基于單片機技術的汽車空調控制系統的設計

黃 俊, 翁惠輝 (長江大學電子信息學院, 湖北 荊州 434023)

基于單片機技術的汽車空調控制系統的設計

黃 俊, 翁惠輝 (長江大學電子信息學院, 湖北 荊州 434023)

單片機技術在汽車空調控制系統中的運用，可以提高系統的智能化水平和增強乘駕環境的舒適性。設計了以PIC單片機為核心部件的汽車空調控制系統，并詳細介紹其硬件電路及相應測控軟件設計。實際應用表明，該系統運行穩定，具有良好的溫度控制功能。

PIC單片機；汽車空調；控制系統

汽車空調的主要功能是為駕乘人員提供舒適的車內環境。隨著人們對汽車乘駕環境舒適性要求的不斷提高，智能、高效的汽車空調己成為各汽車廠家提高其市場競爭力的著力點。傳統的汽車空調采用手動控制，其功能簡單、穩定控制精度低[1]。單片機技術在汽車空調控制領域的使用，提高了智能化水平、簡化了用戶的操作。為此，筆者以PIC16F單片機為核心部件設計了汽車空調控制系統。

1 系統主要功能

汽車空調控制系統應具有如下主要功能：①手動控制功能。系統具備進風模式、出風模式的手動選擇功能及手動強制制冷和強制制熱功能，以供駕乘人員根據實際情況進行選擇。②自動溫度、風速調節功能。該系統能根據溫度的設定值自動控制各風門開度大小、鼓風機風速及壓縮機的啟停以調節車內溫度，既保證舒適性也節省了能耗。③實時顯示功能。該系統的LCD能夠實時顯示車內外實際溫度及溫度的設定值、風速等級、控制器工作模式等實時信息，以方便駕乘人員了解當前汽車空調的運行情況。④故障自診斷功能。駕乘人員按下一組組合按鍵后，系統能夠進行自檢，并給出故障位置、類型等的提示信息，以方便維修與保養。

2 系統硬件設計

圖1 控制系統硬件結構圖

該系統硬件主要包括人機接口電路、溫度采集電路、風機控制電路、壓縮機控制電路、循環風門控制電路、模式風門控制電路及混合風門控制電路。微控器接收人機接口電路的各個設定值以及經AD采集電路所得的各個輸入量，進行分析處理后，驅動風機控制電路、壓縮機控制電路及各個風門做出相應的動作以達到預定要求。系統硬件結構圖如圖1所示。

2.1風機控制電路

對于風機轉速大小的調節，采用脈寬調制(PWM)以改變電機電樞電壓的方法來進行控制。風機控制電路如圖2所示。電路以BTS282Z作為主開關器件來直接驅動風機轉動。由單片機RC3口輸出的PWM 信號，經功率型光耦TLP250進行可靠的隔離，并驅動BTS282Z的導通與關斷。BTS282Z的最大工作電流可達36A，且具有過溫保護、大電流鉗制功能。D501為續流二極管，用以釋放掉風機的能量，防止其過高的反向電壓擊穿主開關器件。系統風速等級包括6級，輸出占空比按風速等級線性遞增，最小輸出占空比為10%，在最大6級風力下為100%。

圖2 風機控制電路

2.2溫度采集電路

該系統采用NTC熱敏電阻器實現對溫度的測量。首先熱敏電阻器把溫度的變化轉換為電阻阻值的變化，該阻值變化的電阻與一上拉電阻串聯分壓，實現了輸出到單片機ADC端口的電壓變化對溫度變化的反應。由于系統所選單片機自帶AD采樣模塊，既節約了系統成本也簡化了系統硬件設計。溫度電路如圖3如示。

圖3 溫度采集電路

2.3混合風門控制電路

通常，汽車空調系統通過調整混合風門的開度大小以調節冷暖空氣的混合比例，通過風機將混合后的空氣吹到車內以實現車內溫度的調節。當單片機對所采集的各個輸入量進行分析處理后，驅動混合風門執行器內的直流電機動作時，電機帶動執行器內部的滑動變阻器一起運動，與此同時，電機通過一個連桿裝置帶動混合風門運動，因而不同的開度大小對應著滑動變阻器不同的電刷位置，從而實現了反饋電壓對風門開度大小的反應。可變電阻產生的電壓反饋信號被輸入到控制器ADC采樣端口，控制器通過對采樣數據的分析，以判斷風門開度大小是否到位。系統采用TLE4207驅動混合風門執行器的直流電機以實現其開度大小的控制。TLE4207是西門子公司的一款帶保護的雙半橋驅動芯片，直流電機可直接連接在其半橋之間。當TLE4207的INH=1、IN1=0、IN2=1時，電機順時針轉動；當INH=1、IN1=1、IN2=0時，電機逆時針轉動；當INH=1、IN1=1、IN2=1時，TLE4207的OUT1、OUT2均輸出高電平，電機停止轉動；當INH=1、IN=0、IN2=0時，TLE4207的OUT1、OUT2均輸出低電平，電機停止轉動。TLE4207可輸出高達0.8A的驅動電流，飽和導通壓降低。此外，其內置有過壓和欠壓閉鎖、短路保護、過溫保護且具有極低的靜態待機電流[2]。混合風門控制電路如圖4所示。

圖4 混合風門控制電路

圖5 壓縮控制電路

圖6 主程序流程圖

2.4壓縮機控制電路

汽車空調系統的壓縮機通過電磁離合器掛接到汽車發動機上，當電磁離合器松開時，壓縮機停止工作，當電磁離合器結合時，壓縮機由汽車發動機帶動而開始工作。該系統選用TIP122驅動壓縮機離合器，由單片機的RC2端口輸出的低電平經TLP250反向、功率放大后，驅動TIP122導通而結合電磁離合器，啟動壓縮機工作。反之，當輸出高電平時則停止壓縮機的工作。TIP122額定驅動電流為5A，飽和導通電壓為2V，VCEO 電壓可達100V，可以滿足離合器工作的需要。壓縮機控制電路如圖5所示。圖5中R404及C401為吸收回路，D401為續流二極管。

3 軟件設計

該系統主程序流程圖如圖6所示。系統上電后，首先初始化各I/O端口及各外設模塊，采樣完各溫度數據及風門位置反饋信號后，對鍵盤及旋鈕進行掃描，如果掃描到有自診斷組合按鍵按下，則程序進入診斷功能模塊。否則，則判斷當前控制模式是手動還是自動模式，如果是自動控制模式，則根據當前輸入參數計算各個控制量，系統根據所計算出的控制量更新顯示數據并控制各風門開度、調整風量大小和啟停壓縮機；如果是手動控制模式，則系統直接根據系統人機接口電路的輸入信息來做出各種控制動作。

4 結 語

汽車空調控制系統以PIC單片機作為核心器件，充分利用單片機豐富的外設模塊，簡化了電路設計，節約了系統成本，提高了系統可靠性。實際應用表明，該系統運行穩定，穩定控制效果好，深受客戶好評。

[1]陳孟湘. 汽車空調的發展(一)[J]. 汽車與配件, 2002 (27) ：17-19.

[2]祁山.汽車空調[M].北京：機械工業出版社, 2006.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.040

U463.851

A

1673-1409(2012)01-N124-03