【文章內容簡介】 狀態(tài)時，空調器停止運作，按鍵AC負責手動模式/自動模式的切換，調節(jié)風速可以通過增風速按鍵和減風速按鍵進行調節(jié)，風速共分5檔。在開機狀態(tài)下，按下除霜按鍵便可進入特定的除霜模式，除霜模式采用全熱除霜，這時風向風門出口吹向玻璃窗方向，前吹按鍵和下吹按鍵可以切換風向風門吹風出口的方向，同時按下兩按鍵能夠使風向風門出風方向轉向前吹和下吹同時進行，內外循環(huán)按鍵負責控制內外循環(huán)，當空調系統(tǒng)處于內循環(huán)狀態(tài)時，如果是外循環(huán)則內循環(huán)標志消失，升溫按鍵和降溫按鍵在手動模式下是控制混合風門檔位變化，而在自動模式下負責調節(jié)設定溫度。圖310 鍵盤電路 Keyboard Circuit鍵盤行線通過電阻接正電源并將行線接到單片機的輸入口，而將列線接到單片機的輸出口，這樣當按鍵沒有按下時都是高電平。如果列線全輸出低電平，一旦有按鍵按下，該鍵相應的行線和列線被短路，行線就會被拉低。這樣如果讀入的行線狀態(tài)不是全高，就表示有鍵按下。要確定是哪個鍵閉合，先使列線Y0為低電平，其余列線為高電平，讀行線狀態(tài)。如果不全為高，則被按下的鍵就是為低電平的行線和Y0相交的鍵。如果行線全為高，則Y0這一列上沒有鍵閉合，接著使列線Y1為低電平，其余列線為高電平。用同樣方法檢查Y1，這一列有無鍵閉合，依次類推。IOA3～IOA6接鍵盤的Y0～Y3，IOA10～IOA13接鍵盤的X0～X3。表32 鍵值分布及意義 Distribution and significance of the keyboard鍵值 功能 鍵值 功能 S0 ON(軟開關) S6 前吹風 S1 AC(手動/自動) S7 下吹風 S2 升溫 S8 除霜 S3 降溫 S9 壓縮機 S4 增風速 S10 內外循環(huán) S5 減風速 顯示電路的設計本設計采用四位LED對溫度進行顯示。MAX7219是一個采用3線串行接口的8位共陰極7段LED顯示驅動器。該芯片可直接驅動最多8位7段數(shù)字LED顯示器或64個發(fā)光二極管。它與MCU 的連接很簡單,僅用三個引腳與MCU 相應端連接即可實現(xiàn)最高10MHz串行通信。MAX7219內部設有掃描電路, 除了更新顯示數(shù)據(jù)時從單片機接收數(shù)據(jù)外,平時獨立工作,極大地節(jié)省了MCU 有限的運行時間和程序資源。MAX7219允許用戶選擇多種譯碼方式, 每個顯示位都能獨立尋址和刷新而不需要重寫其他的顯示位, 軟件編輯非常方便。～, 。DIN為串行數(shù)據(jù)輸入端，當CLK 為上升沿時, 數(shù)據(jù)被載入16b內部移位寄存器。CLK為串行時鐘輸入端，其最大工作頻率可達10MHz。LOAD 為片選端, 當LOAD 為低電平時, 芯片接收來自DIN 的數(shù)據(jù), 接收完畢, LOAD 回到高電平時, 接收的數(shù)據(jù)將被鎖定。DIG0～DIG7為吸收顯示器共陰極電流的位驅動線，其最大值可達500mA,關閉狀態(tài)時,輸出+VCC。SEGA～SEGG, DP 為驅動顯示器7 段及小數(shù)點的輸出電流,一般為40mA左右,可軟件調整,關閉狀態(tài)時,接入GND。DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端,通常直接接入下一片MAX7219的DIN 端。顯示電路如圖311所示:圖311 顯示電路 Show circuit 外擴存儲器電路的設計SPCE061A中的FLASH只有32Kwords,由于系統(tǒng)設計的程序較多，要存放大量的數(shù)據(jù)，這樣一來，就要考慮對存儲器進行外圍擴展。