车辆工程毕业设计66基于单片机的汽车空调控制系统的设计与实现.docx
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车辆工程毕业设计66基于单片机的汽车空调控制系统的设计与实现
第1章绪论
1.1引言
人类掌握制冷技术总共120多年时间，而第一台汽车空调装置在1927年才出现。
当时的汽车空调的内容仅是具备加热器及空气经过过滤的通风系统。
1940年才提供了通过制冷方式使汽车空气凉爽。
第二次世界大战后，汽车空调开始了实质性的进展。
直到如今，汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要手段已被广大汽车制造工作者及用户所认可，人们越来越认识到汽车装有空调的好处。
1988年美国生产的汽车就有90.3％装备了空调系统，到1993年上升到94％。
我国在这方面起步较晚，从60年代初，才开始在红旗轿车上安装。
但近年来发展速度很快，国内轿车上80％装有空调系统。
随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。
现在国产汽车的汽车空调控制器普遍采用手动机械控制方式，大大落后于国际水平，限制了汽车工业的发展。
自从人们发明了汽车加热装置和汽车空调设备后，大大改善了人们驾驶的环境．随着国内人们生活水平的提高，轿车在人们生活中扮演重要的角色。
而汽车空调作为汽车使用舒适性的衡量标准之一，要求也越来越高。
长期以来，我国轿车空调的自动控制水平较低，大多处于手动或半自动状态。
手动控制一方面会出现车室温度达不到舒适性、节能性的要求；另一方面容易分散注意力，不利于安全。
实现轿车空调的自动控制是必然趋势。
国外高级轿车上一般都装有全自动的空调系统，能根据汽车的状态参数自动地调节车内温度。
而国内大部分高档轿车的空调控制器都是依靠进口，目前还没有自己开发的具有自主知识产权的轿车空调自动控制器。
1.2研究项目开展的意义
在2008年年初的时候，汽车业界一直认为中国汽车产量将突破1000万辆而突如其来的金融危机让业界大跌眼睛，今年中国汽车产业量约960万辆，同比增速约为10%，而全球汽车产量却出现了下滑现象。
但是汽车产量的下滑却不等同于汽车的电子下滑，尤其人们对汽车行驶舒适性要求的提高推进了汽车车身自动控制的不断升级，同时智能化被越多的人所关注。
汽车空调作为一种舒适性空调，不仅是人民生活水平提高的标志，也是提高汽车市场竞争能力的重要手段。
随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对空调驾驶室的温度提出了更高的要求，这就使轿车空调的控制又面临着新的挑战。
但是汽车使用空调大部分都是封闭空间内使用，驾驶室的空间很狭小，内部空调长时间循环导致空气不流通，有害气体的增加，车内空气混浊通风不好导致长期驾驶容易出现疲劳，诱发事故。
车内空气污染较严重时，严重影响了驾驶员的健康，因车内空气污染找出的疾病或中毒事件时有发生，为了获得安全舒适的车内气候环境，改善汽车内部的空调风门，来达到调节汽车内部温度系统是很有实在意义和广泛的发展空间的。
当今汽车不只是简单的代步工具，上海市曾做了个意向调查统计，约有45%以上的有购车欲望的人希望购买20致25万左右的汽车，享受已经被越来越多的消费者所看重，而汽车空调系统更能体现这一点，汽车空调能在任何气候行驶的条件下，改善驾驶员的工作劳动条件和提高成员的舒适性。
现在人们都希望汽车空调能达到人体最适宜的状态。
目前国内大部分经济型轿车驾驶室内温度控制还处于一个手动状态，如果把空调的风门改成随着车内温度自动调节开度大小的系统，对驾驶者有很多益处，更为该车在市场竞争中添加了砝码。
再有很多车当驾驶室乘员数、日照强度、车速、风量等大幅度变化时，手动控制不能很好地提供车内一个自动调控的舒适环境，手动控制已成为汽车空调进一步发展的瓶颈问题，而国外一些高档轿车上已经配有全自动轿车空调系统，并且对这些先进的技术申请了专利，对知识产权进行了保护，因此无法破解其核心技术，我们只有自主开发适合我国交通、气候的轿车空调全自动控制器，形成具有自主知识产权技术，制订出汽车空调控制器的产品标准，才能更好的提高我国汽车工业整体水平，增强国际竞争力，进一步增强综合国力。
