王文涛，贾志成，张 艳

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

基于PIC的汽车空调控制器的设计

王文涛，贾志成，张 艳

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

对于汽车空调这类强非线性系统，普通线性控制策略难以满足对控制效果的要求，智能控制策略更适合控制这类系统。简要介绍模糊控制原理，对其在汽车空调混合风门的控制进行详细介绍，结果表明具有较高的控制精度，分别从硬件及软件设计两个方面进行了阐述，对控制系统的控制单元进行了设计，采用PIC单片机作为控制单元处理器，对控制规则进行了设计。系统具有可靠性高、抗干扰能力强、电路简单等特性。

汽车空调；模糊控制；混合风门；PIC

随着汽车工业和智能控制的发展，汽车空调应用已经相当普及，而人们对车内环境的要求也在逐步的提高。汽车空调的自动化、智能化也越来越成为发展的一个方向，模糊控制在汽车空调中的应用不仅增加乘客的舒适度，而且大大提高了空调的使用效率。

汽车空调一般包括压缩机、蒸发器、冷凝器、加热阀、鼓风机以及混合风门等部件。智能控制就是要这几大部件协调工作，达到温度自动智能控制的目的。其中混合风门的开度决定汽车空调的控制的精度和系统的鲁棒性。笔者就是利用模糊控制对其进行了研究，硬件上选用了Microchip的PIC单片机，其最大的优点是引脚少、功能强、可直接驱动LED负载；具有低功耗工作方式，外围配置简单提高了整机的可靠性；并且具有较强的抗干扰性，极大地调高了抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力。

1 模糊控制理论介绍

1.1 模糊理论简介

模糊系统理论是由美国自动控制理论专家L.A.Zadeh于1965年创立的[1]。随着模糊控制系统在工业界得成功应用，越来越多的学者都对模糊系统及其理论进行了广泛的研究和应用，使其在各个领域取得了迅速的发展。如今，因其简单而有效地控制功能，模糊控制（Fuzzy Control）已经得到了广泛应。模糊控制理论就是以人在动态过程中的思维方式为基础，将操作人员的操作经验概括成一系列的条件语句，借助于计算机手段完成控制的方法。这种方法非常适用于这类非线性、时变、大时滞的复杂系统。根据实际需要以及精度要求选用双输入单输出的控制其结构。模糊控制最能反映出人们对事物的判断与感受，能和人们的思维方式一样推断出事物的发展与规律，这就是模糊控制比其他控制使用广泛的原因。一般说来，模糊器有3个主要的功能模块。将变量的实际变化范围化分成若干等级，这些等级的全体成为变量的论域。

1.2 模糊化

将变量的实际变化范围化分成若干等级，这些等级的全体成为变量的论域。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，即输入变量个数越多，控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法实现相当困难[2]。所以选择温度的偏差E和偏差变化率EC作为模糊器的输入，输出变量为控制量U，即混合风门的开度，风门开度越大，经过加热器的风就越多，温度就上升得越快。

模糊控制器的确定量输入必须经过模糊化[3]接口进行模糊化，这样转化成模糊矢量，模糊化等级是可以设定。例如将[a，b]之间的连续量x可以经过变化后就可转化成模糊化等级，若连续变量x的值在[a，b]之间，可以由公式

就变为连续的变量y，且y的取值范围在 [-m/2，m/2]之间，输入输出变量的状态划分为“正大、正中、正小、零、负小、负中、负大”7个档次来描述，分别用英文字母PL，PM，PS，NO，PO，NS，NM，NL 表示之。

温度设定值的范围定为15℃到28℃，定义温度偏差E的论域为[-20，20]，温度偏差变化率 EC的论域为[-4，4]，风门电机的输出量U的论域为 [0%，100%]（0%表示最大制冷，100%表示最大采暖）。对E，EC和U的模糊状态E，EC和U的整数论域分别定义如下：E和EC的论域为:{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4} ，U 的论域为:{-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5}。因此， 量化因子 Ke=4/20=0.2，Kc=4/4=l，Ku=l/10=0.1。 E和 EC的模糊集均为:{NB，NS，ZE，PS，PB}；U 的模糊集为:{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。

隶属度函数的建立有一定的原则，模糊控制过程对于语言变量值的隶属度函数形状并不敏感，只是对隶属度数的范围有一定的敏感，所以在控制中选用三角形或梯形的隶属函数是较为合适的，有利于计算隶属度。经过分析本设计输入和输出的隶属度均采用三角函数。

经过以上的分析，通过MATLAB对其进行仿真后得到模糊控制输出曲面如图1所示，由图知，其输出比较平滑，不会带来风门角度发生太大的变化从而导致车内温度的大起大落。

图1 模糊控制输出曲面Fig.1 Output surface of fuzzy control

1.3 模糊控制推理及控制规则

模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，手动控制过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者再根据己有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期的目标。可以采用微机完成这个任务，从而代替人的手动控制，实现所谓的模糊自动控制。采用IF A and B then C为模糊控制规则，其中A为温差E的模糊子集，B为温差变化率EC的模糊子集，C为风门开度增量U的模糊子集。根据车厢温度变化的参数特点和现场实际操作经验及专家的知识理论总结出模糊控制规则表例如：

