基于STC單片機的電動客車空調控制系統設計

劉吉名，許文文，馬 杏

（中國電子科技集團公司 第十六研究所，安徽 合肥 230043）

智能控制是控制領域一門邊緣交叉學科。智能控制的定義為：應用人工智能的理論和技術及運籌學的優化方法同控制理論方法與技術結合，仿效人類智能，實現對系統的控制。本文采用DC/DC轉換芯片LM7805為系統供電，以微控制器STA12C5A32AD為系統核心處理芯片，輔以模糊控制技術以及按鍵選擇、LCD液晶屏顯示，RS485通信，變頻控制技術，并使整個控制系統具有電源欠壓、過壓，溫度傳感器斷路，壓縮機過熱等保護功能，對智能控制系統的設計和實現進行研究。

1 電動客車空調系統設計

電動客車空調系統硬件部分結構圖如圖1所示，空調控制系統由按鍵掃描、溫度檢測、風機控制、新風控制，電磁閥控制，壓縮機控制、LCD液晶顯示、記憶功能電路，蜂鳴器報警電路和單片機組成。包含頂置控制器和車頭顯示控制兩個單元，采用雙單片機設計，通信模式選擇RS485方式實現兩者互連。

圖1 電動客車空調系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the electric bus air conditioning system

系統工作原理：系統采用雙單片機工作，分為主機和從機。主機工作過程：主機首先完成鍵盤掃描，確定系統選擇的制冷或者制熱模式，以及相應的模式下的溫度，蒸發風機、冷凝風機、壓縮機的工作頻率設定，實時時鐘的設定，同時將上述各模塊的工作狀況輸出至LCD液晶屏顯示，每間隔200 ms發送獲取從機上傳的溫度信息，采用模糊控制方式，計算車內溫度和設定值之間的差值，在制冷或者制熱模式下，發送指令開啟的各個變頻器和電磁閥開關，依次打開和關閉冷凝風機，蒸發風機，壓縮機。

2 系統硬件設計

2.1 基于STC12C5A32AD的主控電路設計

主控電路是以STC12C5A32AD[1]為控制核心的處理器及其輔助電路的設計。在單片機的內部中具有32 kB的Flash程序存儲器，1280 Bytes的數據存儲器和2 kB的E2PROM用戶數據存儲器，8路10位精度可編程A/D轉換電路，內部復位監視電路和看門狗電路。從實際設計要求出發，充分利用其內部的硬件電路，可以簡化電路的復雜程度，提高系統的穩定性。

1）利用單片機的定時器、中斷功能。空調系統實時性要求不高，為了節省單片機的工作時間，提高其工作效率，采用間隔的控制策略，即每間隔一段時間獲取5個監控點溫度信息。主控單片機利用定時器0產生200 ms的定時周期，循環發送獲取溫度指令至從機。

2）多路溫度實時測量：分別是車內環境溫度，車外環境溫度，蒸發器溫度，壓縮機溫度，除霜溫度。五路溫度測量使用NTC負溫特性的熱敏電阻，使用單片機5路A/D轉換端口，依據硬件設計，選擇P1.3～P1.7作為A/D轉換端口。本系統采用10位精度A/D轉換編程，因此，在沒有采取溫度補償措施下仍能準確測出多路實際溫度，滿足系統控制要求。圖2顯示其中一路溫度測量電路，TEM_I為熱敏電阻輸入，采用5.1 kΩ歐姆高精度組成分壓電路，避免了超過單片機AD的參考電壓5 V。當溫度發生變化時，從機AD輸入口得到0～5 V的模擬電壓信號，經過A/D轉換后的數字信號存放到從機的緩沖區。主機發出讀取溫度信號請求，從機應答并將采樣信號數據經RS485總線送給主機并顯示在液晶屏上。

圖2 溫度測量電路Fig.2 Electric circuit of the test temperature

從機在溫度數據處理上，從軟件角度增加了多次采樣取平均值，中值濾波等方式，保證了采樣的溫度值更接近了實際值。

3）STC12C5A32AD的工作電壓為3.4～5.5V。本系統單片機、傳感器、輔助電路工作電壓均為＋5 V。主電源取自電動客車的24 V蓄電池電源，穩壓濾波后供給單片機、外圍輔助和接口電路。滿足各繼電器以及電磁閥的開關電壓為直流24 V，同時采用穩壓芯片LM7805最大提供1 A電流，設計中采用NPN MOSFET功率管TIP122實現功率放大。在汽車上的干擾源比較嚴重，為確保系統穩定可靠工作，需要嚴格處理電源穩壓和濾波。電源前端串接一高頻扼流電感L，目的是阻礙汽車發動機工作時的電磁脈沖進入電源影響系統工作，＋24 V電源經高頻扼流電感L后，經過電容C9，E1濾除其中低頻和高頻分量，再經三端穩壓器件（LM7805）穩壓輸出＋5 V穩壓電源，經過電容C8，E2濾波后供給系統工作電源，如圖3所示。