1.3汽车空调的系统工作原理
空调是空气调节器的简称，它的作用是对室内空气进行调节，使空气的温度、湿度、流速、和洁净度达到人体所需要的舒适范围。
汽车空调室空气调节工程的一个重要分支，属于舒适性空调，他是为了车室内或驾驶室内的空气质量和数量达到舒适性标准而进行调节的装置。
汽车空调一般由制冷系统、暖风系统、通风系统以及空气净化系统、控制系统等几个部分组成。
汽车通风装置的主要功能是换气，即打开通风口，利用汽车迎面风的动压通风或利用空调系统中风机的强制通风来进行换气。
车厢空间小，车内空气由于成员呼出的二氧化碳、水蒸气、烟等而受到污染，需经过通风换气来净化，同时调节车内的温度与湿度。
此外，通风对于防止车窗玻璃起雾也起着很重要的作用。
为维持舒适条件需要的最小限度的换气称为必须换气量，为此应设置即使在汽车车窗禁闭的情况下，仍能从车外引入新鲜空气的通风装置（每人约需25~36m3/h）。
其中控制系统是对制冷和暖风系统的温度、压力进行控制，同时对车室内空气的温度、风量、流向进行控制，完善了空调系统的正常工作。
汽车在任何条件下，车厢内部都具有舒适的温度范围和气流平均速度，冬季为16℃~20℃，夏季为20℃~29℃。
汽车空调的控制机构和操纵机构要求灵活、方便，不增加驾驶员劳动强度，不影响驾驶员的正常驾驶等。
汽车空调制冷系统装置有压缩机、冷凝器、贮液干燥器或积累器、膨胀阀或膨胀管、蒸发器和电气控制系统等组成。
1.4汽车车厢的热力学分析
本文所研究的汽车空调电子控制器是针对使用全合一空气混合型的轿车空调系统，也就是制冷与加热使用一套温度控制系统，其通过混合风门的开度调节冷热空气的混合。
在汽车空调的作用下，除空调对气体交换处理外，对车厢内热平衡有显著影响的还有由车厢缝隙和换气系统缝隙进入的新风热、车身壁面传入热、日照辐射影响传入热和人体发热几个方面。
对于其它热交换相对较少。
首先，将汽车车厢可以看作一个定容定压控热系统。
这里的汽车车厢热学模型忽略了其他方面的影响，针对以上所述，假设空气为理想气体情况下，忽略气体的动量和势能，根据热力学第一定律可以得到以下方程：
=
Q
+Q
+Q
+Q
+Q
（1.1）
其中：
——车厢总热量变化（KJ）；
Q
——空调输出空气与吸入空气热量差（kJ）
Q
——车厢进入新风所产生的热量差（kJ）
Q
——车身壁面传入热（kJ）
Q
——日照辐射及影响热量（kJ）
Q
——人体发热量。
根据热力学第一定律，理想气体等压变化可以得到：
=m
h=
V
C
T
（1.2）
其中：
m——车厢内空气质量（kg）；
H——车厢空气熔值的变化（kJ/kg）
V
——车厢总体积（轿车估计为3×1.5×1.5=6.75m
）；
——空气密度（在标准大气压下为1.225kg/m
）
C
——空气比热容（理想下1.002kJ/kgK）
T
——车厢内空气温度变化（K）
1.5汽车空调的自动控制系统难点
空调的控制，为了使空调系统完成其通风、调节温度和湿度等功能，必须对其进行多方面的控制。
具体的控制内容和方法如下：
控制外气的引入量、控制鼓风机的速度、控制制冷能力、控制温度和配风控制。
与一般建筑空调相比，汽车空调有其特殊性。
首先，汽车是个移动物体，外界气候条件变化大，车外热负荷变化大，以至于难以确定标准的车外设计参数。
其次，由于汽车驾驶室内成员密度大，人体热量大，要求的制冷能力大，汽车开启空调与成员进入车内往往是同一时刻，乘客要求一进入车室，在很短的时间内就享受到空调效果;而汽车车身（包括座椅等）在开空调之前的蓄热量（或蓄冷量）是很大的。
这几种因素导致汽车空调所要求的负荷大，要求降温（或升温）迅速。
因此，汽车空调机组的制冷（或采暖）能力应该比房间空调大的多，另外，汽车是高速移动的物体，与外界对流热量大。
而且车身隔热困难，玻璃门窗所占面积又大，车室内得热量（或失热量）大。
