基于WIFI技術的汽車空調測控系統的研究

王濤， 龍志軍， 駱恒光

（1.佛山職業技術學院汽車系，廣東 佛山 528137,；2.華南農業大學工程學院，廣州510642）

0 引言

汽車空調是汽車舒適性的關鍵設備之一，缺少空調或者空調制冷效果較差或不制冷，會惡化汽車內部駕駛環境，使里面的乘客頭暈乃至不舒服、駕駛員瞌睡等，嚴重的會導致車禍[1]，因此隨著我國社會的發展，空調得到了越來越多的重視。汽車空調在長期的使用過程中，由于磨損等各種原因導致汽車空調不制冷或斷續的制冷，嚴重地影響了汽車的舒適性[2]。

1 汽車空調檢測面臨的問題

1.1 壓力檢測方面

汽車空調不制冷或制冷效果不佳的最大的原因是汽車空調內部制冷劑泄漏，導致制冷劑過少從而影響制冷效果。汽車空調由于長期使用，會出現管路老化、部件磨損等各種問題，會使汽車空調制冷劑逐漸流失，因此需要對空調進行診斷進一步判斷汽車空調的問題所在[3]。汽車空調制冷劑的損失通常反映在汽車空調壓力上[4-6]，目前汽車空調自身系統中沒有壓力數值判斷設備，只有高、低壓開關，在壓力極端異常的情況下，斷開汽車空調的電路[7]。而常見的汽車診斷工具解碼器也不能讀取汽車空調的壓力數據，因此傳統的壓力讀取數據就是在汽車空調維修接口上連接汽車空調歧管壓力表，通過壓力表臨時讀取壓力數據來判斷空調壓力的狀況，而且只能在汽車靜止時使用，反映不出汽車行駛時真實的壓力數據[8]。

1.2 流量檢測方面

另外一種常見的故障就是汽車空調膨脹閥處發生冰堵或管路其他地方堵塞，從而使致制冷劑不能流動使汽車空調斷續制冷或完全不制冷。如果空調管路中進入空氣，會有少量的水蒸氣進入空調管路進行循環流動，流動到膨脹閥處，很容易導致其堵塞，另外如果系統有其他的異物也可能導致管路堵塞，判斷制冷劑是否流動往往通過安裝在汽車空調儲液干燥器上的視液窗來觀察，此時必須打開發動機艙在汽車靜止時短時間觀察，而往往觀察不確定，只能憑借經驗進行大概的診斷，目前汽車空調的檢測診斷工具中沒有很明確的設備可以用來診斷汽車空調制冷劑的流動性，因此很多維修人員只是憑借經驗進行大概的估計[9-10]。

1.3 制冷劑及機油添加方面

在汽車空調保養維修的過程中，由于制冷劑的缺失，通常只需要補充添加制冷劑R134a就可以了，而在汽車空調進行管路維修后需要重新加入制冷劑。大部分汽車發動機艙中都標有汽車空調使用的制冷劑的種類及添加的質量。市場上銷售的汽車空調制冷劑R134a有瓶裝和罐裝2種，瓶裝制冷劑往往是個人簡單使用，汽車維修店一般使用罐裝制冷劑對汽車空調進行制冷劑的添加。制冷劑添加有一定量的要求，傳統的加注制冷劑是通過歧管壓力表進行加注[11-12]，通過觀測表頭的壓力，估算出大概的量，這就會造成添加量具有很大的不確定性，也就不能確保汽車空調保持在一個最佳的工作范圍。當汽車空調運行時，也要適時補充冷凍機油，冷凍機油傳統的加注也是根據維修人員的經驗大概加注，通常采用將機油倒入壓縮機或者將對系統抽真空后通過歧管壓力表吸入，吸入的過程中如果出現操作不當就會吸入空氣，進而影響空調的正常工作。所以，由于制冷劑及機油的添加不能給出一個準確具體的數值，就會影響汽車空調的最佳運作。

1.4 教育教學問題

在汽車空調檢測維修教學實踐中，常見的教法是:老師對著一臺汽車空調臺架，通過一臺連接設備進行講述，一群學生圍觀。由于學生人數比較多，每個人不能詳細觀看這些數據，就會出現學生學習空調似懂非懂的現象，降低學生學習的興趣，以至于影響教學的效果。

2 汽車空調測控系統設計

2.1 系統設計的特點

基于對以上問題的現狀分析，本系統設計一套基于WIFI技術的汽車空調測控系統，將其安裝在汽車空調的高、低壓管路中，對汽車空調的數據實時監控[13]。該系統具有以下特點：

