【正文】 基于單片機的汽車空調控制系統設計1 緒論 論文背景及意義汽車空調作為一種舒適性空調，不僅是人民生活水平提高的標志，也是提高汽車市場競爭能力的重要手段。隨著科學技術的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對汽車空調的溫度控制性能提出了更高的要求。國外一些大汽車公司的高檔汽車上紛紛裝有全自動的空調系統，而國內大部分高檔汽車的空調控制器是進口的，目前還沒有自主開發(fā)的具有自主知識產權的汽車空調自動控制器?？傮w來看，我國目前汽車空調系統的電子化程度較低，大多數仍采用手動控制或簡單的位式控制。手動控制一方面會出現車內溫度與乘員舒適要求相差很大，不能滿足舒適性和節(jié)能性的要求；另一方面容易分散駕駛員的注意力，降低行車的安全性。手動控制己成為汽車空調進一步發(fā)展的瓶頸問題。而國外一些高檔汽車上已經配有全自動汽車空調系統，并且對這些先進的技術率先申請了專利，對知識產權進行了保護，因此無法破解其核心技術，這樣就形成了引進落后再引進落后的惡性循環(huán)，嚴重阻礙了我國汽車工業(yè)的發(fā)展。隨著我國加入WTO和全球貿易大市場的形成，國外先進的汽車空調控制技術對國內汽車工業(yè)造成很大的沖擊和壓力，汽車工業(yè)又面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。我們只有自主開發(fā)適合我國交通、氣候的汽車空調全自動控制器，形成具有自主知識產權技術，制訂出汽車空調控制器的產品標準，才能提高我國汽車工業(yè)整體水平，否則就會在競爭中失敗，因而 加緊汽車空調全自動控制系統的研究勢在必行。目前，我國汽車保有量己超過1億萬輛，汽車年產量約18000萬輛，汽車空調市場有著廣闊前景。而現在進口汽車空調控制器的價格較高，而實際的生產成本較低，隨著人民生活水平的提高和汽車工業(yè)的發(fā)展，全自動控制的空調汽車由于具有較好的舒適性和節(jié)能性以及方便駕駛員操作等優(yōu)點將會越來越受到人們喜愛，因而我們必須不失時機地抓住這個機遇，自主開發(fā)研制先進的汽車空調控制系統，不僅會產生巨大的經濟效益，而且對我國的經濟建設，汽車工業(yè)的發(fā)展都具有促進作用。在對全合一空氣混合型的汽車空調系統進行調研的基礎上，通過模糊控制策略和軟硬件系統的研究，設計出汽車空調全自動控制系統中的核心部分智能溫控系統。 國內外研究現狀和分析我國現有主要汽車空調生產廠家多家，其中絕大部分是引進國外技術生產線和生產設備，還有些是中外合資企業(yè)，國內汽車空調技術的研究和開發(fā)特別在自動控制方面與國外的差距很大，由于沒有掌握核心技術，導致產品缺乏競爭力，難以滿足整車企業(yè)的系統化、模塊化采購。另外在溫度控制方法方面，學術界普遍認為模糊控制和神經網絡等理論適用于描述非線性系統。對模糊理論與傳統控制理論的關系學術界進行了很多的討論[1]。國外一些大汽車公司的汽車空調系統代表了全自動空調的最高水平。目前，美國，歐洲，日本等汽車工業(yè)發(fā)達國家的汽車公司已經相繼開發(fā)出各自的自動空調系統[1]。通用汽車公司某型汽車車身計算機模塊(BCM)控制的空調系統是較典型自動空調系統。高模塊監(jiān)視高壓管路、低壓管路的溫度以及蓄壓罐的壓力發(fā)動機冷卻水溫等信號。如果系統不在設定的范圍內工作，BCM將壓縮機電磁離合器脫離。該系統用一個雙向電動機調節(jié)混合風門開度，并用5個操縱機構分別控制各個模式風門和加熱器熱水閥，還用功率模塊控制鼓風機的轉速。根據駕駛員輸入的溫度、車室內外溫度及制冷劑低壓管路溫度，BCM計算出氣流分送模式，鼓風機轉速及混合風門開度，然后進行相應的控制[2]。而克萊斯勒公司的某些汽車空調還以占空比的方式對壓縮機離合器進行控制。日本豐田某型汽車自動空調監(jiān)測車內外溫度、蒸發(fā)器溫度、冷卻水水箱溫度以及陽光輻射強度、壓縮機轉速等參量，通過控制壓縮機磁吸、風機轉速和溫度混合風門、新風風門和模式風門的伺服電機，進行車室溫度調節(jié)。自動功能下該空調ECU(電子控制單元)首先計算送風溫度，并根據送風溫度控制風機轉速、混合風門開度、壓縮機啟停及送風模式[2]。模糊控制在國外發(fā)展非常迅速，在IEEE上有關于模糊系統的?？?，而且定期舉行模糊系統協會國際會議。在歐美、日本等地，模糊控制理論迅速應用到了商業(yè)產品中去，其中就包括日本把模糊控制成功應用到地鐵和各種家電產品的實例[2]。