一般建筑空调相比，汽车空调有其特殊性。首先，汽车是个移动物体，外界气候条件变化大，车外热负荷变化大，以至于难以确定标准的车外设计参数。其次，由于汽车车室内乘员密度大，人体热量大，要求的制冷能力大，汽车开启空调与乘员进入车内往往是同一时刻，乘客要求一进入车室，在很短的时间内就享受到空调效果；而汽车车身在开空调之前的蓄热量是很大的。这几种因素导致汽车空调所要求的负荷大，要求降温(或升温)迅速。因此，汽车空调机组的制冷(或采暖)能力应该比房间空调大的多。另外，汽车是高速移动的物体，与外界对流热交换量大，而且车身隔热困难，玻璃门窗所占面积又大，车室内得热量(或失热量)大。如果汽车长时间直接暴露在太阳下(或风雪下)，进入车室的热负荷(或冷负荷)比一般房间要大得多。夏季汽车长时间停在烈日下，车内温度会上升到50℃以上。汽车的使用环境非常严酷，这些环境因素往往造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能完成规定的功能或损坏，出现可靠性故障。因此与一般控制系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求[2]。首先，要满足温度环境的要求。汽车外部的环境温度最高为50℃，最低为-40℃，但汽车内的工作环境却因部件的位置不同而相差极大。其次，要满足振动冲击环境要求，汽车零部件必须承受由不良路面引起的较大的振动和冲击。还有，要满足电气环境要求。汽车电源波动和瞬时过电压等将形成较坏的电气环境。1.4课题的提出与研究内容本课题的研究是针对我国现有高档汽车上装置的自动空调控制系统基本上依赖进口，国产化自动控制系统在汽车系统中的应用性研究较少，迫切需要对汽车空调控制器实现电子自动化、国产化为目标而产生的。因此，本课题的研究内容为：1)通过对汽车空调工作原理和空调总成的结构分析，设计了以AT89C52为核心的单片机控制系统，并对控制器硬件电路部分做了设计。2)建立实现模糊控制算法的控制系统[6]。阐述了如何实现对汽车空调系统的自动化模糊控制。3)温度的检测采用高精度的集成温度传感器AD590实现。4)编程过程中，采用模块化的设计方法，对各个子模块分别进行编程、调试，再按控制要求将它们连接起来，进行调试、分析。2汽车空调系统工作原理2.1汽车空调系统基本工作原理汽车空调基本功能是通过人为的方法使车厢的温度降低和升高，达到使人体感到舒适的温度环境。高级汽车空调还包括对车厢内空气净化、控制二氧化碳含量和控制空气湿度等高级功能。一般汽车空调系统都可以分为采暖系统和制冷系统两部分[7]。制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。其制冷原理是利用液态制冷剂吸热产生冷效应。首先，低压(低温)液态制冷剂进入用来冷却车内空气的蒸发器，制冷剂加热在定压下气化。由于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动地吸取车内空气中的热量，使空气温度降低，产生冷效应。然后，气化了的制冷剂通过压缩机压缩，变成高于车外空气的高温高压气体。这时，制冷剂通过在冷凝器将热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高压液态冷凝剂。最后，经过节流阀，恢复到低压(低温)液态。所以，当空调要进行制冷时，必须开启压缩机使制冷剂循环，从而降低车内温度。采暖系统是由暖风散热器、暖水阀和风机组成。由于汽车行驶时发动机产生大量热量，一般小型汽车空调都采用发动机余热采暖。发动机冷却水通过暖水阀流入暖风散热器，从而升高通过暖风散热器的空气。所以，当空调要进行加热时,必须开启暖水阀。2.2汽车空调的总成结构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[8]。图2.1全合一型汽车空调结构2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风向风门内外循环风门由内外循环电磁阀控制，当内外循环电磁阀闭合时，汽车空调处于内循环状态，这个时候只有车内回风能够进入空调风道。反之，当内外循环电磁阀开时，空调处于外循环状态，这个时候不仅仅车内回风能够进入空调风道，车外空气也进入空调风道，也就制冷(加热)处理前空气是车内回风和车外新鲜空气的混合气体。鼓风机由鼓风机调速电路控制，其作用是推动空气在空调风道里流动，在全和一型空调中，它同时也起了是制冷蒸发器风扇和暖风散热器风扇的作用。制冷蒸发器连接制冷压缩机，压缩抓由压缩机电磁阀控制。当压缩机电磁阀吸合，压缩机开始工作，蒸发器就能从流过的空气中吸取热量，从而使空气降温。混合风门开度由混合风门电机控制。混合风门负责控制空气经过蒸发器和暖风散热器的量，也就是控制经过两种处理空气的混合程度。暖风散热器由暖水电池阀控制，当暖水电磁阀吸合，发动机冷却水流过暖风散热器，这样就可以通过发动机余热进行热交换，将经过散热器的空气加热。混合风门开度由混合风门电机控制。混合风门负责控制空气经过蒸发器和暖风散热器的量，也就是控制经过两种处理空气的混合程度。风向风门由风向风门电机控制。风向风门可以控制空调出风口的出风方式，也就是控制经过处理的空气从除霜风口、下吹风口和前吹风口吹出。综上所述，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。全合一空气混合型的汽车空调系统，其类型是制冷与加热使用一套温度控制系统，通过混合风门的开度来调节冷热空气的混合。混合风门是全合一空气混合型汽车空调系统最重要的温度调节机构，起作用是将一定量空气按不同比例分配后分别流经制冷蒸发器和暖风散热器，然后再混合，从而调节出风温度。因此，将对混合风门的开度调节作为汽车空调温度调节的主要手段。3车室温度模糊控制的研究自动控制包括传统的控制技术和智能控制技术，智能控制是控制理论发展的高级阶段。由于人体舒适感的模糊性和汽车空调系统的复杂性，人们难于建立关于汽车空调自动控制的控制目标和控制对象精确的数学模型。这样，以精确数学模型为必要条件的传