圖3 系統電源設計Fig.3 Power design of the system

2.2 輔助電路設計

系統還有報警，參數記憶，實時時鐘，液晶顯示，RS485通信等功能，其輔助電路包括：

蜂鳴器報警電路采用NPN三極管放大電路，由單片機IO口發送高低電平，控制導通關閉。

系統記憶功能電路采用EEPROM 24C02存儲設定的溫度，風機工作頻率，以及時鐘參數。

實時時鐘電路[3]：采用PCF8563芯片，低功耗的CMOS實時時鐘／日歷芯片，所有的地址和數據通過I2C總線接口串行傳遞。每次讀寫數據后，內嵌的字地址寄存器會自動產生增量。

鍵盤和顯示電路：液晶顯示電路采用128*64的低功耗點陣圖形式LCD，多指令功能。鍵盤采用獨立式按鍵，分別為開關、模式設置、溫度增減、風量增減、溫度增減等功能。可以設置日歷時鐘，空調系統工作狀態查詢。

RS485通信電路[2]：系統中雙單片機采用MAX485實現數據通信，采用3個變頻器完成直流到交流逆變，控制壓縮機，冷凝風機，蒸發風機，設計中將變頻器和其中一個單片機視為從機，采用7 N 1 for ASCII的數據通信格式，Modbus Networks通信協議實現各模塊通信。圖4是微處理器和MAX487的接口電路，A、B為RS485總線接口，D為發送端，R為接收端，分別和單片機串行口的RXD和TXD連接，MAX487的RE、DE為收發使能信號，由單片機IO控制實現半雙工通信，當控制口為高電平時，MAX485處于發送狀態處理器TXD的數據經過A、B差分送到總線上，反之MAX485處于接收狀態。本系統對RS485通信應用設計中，A端和B端之間連接有匹配電阻，根據實際電路需要，匹配電阻需要針對從機的更改。

圖4 RS485通信電路Fig.4 ElectriccircuitoftheRS485conmunication

3 系統軟件設計

3.1 程序設計可分為兩大部分：主程序和中斷服務程序

電動車空調系統軟件分為主機控制軟件和從機部分。

1）主機主程序包括設定定時器，間隔時間獲取溫度數據：

串口初始化，遵循通信協議發送指令，并接收從機回傳的溫度數據；

完成LCD液晶顯示控制：包括液晶驅動、初始化，亮度、對比度調節；

鍵盤掃描[3]，變頻器控制，風量檔位切換，制冷、制熱溫度設定，空調工作模式選擇，新風送風時間設定等。

工作過程：主程序完成串口初始化、LCD初始化并顯示空調工作模式、實時時鐘、風量大小、環境溫度，掃描按鍵獲取相應鍵值，根據鍵值執行相應的指令動作，如選擇工作模式，溫度設定，當前時鐘調整，打開、關閉空調系統等。

2）從機主程序包括串口通信中斷控制、ADC模塊初始化[4]，溫度信號采集等。

主程序初始化后，系統完成ADC、串口、單片機IO口初始化后，根據主機發送的指令，完成溫度電壓信號的采集，并轉換成溫度信號，上傳到主機，同時接收主機發送的變頻器控制打開、關閉壓縮機、冷凝風機、蒸發風機，電磁閥指令。

3.2 中斷服務程序

中斷服務程序[5]包括定時器T0、定時器T1[6]，串口中斷服務程序。定時器T0定時時間為50ms，每次進入中斷子程序變量增加1，達到設定值，設置標志位，主程序根據標志位發送溫度獲取指令到從單片機，從單片機根據指令啟動ADC得到數據，并上傳。定時器T1定時時間為3s，主要用于壓縮機、冷凝風機間的延時，壓縮機保護延時，根據壓縮機使用指南，要求兩次啟動間隔不能小于3s，避免了由于誤操作導致壓縮機故障。

4 結 論

本控制器采用STC12C5A32AD單片機設計，電路性能穩定、功能強、可靠性高、成本較低。控制器抗干擾能力強，能在低溫和高溫地區長久穩定工作，由于采用的是Flash工藝的單片機，方便在線升級，可用于大巴客車空調控制，根據系統需要，設計中充分考慮了壓縮機高低壓保護，溫度過高保護等因素。

[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊.[EB/OL]（2011－11）.http：//www.mcu－memory.com/datasheet/stc/STCAD－PDF/STC12C5A60S2.pdf.

[2]MaximIntegratedProducts.MAX485Datasheet[EB/OL].[2010－01－10].http：//www.maxim－ic.com/pdfserv/en/ds/MAX485.pdf.

[3]何立民.I2C總線應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995

[4]丁向榮.STC系列增強型8051單片機原理與應用[M].北京：電子工業出版，2010.

[5]陳桂友.增強型8051單片機實用開發技術[M].北京：電子工業出版，2009.

[6]邵貝貝.單片機嵌入式應用的在線開發方法[M].北京：清華大學出版社，2004.