汽車空調的電氣控制器件與技術分析

張磊

【摘 要】文章首先對汽車空調的電氣控制器件進行簡要介紹，在此基礎上對汽車空調電氣控制系統的設計進行論述。期望通過本文的研究能夠對汽車空調電氣控制水平的提升有所幫助。

【關鍵詞】汽車空調；電氣控制；系統設計

1 汽車空調的電氣控制器件

1.1 汽車空調的功能

空調是汽車不可或缺的組成部分之一，幾乎所有的汽車上都裝有空調系統，其最為基本的功能是通過調節溫度，讓車廂內的環境達到使人舒適的程度。隨著汽車工業的不斷發展，一些高檔的汽車隨之出現，它們的空調系統除了能夠對車廂內的溫度進行調節和控制之外，還可以對車內的空氣進行凈化。常規的汽車空調一般都是由兩個系統構成，即制冷系統和采暖系統，前者由冷凝器、壓縮機、蒸發器以及管路等器件組成，后者則是由熱水閥、加熱器以及鼓風機等器件組成[1]。

1.2 汽車空調的控制器件

為實現上文中提到的各種功能，需要采用各種控制器件組成一個控制系統，對汽車空調進行控制，從而使車廂內的環境達到設定的溫度。這些器件包括單片機、電源、傳感器、執行器、驅動電路、按鍵及顯示模塊等。

2 汽車空調電氣控制系統的設計

2.1 控制系統硬件設計

2.1.1 單片機。為達到通用性的要求，在單片機的選擇上，應當以通用型的單片機，經過比較后，決定選用美國愛特梅爾公司研發的AVR單片機ATmega32作為主控制器。這是一款低功耗、高性能的8位微處理器，其具有先進的RISC結構和32個8位通用工作寄存器。ATmega32采用的是全靜態的工作方式，處于16MHz下，其工作性能可以達到16MIPS。不僅如此，它的可擦寫壽命高達10000次，具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區，可同時進行讀寫操作。接口為JTAG，可與IEEE1149.1標準相兼容，支持擴展的片內調試功能。

2.1.2 電源電路。通常情況下，汽車上安裝的蓄電池，能夠提供的電源一般都是12V，這個電源可用于繼電器、風機和步進電機的驅動。然而，由于AVR單片機必須使用5V的電源進行驅動，所以，需要將12V的電源轉換為5V電源，因此設計了一個電源轉換芯片，以此來完成電壓的轉換。本次設計中，選用了美國國家半導體公司生產的LM2576系列集成穩壓電路實現電壓轉換，它的最大輸出電流為3A，轉換效率可以達到75-88%，控制方式為PWM，分為正常和低功耗兩種工作模式。

2.1.3 溫度采集電路。在溫度傳感器的選擇上，經過比較后，決定選用DS18B20，這是一款數字式溫度傳感器，低功耗、體積小、高可靠性是其較為突出的特點，它與AVR單元機的雙向通信只需要I/O接口便可實現。由于該傳感器采用了當前較為先進的寄生電源技術，因此無需外接電源設備。

2.1.4 繼電器控制電路。本文所設計的汽車空調電氣控制系統當中，繼電器電路的主要作用是對熱水閥和壓縮機進行控制，為確保繼電器的運行穩定性和可靠性，選用了一款電磁型繼電器，其特點是動作響應速度快、體積小。由于該繼電器的最大工作電流僅有3A，從而使得AVR單片機無法對其進行直接驅動，所以需要外加驅動電路。雖然這樣增加了設計的工作量，但繼電器的運行穩定性卻得到了保障。同時，為對電磁干擾進行有效抑制，在信號輸入端增加了光電耦合電路。

2.1.5 風機轉速控制。本次設計中，采用PWM對汽車空調的風機轉速進行控制。在全速運行狀態下，風機的電壓為12V，借助驅動芯片，對風機兩端的電壓值進行改變，由此便可達到對風機轉速進行有效控制的目的。驅動芯片可對直流電機進行驅動，其最大工作電流為4.5A，具備溫度和過流保護兩大功能。按照電氣控制系統的設計要求，將風機轉速設計為5個等級，在最小風力等級的條件下，芯片輸出脈沖的占空比為50%，在最大風力等級的條件下，輸出脈沖的占空比為100%[2]。

