汽車空調(diào)的電氣控制器件與技術(shù)分析

張磊

【摘 要】文章首先對汽車空調(diào)的電氣控制器件進(jìn)行簡要介紹，在此基礎(chǔ)上對汽車空調(diào)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。期望通過本文的研究能夠?qū)ζ嚳照{(diào)電氣控制水平的提升有所幫助。

【關(guān)鍵詞】汽車空調(diào)；電氣控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 汽車空調(diào)的電氣控制器件

1.1 汽車空調(diào)的功能

空調(diào)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(diào)系統(tǒng)，其最為基本的功能是通過調(diào)節(jié)溫度，讓車廂內(nèi)的環(huán)境達(dá)到使人舒適的程度。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，一些高檔的汽車隨之出現(xiàn)，它們的空調(diào)系統(tǒng)除了能夠?qū)噹麅?nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制之外，還可以對車內(nèi)的空氣進(jìn)行凈化。常規(guī)的汽車空調(diào)一般都是由兩個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成，即制冷系統(tǒng)和采暖系統(tǒng)，前者由冷凝器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)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(fēng)機(jī)等器件組成[1]。

1.2 汽車空調(diào)的控制器件

為實(shí)現(xiàn)上文中提到的各種功能，需要采用各種控制器件組成一個(gè)控制系統(tǒng)，對汽車空調(diào)進(jìn)行控制，從而使車廂內(nèi)的環(huán)境達(dá)到設(shè)定的溫度。這些器件包括單片機(jī)、電源、傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動電路、按鍵及顯示模塊等。

2 汽車空調(diào)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 單片機(jī)。為達(dá)到通用性的要求，在單片機(jī)的選擇上，應(yīng)當(dāng)以通用型的單片機(jī)，經(jīng)過比較后，決定選用美國愛特梅爾公司研發(fā)的AVR單片機(jī)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(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)和32個(gè)8位通用工作寄存器。ATmega32采用的是全靜態(tài)的工作方式，處于16MHz下，其工作性能可以達(dá)到16MIPS。不僅如此，它的可擦寫壽命高達(dá)10000次，具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，可同時(shí)進(jìn)行讀寫操作。接口為JTAG，可與IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)相兼容，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)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(gè)電源可用于繼電器、風(fēng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。然而，由于AVR單片機(jī)必須使用5V的電源進(jìn)行驅(qū)動，所以，需要將12V的電源轉(zhuǎn)換為5V電源，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)電源轉(zhuǎn)換芯片，以此來完成電壓的轉(zhuǎn)換。本次設(shè)計(jì)中，選用了美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LM2576系列集成穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，它的最大輸出電流為3A，轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)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(jīng)過比較后，決定選用DS18B20，這是一款數(shù)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(diǎn)，它與AVR單元機(jī)的雙向通信只需要I/O接口便可實(shí)現(xiàn)。由于該傳感器采用了當(dāng)前較為先進(jìn)的寄生電源技術(shù)，因此無需外接電源設(shè)備。

2.1.4 繼電器控制電路。本文所設(shè)計(jì)的汽車空調(diào)電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中，繼電器電路的主要作用是對熱水閥和壓縮機(jī)進(jìn)行控制，為確保繼電器的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，選用了一款電磁型繼電器，其特點(diǎn)是動作響應(yīng)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(jī)無法對其進(jìn)行直接驅(qū)動，所以需要外加驅(qū)動電路。雖然這樣增加了設(shè)計(jì)的工作量，但繼電器的運(yùn)行穩(wěn)定性卻得到了保障。同時(shí)，為對電磁干擾進(jìn)行有效抑制，在信號輸入端增加了光電耦合電路。

2.1.5 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制。本次設(shè)計(jì)中，采用PWM對汽車空調(diào)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在全速運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)的電壓為12V，借助驅(qū)動芯片，對風(fēng)機(jī)兩端的電壓值進(jìn)行改變，由此便可達(dá)到對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制的目的。驅(qū)動芯片可對直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，其最大工作電流為4.5A，具備溫度和過流保護(hù)兩大功能。按照電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為5個(gè)等級，在最小風(fēng)力等級的條件下，芯片輸出脈沖的占空比為50%，在最大風(fēng)力等級的條件下，輸出脈沖的占空比為100%[2]。