1）汽車無論在靜止或運行時都能對汽車空調的高壓管路壓力、低壓管路壓力進行測控，當壓力出現異常時進行提醒，并能實時保存記錄數據，方便車主或維修人員查詢。

2）只要汽車空調運行，都能在空調運行時對空調流量進行實時測控，檢測汽車空調系統在運行時制冷管路是否堵塞，如果有堵塞可以通過警示提醒裝置提示汽車使用者或維修人員。

3）當汽車空調管制冷系統出現異常，制冷劑或冷凍機油需要添加時，可以通過維修接口進行添加，有溫度傳感器及壓力傳感器作為修正值，可以準確記錄某時間段添加的制冷劑的質量，為空調制冷劑及冷凍機油添加提供較為準確的數據，使汽車空調可以運行在最佳的工作狀態，產生較為理想的制冷效果，且避免常規加注時往往會帶進系統部分空氣，避免由于進入空氣產生冰堵。

4）成本低廉，使用方便。該系統采用WIFI進行數據傳輸，在智能手機普及的今天，可以使系統簡單化，省去了傳統檢測儀器的顯示部分，就會降低成本，通過WIFI系統可以方便進行系統數據的讀取工作，且系統檢測到空調運行異常時可以進行故障提醒。

5）可隨時讀取數據。通過該系統讀取數據，可以方便維修人員進行故障的判斷及維修工作，也有利于檢控汽車空調運行的數據參數，為研發廠家提供數據支持，便于改進產品工藝，提高質量。

6）有利于教學質量的提高。本系統通過WIFI進行數據傳輸，使系統可以同時連接數臺手機進行數據的讀取工作。方便教師在講述汽車空調的檢測維修課程時，避免出現教師一人講，一群學生圍觀一臺設備觀看數據變化的現象，保證每一位學生都可以利用各自的手機，通過WIFI進行數據連接，觀察數據的變化，有利于提高汽車空調的教學效果。在制冷劑及冷凍機油的添加過程中，學生可以通過數據觀察，準確地掌握加注的量及加注流程，可以很快適應汽車空調的維修崗位。所有這些都可以提高教學的質量，激發學生學習的興趣[14]。

2.2 系統硬件原理

在汽車空調的高壓管路中，在位于儲液干燥器與膨脹閥之間靠近膨脹閥的位置安裝流量傳感器1，在高壓維修管路上安裝流量傳感器2、高壓壓力傳感器及高壓溫度傳感器，具體如圖1所示，維修段設置為紅色，符合汽車空調歧管壓力表高壓段管路紅色的慣例。運用高壓流量傳感器1檢測汽車空調高壓管路液態制冷劑R134a的流動狀況，當檢測到A/C開關及電磁離合器運行時，如果流量傳感器1檢測數據為零或數值很小，可以初步判斷空調管路不通。

圖1 汽車空調的高壓維修管路

利用高壓壓力傳感器檢測空調的壓力。汽車空調由于長期運行會導致制冷劑量減少（正常情況和非正常制冷劑都會泄漏，只是泄漏量不同），因而使空調的壓力降低，影響制冷效果，因此可利用高壓壓力傳感器檢測空調的壓力，結合發動機轉速及溫度，判斷壓力是否處于正常值，如果檢測到壓力過低，提醒用戶進行維修及補充制冷劑工作。

利用汽車空調高壓管路流量傳感器2，檢測計算添加制冷劑或冷凍機油的流量。加注時可以根據以下公式計算出加注量，在一定時間段平均壓力ΔP及溫度參數ΔT修正下，分別在利用圖1維修接口進行加注，公式為

式中：Δm為所測應加注物質的質量；ΔV為所加注時的流速，此流速為流量傳感器2檢測的值；Δt為系統檢測的單位時間段；Δρ為此時段的密度。

因此系統加注的總的質量為

式中：M即為系統設計的每次檢控的加注質量之和[15]。

在汽車空調低壓段處在汽車空調的蒸發器與壓縮機之間的位置安裝低壓流量傳感器1，以檢測空調低壓段流量的變化，從而輔助判斷空調管路有無堵塞。在低壓維修管路上安裝有檢測低壓段的壓力傳感器、流量傳感器2及低壓溫度傳感器。系統維修管路設計成藍色，符合空調維修顏色表示的慣例，具體如圖2所示。

圖2 汽車空調的低壓維修管路

通過發動機轉速及低壓溫度、壓力傳感器，可判斷低壓力是否處在正常范圍，對汽車空調壓力變化進行預警檢測。利用低壓段流量傳感器2、低壓壓力傳感器及低壓溫度傳感器計算添加制冷劑及冷凍機油的質量，具體加注量也是根據高壓段加注公式（式（1）、式（2））進行加注劑量計算，只是低壓管路中添加的制冷劑為氣態狀，所以在不同壓力及溫度下，密度變化較大。