本設計采用凌陽公司的SPR4096芯片對存儲器擴展。SPR4096是一個高性能的4Mbit（512K8－bit）總線FLASH,分為256個扇區(qū)，每個扇區(qū)為2Kbyte。SPR4096還內置了一個4K8－bit的SRAM。在進行FLASH的變成/擦除的時候，可以并發(fā)執(zhí)行SRAM的讀/寫。SPR4096內置了一個總線存儲器接口和一個串行接口，它允許單片機通過8－bit并行模式或者1bit的串行模式訪問FLASH/SRAM存儲區(qū)。本設計使用串行模式，串行接口的工作頻率為5MHZ。SPR4096有兩個電源輸入端VDDI和VDDQ。VDDI是給內部FLASH和控制邏輯供電的；VDDQ是專門為I/O供電的，如圖312所示。串行接口模式的選中是通過設置CF2～CF0來實現(xiàn)的。當成分CF2～CF0均接高電平時，選中的就是串行接口模式。在串行接口模式下，CF7為低電平時選中FLASH，高電平時選中SRAM。設計中，SCLK接IOB0，SDA接IOB1，CF2～CF0接高電平，選擇串行接口模式；CF7接低電平，選中FLASH.圖312 SPR4096管腳圖 SPR4096pin map汽車空調使用環(huán)境炎熱、潮濕，電子打火、電磁輻射、油煙、灰塵等對其產(chǎn)生的干擾非常嚴重，因此抗干擾措施對本系統(tǒng)來說非常重要。因此，在控制器設計時主要采用以下硬件抗干擾措施：（1）采用了光電隔離技術，將數(shù)字信號與系統(tǒng)主機完全隔離，切斷了干擾信號的途徑，有效地抑制了尖脈沖及各種噪聲的干擾。（2）電源設計抗干擾措施：用電解電容濾波；集成電路的電源和地之間均加一個去耦合電容；對不使用的集成電路的端子作上拉和下拉處理，使它處于穩(wěn)定狀態(tài)。（3）元件布置抗干擾措施：妥善考慮每一個元件的位置和布線，以求盡可能地降低傳輸通道間的干擾耦合；設計時，盡可能把相互有關的元件安排在一起：電感部件，應遠離可能引起干擾的元件布放；把容易產(chǎn)生電磁干擾的大電流元件遠離邏輯電路。同時，對每一個感性負載并接續(xù)流二極管，減小負載啟停時瞬間感應電流沖擊。（4）在設計中接地抗干擾措施：盡可能使接地電路各自形成回路，減少電路與地線之間的電流耦合；合理布置地線使電流局限在盡可能小的范圍內，并根據(jù)接地電流的大小設計相應寬度的印刷電路和接地方式。4 汽車空調系統(tǒng)的軟件設計 汽車空調全自動控制可以通過汽車空調控制器的軟件編寫實現(xiàn)。對于本文所設計的汽車空調控制器，由于使用功能模塊化編程的思想，所以全自動控制就是對應一個將輸入條件轉化為輸出控制量的功能軟件模塊，這里稱它為自動控制功能軟件模塊。在實際開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，雖然模糊控制具有規(guī)則制定簡單且適應性強等優(yōu)點，促進了控制系統(tǒng)的制定。但是其輸入輸出多個隸屬度函數(shù)和多條規(guī)則的規(guī)則庫的建立占用大量的程序空間，這是由于模糊控制系統(tǒng)的非線性引起的。另外，在模糊推理的過程中，要進行多次的關系運算，在模糊推理后又要進行解模糊運算，這對于運算速度慢的硬件做不到控制的實時性。然而將模糊控制的方法引如到實際的空調控制器上，并不一定要將模糊推理過程放到控制器的實際硬件上執(zhí)行。對于沒有自修正功能的控制系統(tǒng)，其輸入輸出的映射是固定的，所以只要實現(xiàn)對于全部輸入空間到輸出空間的映射就可以了。從軟件的設計角度來看，最簡單的映射就是將預先計算好的結果以表的形式記錄，然后通過查表來實現(xiàn)。顯然，這樣犧牲了控制的靈活性，對于輸入變量較多和控制精度較高的控制系統(tǒng)是無法實現(xiàn)的。