基于单片机技术的汽车空调控制系统的设计

2012-11-08翁惠辉长江大学电子信息学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2012年1期

关键词：汽车空调风门控制电路

黄俊, 翁惠辉 (长江大学电子信息学院, 湖北荆州 434023)

基于单片机技术的汽车空调控制系统的设计

黄俊, 翁惠辉 (长江大学电子信息学院, 湖北荆州 434023)

单片机技术在汽车空调控制系统中的运用，可以提高系统的智能化水平和增强乘驾环境的舒适性。设计了以PIC单片机为核心部件的汽车空调控制系统，并详细介绍其硬件电路及相应测控软件设计。实际应用表明，该系统运行稳定，具有良好的温度控制功能。

PIC单片机；汽车空调；控制系统

汽车空调的主要功能是为驾乘人员提供舒适的车内环境。随着人们对汽车乘驾环境舒适性要求的不断提高，智能、高效的汽车空调己成为各汽车厂家提高其市场竞争力的着力点。传统的汽车空调采用手动控制，其功能简单、稳定控制精度低[1]。单片机技术在汽车空调控制领域的使用，提高了智能化水平、简化了用户的操作。为此，笔者以PIC16F单片机为核心部件设计了汽车空调控制系统。

1 系统主要功能

汽车空调控制系统应具有如下主要功能：①手动控制功能。系统具备进风模式、出风模式的手动选择功能及手动强制制冷和强制制热功能，以供驾乘人员根据实际情况进行选择。②自动温度、风速调节功能。该系统能根据温度的设定值自动控制各风门开度大小、鼓风机风速及压缩机的启停以调节车内温度，既保证舒适性也节省了能耗。③实时显示功能。该系统的LCD能够实时显示车内外实际温度及温度的设定值、风速等级、控制器工作模式等实时信息，以方便驾乘人员了解当前汽车空调的运行情况。④故障自诊断功能。驾乘人员按下一组组合按键后，系统能够进行自检，并给出故障位置、类型等的提示信息，以方便维修与保养。

2 系统硬件设计

图1 控制系统硬件结构图

该系统硬件主要包括人机接口电路、温度采集电路、风机控制电路、压缩机控制电路、循环风门控制电路、模式风门控制电路及混合风门控制电路。微控器接收人机接口电路的各个设定值以及经AD采集电路所得的各个输入量，进行分析处理后，驱动风机控制电路、压缩机控制电路及各个风门做出相应的动作以达到预定要求。系统硬件结构图如图1所示。

2.1风机控制电路

对于风机转速大小的调节，采用脉宽调制(PWM)以改变电机电枢电压的方法来进行控制。风机控制电路如图2所示。电路以BTS282Z作为主开关器件来直接驱动风机转动。由单片机RC3口输出的PWM 信号，经功率型光耦TLP250进行可靠的隔离，并驱动BTS282Z的导通与关断。BTS282Z的最大工作电流可达36A，且具有过温保护、大电流钳制功能。D501为续流二极管，用以释放掉风机的能量，防止其过高的反向电压击穿主开关器件。系统风速等级包括6级，输出占空比按风速等级线性递增，最小输出占空比为10%，在最大6级风力下为100%。

图2 风机控制电路

2.2温度采集电路

该系统采用NTC热敏电阻器实现对温度的测量。首先热敏电阻器把温度的变化转换为电阻阻值的变化，该阻值变化的电阻与一上拉电阻串联分压，实现了输出到单片机ADC端口的电压变化对温度变化的反应。由于系统所选单片机自带AD采样模块，既节约了系统成本也简化了系统硬件设计。温度电路如图3如示。

图3 温度采集电路

2.3混合风门控制电路

通常，汽车空调系统通过调整混合风门的开度大小以调节冷暖空气的混合比例，通过风机将混合后的空气吹到车内以实现车内温度的调节。当单片机对所采集的各个输入量进行分析处理后，驱动混合风门执行器内的直流电机动作时，电机带动执行器内部的滑动变阻器一起运动，与此同时，电机通过一个连杆装置带动混合风门运动，因而不同的开度大小对应着滑动变阻器不同的电刷位置，从而实现了反馈电压对风门开度大小的反应。可变电阻产生的电压反馈信号被输入到控制器ADC采样端口，控制器通过对采样数据的分析，以判断风门开度大小是否到位。系统采用TLE4207驱动混合风门执行器的直流电机以实现其开度大小的控制。TLE4207是西门子公司的一款带保护的双半桥驱动芯片，直流电机可直接连接在其半桥之间。当TLE4207的INH=1、IN1=0、IN2=1时，电机顺时针转动；当INH=1、IN1=1、IN2=0时，电机逆时针转动；当INH=1、IN1=1、IN2=1时，TLE4207的OUT1、OUT2均输出高电平，电机停止转动；当INH=1、IN=0、IN2=0时，TLE4207的OUT1、OUT2均输出低电平，电机停止转动。TLE4207可输出高达0.8A的驱动电流，饱和导通压降低。此外，其内置有过压和欠压闭锁、短路保护、过温保护且具有极低的静态待机电流[2]。混合风门控制电路如图4所示。

图4 混合风门控制电路

图5 压缩控制电路

图6 主程序流程图

2.4压缩机控制电路

汽车空调系统的压缩机通过电磁离合器挂接到汽车发动机上，当电磁离合器松开时，压缩机停止工作，当电磁离合器结合时，压缩机由汽车发动机带动而开始工作。该系统选用TIP122驱动压缩机离合器，由单片机的RC2端口输出的低电平经TLP250反向、功率放大后，驱动TIP122导通而结合电磁离合器，启动压缩机工作。反之，当输出高电平时则停止压缩机的工作。TIP122额定驱动电流为5A，饱和导通电压为2V，VCEO 电压可达100V，可以满足离合器工作的需要。压缩机控制电路如图5所示。图5中R404及C401为吸收回路，D401为续流二极管。

3 软件设计

该系统主程序流程图如图6所示。系统上电后，首先初始化各I/O端口及各外设模块，采样完各温度数据及风门位置反馈信号后，对键盘及旋钮进行扫描，如果扫描到有自诊断组合按键按下，则程序进入诊断功能模块。否则，则判断当前控制模式是手动还是自动模式，如果是自动控制模式，则根据当前输入参数计算各个控制量，系统根据所计算出的控制量更新显示数据并控制各风门开度、调整风量大小和启停压缩机；如果是手动控制模式，则系统直接根据系统人机接口电路的输入信息来做出各种控制动作。