現在在國外的模糊控制理論研究基本上在每個領域上都取得了成功，當中包括工業(yè)溫度控制，大型空調系統控制和電冰箱溫度等。在多輸入輸出非線性系統領域取得了驕人的成功，突破了傳統控制方法的局限[2]。從市場占有情況看，由于目前大多數汽車空調生產未上規(guī)模，加上總類繁多，國內汽車空調銷售市場僅為幾家所壟斷。比較而言，國內的汽車空調控制要稍遜一些。廣州標致汽車空調的電子控制系統根據車內溫度、環(huán)境溫度、蒸發(fā)器溫度、送風溫度及人為設定值、通過控制風機轉速、壓縮機離合器開合及熱水閥大小來進行溫度調節(jié)。奧迪100汽車的空調系統模式風門是手控的，鼓風機轉速由繼電器控制，壓縮機離合根據蒸發(fā)器溫度控制。奧拓汽車空調就更為簡單，沒有舒適性控制用的傳感器，對室溫靠人為控制。另外一些形式的汽車空調還未產品化。有人認為光線的入射角會對熱負荷影響很大，而對此制定了一套相適應的控制策略。也有這種研究如何通過計算確定送風量、送風溫度的分布是很不均勻的，并且均勻分布的溫度場也會由于人的舒適感不同而產生舒適性差異。對此有人研究針對前排、后排車座的雙蒸發(fā)器運行情況，并進行相應的控制。還有人針對司機和乘客的個體舒適性用不同出口進行控制。通過控制壓縮機啟停來控制車廂內溫度也需進行相應的控制才能達到更優(yōu)。國內80年代就參加到模糊控制領域的研究討論當中，到了90年代和最近幾年，己經在模糊控制等智能控制領域得到了較成熟的發(fā)展。在理論研究方面國內研究涉及了基于傳統PID的模糊控制，基于神經模糊網絡模糊控制和時空混沌的自適應模糊控制等。可以說國內的理論研究已經朝縱深發(fā)展，理論體系也比較完善[4]。而在實踐應用領域，模糊控制在近幾年幾乎涉及到各個重、輕工業(yè)領域。在空調制冷系統，溫度控制系統和各種家庭小電器中都可以看見用模糊控制方法實現優(yōu)化處理的應用文章[5]。國內汽車空調生產企業(yè)如何利用電子技術提升傳統空調產品的技術含量走上專業(yè)化、規(guī)模化經營之路，將成為我國未來幾年汽車空調業(yè)迫切需要解決的問題。 汽車空調的特點 與一般建筑空調相比，汽車空調有其特殊性。首先，汽車是個移動物體，外界氣候條件變化大，車外熱負荷變化大，以至于難以確定標準的車外設計參數。其次，由于汽車車室內乘員密度大，人體熱量大，要求的制冷能力大，汽車開啟空調與乘員進入車內往往是同一時刻，乘客要求一進入車室，在很短的時間內就享受到空調效果；而汽車車身在開空調之前的蓄熱量是很大的。這幾種因素導致汽車空調所要求的負荷大，要求降溫(或升溫)迅速。因此，汽車空調機組的制冷(或采暖)能力應該比房間空調大的多。另外，汽車是高速移動的物體，與外界對流熱交換量大，而且車身隔熱困難，玻璃門窗所占面積又大，車室內得熱量(或失熱量)大。如果汽車長時間直接暴露在太陽下(或風雪下)，進入車室的熱負荷(或冷負荷)比一般房間要大得多。夏季汽車長時間停在烈日下，車內溫度會上升到50℃以上。汽車的使用環(huán)境非常嚴酷，這些環(huán)境因素往往造成汽車電子裝置的性能惡化，甚至不能完成規(guī)定的功能或損壞，出現可靠性故障。因此與一般控制系統相比，汽車空調控制系統也有其特殊要求[2]。首先，要滿足溫度環(huán)境的要求。汽車外部的環(huán)境溫度最高為50℃，最低為40℃，但汽車內的工作環(huán)境卻因部件的位置不同而相差極大。其次，要滿足振動沖擊環(huán)境要求，汽車零部件必須承受由不良路面引起的較大的振動和沖擊。 還有，要滿足電氣環(huán)境要求。汽車電源波動和瞬時過電壓等將形成較壞的電氣環(huán)境。 課題的提出與研究內容 本課題的研究是針對我國現有高檔汽車上裝置的自動空調控制系統基本上依賴進口，國產化自動控制系統在汽車系統中的應用性研究較少，迫切需要對汽車空調控制器實現電子自動化、國產化為目標而產生的。因此，本課題的研究內容為： 1) 通過對汽車空調工作原理和空調總成的結構分析，設計了以AT89C52為核心的單片機控制系統，并對控制器硬件電路部分做了設計。 2) 建立實現模糊控制算法的控制系統[6]。闡述了如何實現對汽車空調系統的自動化模糊控制。 3) 溫度的檢測采用高精度的集成溫度傳感器MF51實現。 4) 編程過程中，采用模塊化的設計方法，對各個子模塊分別進行編程、調試，再按控制要求將它們連接起來，進行調試、分析。 2 汽車空調系統工作原理 汽車空調系統基本工作原理 汽車空調基本功能是