2.1.6 風門開度控制。在本次設計中，利用直流步進電機對風門的開度進行控制，汽車的蓄電池可為電機提供相應的工作電壓，AVR單片機通過驅動控制器對步進電機進行控制。步進電機則利用連桿帶動風門完成轉動，當風門轉至指定位置后，由可變電阻所產生的高電平信號會自動穿入到控制器，當控制器接收到電平信號后，則會發出斷電指令，風門當前所處的位置會被連桿的齒輪卡口固定住，這樣便可對風門的開度進行控制。

2.2 控制系統軟件設計

2.2.1主控程序

在本系統中，主控制程序由計算機獨立提供，其可以對所有的子程序進行調用，任何子程序都不能得以主控制程序進行調用，是核心程序，在整個控制系統當中，該程序具有如下作用：對程序運行時所需的各種變量和顯示器所需的段碼進行定義；對硬件系統資源進行分配，定期對系統進行自檢；根據設計要求，在程序進入正常運行狀態的前提下，依次對其它子程序進行調用，并在調用子程序時，對現場進行保護，從而保證程序可以順利返回；對程序運行時的相關參數進行保存[3]。

2.2.2 溫度采集程序。這是一個子程序，它的主要功能是使AVR單片機對溫度傳感器進行操作，并將獲取的溫度值傳給顯示器。依據溫度傳感器的通信協議，AVR控制傳感器完成溫度轉換的具體步驟如下：在進行讀寫前，需要對傳感器進行復位，并在成功復位后，發出一條ROM指令，最后發送RAM指令。AVR接收到傳感器的響應信號之后，便會發出相應的操作指令。

2.2.3 轉速控制程序。本次設計中，對風機轉速的控制采用的是PWM。ATmega32上帶有PWM輸出端口，借助寄存器對PWM的工作周期和頻率進行設定，當收到轉速大小的調控指令后，便會通過輸出PWM波形，對占空比進行改變，進而達到控制風機轉速的效果[4]。

2.2.4 溫度顯示程序。汽車的駕駛人員在對空調系統進行控制時，通常都是依據顯示器給出的數值，通過顯示器顯示出來的溫度有兩種，一種是實時溫度，另一種是預先設定好的溫度。本次設計選用的顯示模塊為LCD1602，與溫度數值儲存在寄存器當中，如果駕駛員有需要，在可通過調用顯示程序，便可在顯示器面板上呈現出溫度數值。

2.3 抗干擾設計

由于本文所設計的電氣控制系統需要安裝在汽車上，而車輛處于行駛狀態時，會因為路面不平或急剎車，對系統的主要器件造成干擾，所以，在進行系統開發，必須采取有效的抗干擾措施。采用電解電容濾波對電源輸入和輸出端進行設置，以維持電源的穩定性；對長期不使用的集成電路，要上拉和下拉電路端子，避免端子出現運行故障；對元件位置進行合理設置，有效消除傳輸通道的干擾，為了降低耦合，可將去耦合電容安裝到集成電路芯片周圍；在布置元件時，要遵循靠近原則放置有關元件，要求電感部件遠離帶有干擾特性的元件。

3 結論

綜上所述，本文針對汽車空調的工作原理，提出了電氣控制系統的設計思路，并對系統的硬件和軟件設計進行分析，同時，該給出了系統抗干擾的措施。目前，本文所設計的系統已在國內某品牌的汽車上進行了試應用，結果表明，該系統運行穩定、可靠，并且具有良好的控制效果，可進行推廣使用。

【參考文獻】

[1]張鋒.基于模糊控制的汽車空調控制系統的設計與仿真[J].工業控制計算機，2016（3）：38-39.

[2]胡勇.基于模糊控制技術的汽車空調半導體制冷片送風系統仿真研究[J].電子制作，2017（6）：76-77.

[3]嚴光.淺析基于單片機的汽車空調控制系統的設計[J].科技視界，2014（6）：54-55.

[4]沈陽，陳永軍，劉湃.基于微控制器的汽車空調步進電機控制系統設計與實現[J].儀器儀表與分析監測，2017（5）：89-90.