1.4 精确化

模糊控制器的推理结果是模糊量，由于模糊量是一个模糊子集，而实际被控对象所需的控制信号是精确值，所以模糊控制器的推理输出是不能直接用作实际控制的，为了从推理结果中取得用于控制的精确量，需要对模糊推理结果进行一定的处理。因为论域为离散的，模糊控制规则集可以表示为一个模糊矩阵R[4]

由模糊器输入模糊矢量E′和EC′以及模糊矩阵R可求出输出模糊矢量U′，

根据重心法原则对输出模糊量进行判决，式中μc是ui的隶属度。在实际控制中u′往往要乘上比例因子Ku以后去控制输出，即u=k×u′。利用以上原理计算得到的控制表[5]。

2 硬件设计

汽车空调的混合风门的开度决定汽车空调内部冷热风的混合比，采用步进电机带动混合风门的转动控制器选用Microchip公司推出的8位单片机PIC16F877A，其采用高性能的RISC CPU核心；采用了低功耗、高速CMOS Flash/EEPROM技术；支持中断处理；引脚可吸入或提供电流高达25 mA；3个定时计数器可供使用；2个集捕捉、比较、脉宽调制功能于一身的CCP模块等强大功能[6]。

硬件结构设计如下:

1）温度传感器采用数字传感器DS18B20，独特的单线结构，不需外部元件，不需备份电源，测量范围广，9位数字值方式读取温度，克服了模拟式传感器与微机接口需要的A/D转换电路及其复杂的外围电路使得外围测控电路特别简单，成本低、体积小、可靠性高[7]。

2）驱动器采用TB6560HQ驱动芯片制成的驱动器，可以直接输入PWM形式的脉冲，具有正转、反转和停止功能，通过软件控制运作形式即可控制空调功能。

3 软件设计

图2 硬件电路设计图Fig.2 Designer of hardware circuit

软件部分主要设计了模糊控制部分。其主要有系统温度采集、模糊化、查表、精确化4部分。软件部分首先判断温差是否在模糊控制的范围之内，如果大于最大的，就令其为最大的，相反如果小于最小的就令其为最小的；其次判断温差变化率，温差变化率的判断和温差是相同的。判断完成后，进入查表，查表后输出模糊控制量，对控制量进行存储。

图3 系统软件设计图Fig.3 Designer of software

4 结束语

文中对模糊理论在汽车空调混合风门的控制作进行详细介绍，对汽车空调器的控制部分的硬件和软件部分分别作了设计，具有较高的控制精度，控制系统工作稳定。

[1]余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995：146-174.

[2]窦振中.模糊逻辑控制技术及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995：99-105.

[3]章正斌.模糊控制[M].重庆：重庆大学出版社，1995.

[4]李友善.李军.模糊控制理论及其在过程控制中的应用[M].北京：国防工业出版社，1993：80-95.

[5]刘克.汽车空调系统中温度和气流调节的控制[J].机电技术，2007（2）：49-51.

LIU Ke.The control of temperature and airflow adjustment in automotive air conditioning systems[J].Mechanical&Electrical Technology，2007（2）：49-51.

[6]张明，刘岑俐.基于PIC单片机和DS18B20的温度测量系统设计[J].电子测试，2010（4）：54-57.

ZHANG Ming，LIU Cen-li.Min-temperature measurement system based on PIC and DS18B20[J].Electronic Test，2010（4）:54-57.

[7]曹海平.基于单片机和DS18B20的分布式多点测量装置的设计[J].自动化技术与应用，2008（11）：90-93.

CAO Hai-ping.A multipoint temperature measurement system based on DS18B20 and SCM[J].Techniques of Automation and Application，2008（11）:90-93.

Development of automotive air conditioning controller DEMO based on PIC microcontroller unit

WANG Wen-tao， JIA Zhi-cheng， ZHANG Yan
（School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin300401，China）

Linear control method is not suitable for controlling the non-linear system such as car air-conditioning system，while intelligent control method such as the fuzzy control method will control the system finely.The Fuzzy control theory is introduced simplily.And the use of it on the control of automotive air conditioning airmixing damper is introduced in details，the method has higher precision，also discuss the design from not only hardware but also software.control unit of control system is designed and taking PIC singlechip as processor，and the fuzzy logic rules is designed.The system has excellent characteristics， such as the high reliability， the strong antijamming ability， the simple circuit and so on.

air conditioning； fuzzy control； airmixing damper； PIC

TP272

A

1674－6236（2011）24-0161-03

2011-10-11 稿件编号：201110044

王文涛（1983—），男，陕西渭南人，硕士。研究方向：智能控制、汽车电子。