新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境溫度多點溫變實時比較記錄儀應(yīng)用設(shè)計

李明哲，陳玉華，李夢薇

(1.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476100；2.中移在線股份有限公司，河南 鄭州 450000)

近年來，隨著新能源汽車的推廣和應(yīng)用，動力電池系統(tǒng)的能量密度及續(xù)航里程大幅提高.更高的續(xù)航里程使乘車人在車上的時間相對增加.車內(nèi)空氣質(zhì)量和溫度的恒定能給人舒適的感覺，但如果車內(nèi)溫度忽高忽低，將會直接影響乘員的乘車感受，因此，汽車空調(diào)的恒溫控制就顯得非常關(guān)鍵和必要.但是，目前在汽車空調(diào)工作過程中，動態(tài)系統(tǒng)溫度變化的精準(zhǔn)控制還缺乏系統(tǒng)管理的有效途徑和工藝方法，因此，有必要對現(xiàn)有的空調(diào)測控系統(tǒng)做進(jìn)一步的改進(jìn)，從而優(yōu)化空調(diào)溫度控制的管理模式.在空調(diào)系統(tǒng)工作過程中動態(tài)系統(tǒng)溫度變化的精準(zhǔn)測量是優(yōu)化管理模式的關(guān)鍵.汽車空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境溫度多點溫變實時比較記錄儀就是針對車內(nèi)動態(tài)系統(tǒng)溫度變化精準(zhǔn)測量設(shè)計的一款在線式多點溫變實時比較記錄儀.

1 硬件組成設(shè)計

1.1 模塊結(jié)構(gòu)及功能

汽車空調(diào)系統(tǒng)環(huán)境溫度多點溫變實時比較記錄儀系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成.硬件部分由多點溫度采集系統(tǒng)和工控機(jī)組成，其借助工控計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、判定及執(zhí)行命令的推送.它具有結(jié)構(gòu)簡單、智能化程度高和工作安全可靠等特點,能有效解決新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)由于溫度傳感系統(tǒng)問題導(dǎo)致的溫度失衡.

多點溫度采集系統(tǒng)包括STM32微控制器、服務(wù)保障模塊、電源處理模塊、I/O輸入輸出模塊、時鐘處理模塊、USB通信處理模塊、數(shù)字溫度傳感器模塊和N路溫度采集傳感器檢測模塊.具體系統(tǒng)模塊構(gòu)成，如圖1所示：

圖1 多點溫度測試系統(tǒng)模塊組成

STM32微控制器用于對多路溫度參數(shù)的處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和與工控機(jī)的數(shù)據(jù)通信.服務(wù)保障模塊、電源處理模塊、I/O輸出輸入模塊、時鐘處理模塊、USB通信處理模塊、數(shù)字溫度傳感器模塊、N路溫度采集傳感器檢測模塊通過數(shù)據(jù)總線分別與STM32微控制器相連接.各系統(tǒng)模塊的作用是：工控機(jī)用于接收、存儲、處理多點溫度采集系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)，顯示相應(yīng)的實時溫度曲線；服務(wù)保障模塊用于建立電路工作環(huán)境,保障工控機(jī)和STM32微控制器正常工作；電源處理模塊用于給系統(tǒng)供電；I/O輸入輸出模塊用于信息的輸入和輸出；時鐘處理模塊用于設(shè)置系統(tǒng)的時間；USB通信處理模塊用于系統(tǒng)之間的通信；數(shù)字溫度傳感器模塊用于測量、繪制、保存空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境定點溫度正常工作情況下的溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行環(huán)境溫變狀態(tài)監(jiān)測比較；N路溫度采集傳感器檢測模塊用于對各定點環(huán)境區(qū)域的溫度參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸.