系統設計各傳感器相互利用協同工作，利用高、低壓管路中流量傳感器1及壓力傳感器判斷系統是否正常，利用壓力傳感器及溫度傳感器作為修正添加制冷劑或冷凍機油的修正量，使高、低壓管路流量傳感器2能夠準確測量出添加的質量。

2.3 系統電路及無線傳輸模塊

該模塊檢測各傳感器后經過數據分析計算保存等處理方式，把數據通過WIFI模式傳送出去，可以實現數據的實時傳遞處理、預警提醒檢控等功能，具體如圖3所示。

圖3 信息數據傳遞流程

3 系統軟件的開發

系統軟件開發分為2部分：一部分為單片機軟件編程，通過各傳感器采集數據傳遞給單片機，經過單片機信號運算處理后進行數據保存；第二部分是開發移動設備終端設備使用的APP軟件，利用WIFI技術讀取單片機儲存及發送的信號，實現信號互通，方便數據讀取工作。在汽車空調出現故障時，APP軟件可以自動給移動終端發布故障提示信息。

APP軟件顯示包括2部分：第一部分為數據顯示及故障診斷部分。系統通過檢測空調的A/C開關及電磁離合器參數，確定汽車空調是否處于運行狀態。當系統檢測到汽車空調運行時，將進行數據采集工作，通過把采集的數據進行運算處理，與系統存儲的數據進行比對，判斷汽車空調的運行狀況，顯示汽車空調的制冷劑流動信息及壓力信息，并進行數據的記錄與保存工作。當檢測的數據出現異常時，系統可自動開啟提醒功能，提醒空調數據異常，告知用戶汽車空調哪里出現問題。當檢測到汽車空調不工作時，系統保持在工作時最后的狀態。第二部分為維修處理系統。當汽車空調需要添加制冷劑或冷凍機油時，此系統處于運行狀態，可以選擇添加的物質是制冷劑還是冷凍機油，如選擇的是添加制冷劑R134a時，系統自動進行運算處理，直到添加的質量符合系統所要求的質量時，可關閉加注開關，達到準確加注的目的。冷凍機油也是采用同樣的加注計算方式，每次加注完成后系統會自動歸零，以方便下次的添加。

4 系統試驗

4.1 多人讀取數據

通過對本系統的試驗，多位學生在各自的手機上（目前開發的安卓手機）安裝一個APP軟件，當汽車空調處于工作狀態，可以實現多位學生同時利于手機APP軟件讀取系統運行的數據，方便各種數據的觀察，大大提高了教學質量，增強了學生的學習興趣。

圖4 空調正常運行時的數據讀取

圖5 空調壓力過低時的數據讀取

4.2 數據顯示及故障提醒

通過在汽車上安裝此系統，利用移動終端讀取數據，分別進行幾種比較典型的試驗:第一種情況是當空調正常運行時進行數據讀取的試驗，如圖4所示；第二種情況是放掉一部分制冷劑，當系統壓力過低時空調處于工作狀態時的讀取數據的試驗，如圖5所示；第三種情況是汽車空調出現故障，膨脹閥堵塞時運行的數據讀取的試驗，如圖6所示。

圖6 空調故障時的數據讀取

圖7 汽車空調加注選擇界面

4.3 加注工作試驗

當本系統處于運行狀態時，點擊加注按鈕，系統會顯示另一個界面，選擇加注制冷劑R134a或者冷凍機油，在加注時可以自動計算加注的劑量，為了避免誤操作，如加注制冷劑計算成冷凍機油的量，所以系統給出一個選擇按鈕，點擊R134a加注或機油加注，2個按鈕中只能有1個處于開啟狀態，或同時都處于關閉狀態，不能同時開啟2個按鈕。高、低壓加注或一端加注，系統都會自動相加，得出一個總的加注量，每加注一次完成后系統自動清零，為計算下次加注做準備，具體如圖7所示。

5 結論

通過試驗，本系統初步實現了設計的目標，尤其作為教學設備，多個學生同時讀取汽車空調的數據，方便了教學。壓力讀取時，通過與歧管壓力表讀取的數據基本相符，通過多次試驗發現，基本誤差保持在低壓0.05 MPa、高壓0.3 MPa之間波動，但是在添加制冷劑時特別是氣態制冷劑，由于壓力及溫度的變化，需要做大量的試驗，目前誤差還比較大些，誤差率在3%～5%之間，在故障提醒等方面，系統基本符合設計的要求。