在前面進行硬件電路設計時，溫度傳感器的精度只能達到1懾氏度，所以對輸出控制的精度要求也不高。按照前面所述的控制策略，可以對車內溫度進行有效控制。本系統(tǒng)控制軟件由主程序和定時器中斷服務程序等組成，從功能上分包括系統(tǒng)初始化、顯示程序、模糊控制查表子程序和按鍵處理程序等模塊。模塊化編程是一種軟件設計方法，各模塊程序分別編寫，編譯和調試，最后模塊一起連接，定位。 主程序模塊主程序的功能是完成車內溫度的數(shù)據(jù)采集、模糊規(guī)則的運算處理、控制量的輸出。主程序流程圖如41所示，主程序具體要：1）定義系統(tǒng)運行過程中所需要的變量，以及顯示器所需要的段碼。2）分配硬件系統(tǒng)相關資源，如寄存器、ROM、中斷源以及堆棧等。3）完成系統(tǒng)的自檢。4）在程序運行過程中，按照設計的要求，依次完成對系統(tǒng)各模塊的調用。5）在模塊調用過程中，實現(xiàn)現(xiàn)成保護，以確保程序的正常返回。6）保存系統(tǒng)運行過程中的必要參數(shù)。圖41 主程序流程圖 Flow chart of the main program 數(shù)據(jù)采集子程序模塊數(shù)據(jù)采集子程序模塊主要功能是對車內外溫度，蒸發(fā)器溫度，陽光輻射強度進行測量、計算，對采集來的模擬信號進行數(shù)字濾波處理，以消除干擾。具體做法是對每個通道連續(xù)采集三次，對三次轉換結果求其平均值，得到測量值。圖42 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖 Data acquisition subroutine flow chart模糊控制中的控制算法由模糊控制子程序實現(xiàn)，它包括兩部分內容：一是離線模糊控制查表，首先將模糊控制表存于單片機的程序存儲器中，然后根據(jù)溫度誤差和誤差變化率進行二維查表；二是完成精確測量值的模糊化和控制輸出量的解模糊化，控制輸出電路。 模糊控制的基本原理對于一個系統(tǒng)而言，模糊控制在控制系統(tǒng)中所表現(xiàn)的具體形式是模糊控制器。模糊控制從系統(tǒng)結構角度講，是以模糊控制器取代的數(shù)字控制器。這種結構和傳統(tǒng)的控制結構完全一樣。從校正的角度看，它是一種偏差校正方式。模糊控制的系統(tǒng)結構如圖43所示[11]。從圖43中可以看出，模糊控制器的輸入量是系統(tǒng)的偏差e，在計算機控制系統(tǒng)中它是數(shù)字量，是有確定數(shù)值的清晰量，通過模糊化處理，用模糊語言變量E來描述偏差，若以T(E)記E的語言值集合，則有：T(E)＝{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}或用符號表示負大NB（Negative Big）、負中NM（Negative Medium）、負?。∟egative Small）、零ZE（Zero）、正小PS(Positive Small)、正中PM（Positive Medium）、正大PB(Positive Big),則：T(E)={NS,NM,NB,ZE,PS,PM,PB}圖43 模糊控制系統(tǒng)結構框圖 Fuzzy control system structure diagram若已知系統(tǒng)的輸入對應模糊變量,則應用合成推理法，可得到模糊輸出變量：模糊推理輸出是一個模糊變量，在系統(tǒng)中要實施控制時，模糊量還要轉化為清晰值，因此要進行清晰化處理，得到可操作的確定值，這就是模糊控制器的輸出值，通過的調整控制作用，使偏差e盡量小。對于模糊控制來說，其核心在于模糊控制器，模糊控制的機理是通過模糊控制器來實現(xiàn)的，模糊控制器的思想來自人類在生產(chǎn)實踐中對被控對象的控制。