1.2 微處理器相關(guān)功能及電路構(gòu)成設(shè)計

硬件系統(tǒng)采用STM32系列單片機(jī)作為MCU微處理器，外圍配置系統(tǒng)時鐘、定時器、USB2.0全速通信模式接口和相關(guān)I/O端口等.為了保證測量溫度的均勻性和準(zhǔn)確性，本設(shè)計采用N路溫度傳感器密集布點采樣進(jìn)行溫度采集23(N為自然數(shù)，可取1、2、3、4、…)；對數(shù)據(jù)輸入端口容量可根據(jù)實際測量需要實現(xiàn)按2的增次方(即21、22、23、…)數(shù)擴(kuò)容，能夠自動檢測識別處理.N路溫度采集傳感器模塊分別通過各自集成數(shù)字傳感探頭完成對定點環(huán)境區(qū)域溫度參數(shù)的采集和傳輸，極大地擴(kuò)展了測量的范圍和取點的方便性[1].通過溫度測量模塊TEMPER實現(xiàn)與微處理器的連接通訊.STM32微處理器將處理過的溫度數(shù)據(jù)通過USB端口實時傳輸給工控機(jī)，生成N+1(1是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線，N是有效接入的傳感器路數(shù))條數(shù)據(jù)曲線，由曲線顯示系統(tǒng)顯示并進(jìn)行實時數(shù)據(jù)比較分析處理.

STM32微處理器及溫度采集模塊相關(guān)處理電路如圖2、圖3所示.

圖2 MCU小系統(tǒng)處理模塊

圖3 溫度測量處理模塊

1.3 微處理器STM32工作過程分析

微處理器STM32具體工作過程為：

1)STM32微處理器系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化.包括配置系統(tǒng)時鐘、定時器及其中斷、外部中斷、USB通信模式和相關(guān)I/O輸出輸入端口.

2)STM32微處理器檢測每個數(shù)字溫度傳感器是否接入系統(tǒng).如果接入系統(tǒng)則對該溫度傳感器進(jìn)行初始化；如果沒有接入系統(tǒng)，則在下一步的溫度采集過程中忽略該接口，完成自動檢測識別處理.

3)STM32微處理器檢測是否與工控機(jī)通過USB方式進(jìn)行了有效的連接.如果連接成功，執(zhí)行工控機(jī)發(fā)送的各種命令；如果沒有建立有效的連接，在微控制器系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行顯示，提示重新連接.

4)STM32微處理器完成對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理.微處理器獲取接入系統(tǒng)的每一個溫度傳感器的傳輸數(shù)據(jù)，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，對由于現(xiàn)場干擾及各種偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定等因素而造成的誤差脈沖干擾，利用改進(jìn)的數(shù)字濾波算法進(jìn)行實際應(yīng)用處理，同時借鑒滑動平均值濾波算法與算術(shù)平均值濾波法消除脈沖干擾[2]，以保證數(shù)據(jù)的實時性和快速性，輸出經(jīng)過濾波后的數(shù)據(jù)，同時對處理過的數(shù)據(jù)按照一定方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換和編碼.

5)STM32微處理器將處理過的溫度數(shù)據(jù)通過USB實時傳輸給工控機(jī)，由工控機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的存儲和圖形顯示輸出.STM32微處理器和工控機(jī)能對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和圖形顯示，利用其具有的數(shù)據(jù)處理和圖形曲線輸出功能可以采集存儲標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線、實時測試數(shù)據(jù)形成的即時數(shù)據(jù)曲線和時間-溫變數(shù)據(jù)曲線，保存成相關(guān)數(shù)據(jù)文件，以備查詢和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 軟件系統(tǒng)及相關(guān)處理程序設(shè)計

軟件系統(tǒng)由安裝在工控機(jī)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件和STM32微處理器系統(tǒng)的嵌入式功能軟件構(gòu)成.

STM32微處理器嵌入軟件的功能是對數(shù)據(jù)采集卡獲取接入系統(tǒng)的每一個數(shù)字溫度傳感器的傳輸數(shù)據(jù)，利用算法進(jìn)行系列運算處理，確?？照{(diào)溫度數(shù)據(jù)突變時，實時圖形曲線的平滑度和靈敏度，加強(qiáng)系統(tǒng)溫度由突變到連續(xù)變化過程對參數(shù)變化趨勢的反應(yīng)適應(yīng)性，克服因偶然因素造成的波功干擾，然后對濾波過后的有效數(shù)據(jù)按照與計算機(jī)(程序)確定的通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換、編碼與加密處理[3].有關(guān)軟件程序如下：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)

unsigned char temp,i;

if(htim->Instance == htim3.Instance)

starcom++;

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_12);

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_11);

if(starcom >0x1f)；//等待USB設(shè)備枚舉結(jié)束

starcom = 0x1c;

if(send_data[3] == 0xff);

else

send_data[7]=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_10)；//查詢壓縮機(jī)是否運行