2.1.6 風(fēng)門開度控制。在本次設(shè)計(jì)中，利用直流步進(jìn)電機(jī)對風(fēng)門的開度進(jìn)行控制，汽車的蓄電池可為電機(jī)提供相應(yīng)的工作電壓，AVR單片機(jī)通過驅(qū)動控制器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)則利用連桿帶動風(fēng)門完成轉(zhuǎn)動，當(dāng)風(fēng)門轉(zhuǎn)至指定位置后，由可變電阻所產(chǎn)生的高電平信號會自動穿入到控制器，當(dāng)控制器接收到電平信號后，則會發(fā)出斷電指令，風(fēng)門當(dāng)前所處的位置會被連桿的齒輪卡口固定住，這樣便可對風(fēng)門的開度進(jìn)行控制。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1主控程序

在本系統(tǒng)中，主控制程序由計(jì)算機(jī)獨(dú)立提供，其可以對所有的子程序進(jìn)行調(diào)用，任何子程序都不能得以主控制程序進(jìn)行調(diào)用，是核心程序，在整個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)中，該程序具有如下作用：對程序運(yùn)行時(shí)所需的各種變量和顯示器所需的段碼進(jìn)行定義；對硬件系統(tǒng)資源進(jìn)行分配，定期對系統(tǒng)進(jìn)行自檢；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在程序進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)的前提下，依次對其它子程序進(jìn)行調(diào)用，并在調(diào)用子程序時(shí)，對現(xiàn)場進(jìn)行保護(hù)，從而保證程序可以順利返回；對程序運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行保存[3]。

2.2.2 溫度采集程序。這是一個(gè)子程序，它的主要功能是使AVR單片機(jī)對溫度傳感器進(jìn)行操作，并將獲取的溫度值傳給顯示器。依據(jù)溫度傳感器的通信協(xié)議，AVR控制傳感器完成溫度轉(zhuǎn)換的具體步驟如下：在進(jìn)行讀寫前，需要對傳感器進(jìn)行復(fù)位，并在成功復(fù)位后，發(fā)出一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令。AVR接收到傳感器的響應(yīng)信號之后，便會發(fā)出相應(yīng)的操作指令。

2.2.3 轉(zhuǎn)速控制程序。本次設(shè)計(jì)中，對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)行設(shè)定，當(dāng)收到轉(zhuǎn)速大小的調(diào)控指令后，便會通過輸出PWM波形，對占空比進(jìn)行改變，進(jìn)而達(dá)到控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的效果[4]。

2.2.4 溫度顯示程序。汽車的駕駛?cè)藛T在對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，通常都是依據(jù)顯示器給出的數(shù)值，通過顯示器顯示出來的溫度有兩種，一種是實(shí)時(shí)溫度，另一種是預(yù)先設(shè)定好的溫度。本次設(shè)計(jì)選用的顯示模塊為LCD1602，與溫度數(shù)值儲存在寄存器當(dāng)中，如果駕駛員有需要，在可通過調(diào)用顯示程序，便可在顯示器面板上呈現(xiàn)出溫度數(shù)值。

2.3 抗干擾設(shè)計(jì)

由于本文所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)需要安裝在汽車上，而車輛處于行駛狀態(tài)時(shí)，會因?yàn)槁访娌黄交蚣眲x車，對系統(tǒng)的主要器件造成干擾，所以，在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，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(jìn)行設(shè)置，以維持電源的穩(wěn)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(xiàn)運(yùn)行故障；對元件位置進(jìn)行合理設(shè)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(shí)，要遵循靠近原則放置有關(guān)元件，要求電感部件遠(yuǎn)離帶有干擾特性的元件。

3 結(jié)論

綜上所述，本文針對汽車空調(diào)的工作原理，提出了電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并對系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，同時(shí)，該給出了系統(tǒng)抗干擾的措施。目前，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已在國內(nèi)某品牌的汽車上進(jìn)行了試應(yīng)用，結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，并且具有良好的控制效果，可進(jìn)行推廣使用。

【參考文獻(xiàn)】

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[4]沈陽，陳永軍，劉湃.基于微控制器的汽車空調(diào)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2017（5）：89-90.