人的經(jīng)驗是一系列含有語言變量值的條件語句和規(guī)則，而模糊集合理論能十分恰當?shù)乇磉_具有模糊性的語言變量和條件語句。很明顯，把人的經(jīng)驗用模糊條件語句表示，然后，用模糊集合理論對語言變量定量化，再用模糊推理對系統(tǒng)的實時輸入狀態(tài)進行處理，產(chǎn)生相應的控制決策。這無疑是一種新穎的方法。這樣就產(chǎn)生了模糊控制器。根據(jù)模糊控制器的功能，其結構如圖44所示。從圖中可以看出它由模糊化、反模糊化、知識庫和決策邏輯組成。圖44模糊控制器機構框圖 Fuzzy controller body diagram知識庫存儲模糊控制器中的模糊量以及模糊控制規(guī)則,知識庫向模糊化接口提供模糊量的隸屬函數(shù)形態(tài)，從而使模糊化接口在接受到外部的精確量輸入后，能夠將其轉換成相對應的模糊量及隸屬度。知識庫也向反模糊化接口提供模糊量的隸屬函數(shù)形態(tài)，反模糊化接口則根據(jù)輸出的模糊量及隸屬度，轉換成與之對應的精確量。同時，知識庫向決策邏輯提供控制規(guī)則，由決策邏輯執(zhí)行推理過程，從而從輸入的模糊量推斷出輸出模糊量。 汽車空調模糊控制器的設計汽車空調控制系統(tǒng)是對汽車空調實現(xiàn)的自動控制，其控制方法可以使用模糊控制系統(tǒng)。本設計模糊控制器的控制對象為蒸發(fā)器的風機轉速，混合風門開度。模糊控制器的設計思想是要在各個控制對象之間找到一種最匹配的控制方式。這種控制方式要滿足室內溫度快速達到設定值、波動小以及節(jié)能等要求?；谶@種思想對于風機轉速的控制主要在于開始啟動空調器時或者環(huán)境溫度有較大變化，造成室內溫度有較大波動時進行控制。而在室內溫度波動較小時，風機轉速一般控制在最高轉速的20%，以達到節(jié)能的目的。圖45 汽車空調模糊控制系統(tǒng)原理圖 Fuzzy control auto airconditioning system schematics混合風門轉角的控制作用是控制室內溫度的相對濕度以及在溫度波動較小時調節(jié)室內溫度達到設定值。研究對象可以看作是一個二輸入兩個控制量輸出的控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)的原理框圖如圖45所示，根據(jù)模糊控制規(guī)則庫的分解原則，一個多輸出系統(tǒng)以分解為多個多輸入單輸出系統(tǒng)且不失一般性，因此可以把整個模糊控制器分成兩個二輸入單輸出的模糊控制器[17]。 溫度誤差的模糊化溫度誤差是指設定溫度與車內傳感器測定的溫度之差，記為，在模糊控制應用中，被觀測量通常是在一定精度范圍內的精確數(shù)量值，而在模糊控制中的操作是基于模糊集合理論的，所以，首先必須進行模糊化。模糊化的基本思想是定義一個模糊語言映射作為從數(shù)值域到語言域的模糊關系，將數(shù)值域中的數(shù)值信號映射到語言域上。為了便于工程實現(xiàn)，通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干級，所定義級數(shù)的多少取決于所需輸入量的分辨率。溫度誤差的輸入范圍定為[5，5]，對于更大的誤差都視為邊界址處理。根據(jù)人體對溫度的敏感程度，可將E的模糊論域取為[5，5]，并量化為11個等級，對于其它值都視為邊界值，即為：E={5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5}一般情況下，所以溫度誤差模糊子集可取為[18]：{負大（NB），負小（NS），零（Z），正小（PS），正大（PB）}圖46 溫度誤差隸屬度函數(shù)曲線