DS18B20_Get_Temp()；//獲取、處理并得到第一個溫度傳 感器的溫度值(下同)

DS18B21_Get_Temp();

DS18B22_Get_Temp();

DS18B23_Get_Temp();

DS18B24_Get_Temp();

DS18B25_Get_Temp();

DS18B26_Get_Temp();

DS18B27_Get_Temp();

for(i=8;i<24;i++)

temp += send_data[i];

send_data[24] = (temp)&0xff;

if(receive_data_f == 1)；//如果收到上位機(jī)發(fā)給本設(shè)備的命令

starcom = 0x1a;receive_data_f = 0;

if(receive_data_f == 2)；//如果收到上位機(jī)發(fā)給本設(shè)備的命令

CDC_Transmit_FS(send_data,26)；//向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

else

3 系統(tǒng)設(shè)計樣機(jī)制作和實測曲線

利用本系統(tǒng)設(shè)計的樣機(jī)及進(jìn)行實際測試曲線分別如圖4、圖5所示.圖4是利用工控機(jī)和本系統(tǒng)硬件模塊裝配的在線式多點溫變實時比較記錄儀樣機(jī).樣機(jī)采用8路數(shù)字溫度傳感器，通過屏蔽電纜和專用接口與微控制器及工控機(jī)連通，完成定點溫度測控、數(shù)據(jù)計算、結(jié)果判定、圖形曲線顯示功能，同時通過專用接口實現(xiàn)與車載中央處理器(ECU)的數(shù)據(jù)交換和通訊.

圖5為利用樣機(jī)實測的定點溫度變化曲線，從圖形曲線可以看到，系統(tǒng)對溫度突變和平緩變化的處理和顯示都達(dá)到理想效果，符合設(shè)計要求.

圖5 多點溫度測試儀實測曲線圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計特點分析

本設(shè)計的特點是多點溫度采集系統(tǒng)通過工控機(jī)實現(xiàn)對新能源汽車空調(diào)的智能控制.與現(xiàn)有技術(shù)相比，系統(tǒng)通過對車輛內(nèi)部環(huán)境溫變數(shù)據(jù)采樣并對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能比較，結(jié)合新能源汽車空調(diào)中控系統(tǒng)，優(yōu)化壓縮機(jī)工作狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)風(fēng)口機(jī)構(gòu)開閉，智能控制風(fēng)量和出風(fēng)方向，有效提高了新能源汽車乘用環(huán)境的舒適性.

與常規(guī)測量方法相比，本設(shè)計實現(xiàn)了利用數(shù)字溫度傳感器測量數(shù)據(jù)、繪制并保存空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境定點溫度正常工作情況下溫度標(biāo)準(zhǔn)曲線，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行環(huán)境溫變狀態(tài)監(jiān)測比較，實現(xiàn)了對每個溫度傳感器進(jìn)行定點設(shè)置功能.

利用實時溫變參數(shù)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判定壓縮機(jī)在工作過程中的狀態(tài)變化，以便于對壓縮機(jī)進(jìn)行工作狀態(tài)管理.同時，根據(jù)測定的溫度，設(shè)置調(diào)整風(fēng)口位置分布和走向，為汽車廠家加快整車設(shè)計進(jìn)度提供數(shù)據(jù)依據(jù).

5 結(jié)語

本次設(shè)計的比較記錄儀采用標(biāo)樣定位技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)環(huán)境溫度取樣.軟件通過系統(tǒng)優(yōu)化算法，依據(jù)多點環(huán)境溫度變化數(shù)據(jù)生成最佳工作狀態(tài)下的溫度實時對比曲線.系統(tǒng)通過傳感技術(shù)數(shù)據(jù)及實時監(jiān)測的環(huán)境動態(tài)變化參數(shù)，使全車溫變狀態(tài)控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線啟動空調(diào)管理系統(tǒng)控制端，進(jìn)行工作干預(yù)，達(dá)到實時調(diào)控壓縮機(jī)在不同的電壓、電流以及外負(fù)載瞬變情況下快速響應(yīng)的目的.另外，還可通過擴(kuò)展功能，智能控制協(xié)調(diào)管理整車電力的使用和輸出，建立溫控系統(tǒng)工作最佳優(yōu)化狀態(tài)模型，提升新能源汽車整車舒適性能和安全性能.