如果汽车长时间直接暴露在太阳底下（或风雪下），进入驾驶室的热负荷比一般房间要大得多，夏季汽车长时间停在烈日下，车内温度会上升到50摄氏度以上。
汽车的使用环境非常严重，这些环境因素往往在造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能完成规定的功能或损坏，出现可靠性故障。
因此与一般控制系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求。
1、要满足温度、湿度环境的要求。
2、要求满足振动冲击环境要求。
3、要满足电器环境要求。
1.6课题的提出与研究内容
1.6.1课题的研究内容
本课题的研究室针对我国现有高档汽车上装置的自动空调控制系统基本上依赖进口，国产化自动控制系统在汽车系统中的应用性研究较少，迫切需要对汽车空调控制器实现电子自动化、国产化为目标而产生的。
因此，本课题的研究内容为：
1、通过对汽车空调工作原理和空调总成的结构研究分析，设计了以单片机为核心的模拟控制系统，并对控制器硬件电路部分选择和研究。
2、建立了空调调节门的开度的模拟系统，阐述了如何实现汽车对汽车空调系统的自动控制。
3、温度检测采用高精度的集成DS18B20温度传感器来实现。
4、编程过程中，采用分块化的设计方法，对各个子部分分别进行编程、调试，再按控制要求将他们连接起来，进行测试、分析。
5、通过制作实物，来模拟汽车空调自动系统。
1.6.2拟解决的主要问题：
1、如何实现传感器的接收，传递，以及提高传感器的精度。
2、利用单片机编程所编写的程序如何能把所接受到的信号处理后通过电路传到硬件机构。
3、怎样把显示模块（LCD显示屏）设计到该装置，如何能设定适合温度范围。
4、通过单片机出来电路连接马达还是连接步进电机，怎么采用其他方法来达到控制风门旋转的目的。
5、接受的信号如何能通过经单片机控制来实现整个系统的自动化。
6、软件编写，需要几次中断响应，和把程序下载到单片机保证程序正常运行。
第2章单片机及系统开发的平台简介
2.1单片机的介绍及应用
将微处理器、一定容量的RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片机微型计算机，简称单片机。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，高档轿车、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师等。
计算机时用于处理数字信息的，单片机也是如此，各种数据及非数据信息在进入计算机前必须转换成二进制数或二进制编码。
单片机学习应用的六大部分：
1、总线
2、数据、地址、指令
3、P0、P2、P3口的用法
4、程序的执行过程
5、堆栈
6、单片机的开发过程
2.2单片机的发展
随着控制领域对单片机性能要求的增加，出现了16位的单片机，而且芯片内部也增加了其他的性能。
如InteldMCS-96系列单片机，在单片机内部集成了A/D转换器、PWM输出。
在未来各种电子产品对单片机的要求，单片机将会向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、大容量储存器的方向发展。
单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入到任何对象体系中去，实现智能化控制。
空调机采用单片机后不但遥控参数设置方便，运行状态自动变换，还可实现变频控制。
目前许多家用电器如VCD、DVD只有单片机出现后才可能实现其功能。
单片机与嵌入系统：
嵌入式系统源于计算机的嵌入式应用，早期嵌入式系统为通用计算机经改装后嵌入到对象体系中的各种电子系统，如汽车的在自动驾驶仪，轮机检测系统等。
嵌入式系统首先是一个计算机系统，其次它被嵌入到对象体系中、在对象体系中实现对象要求的数据采集、处理、状态显示、输出控制等功能，由于嵌入在对象体系中，嵌入式系统的计算机没有计算机的独立形式及功能。
单片机完全是按照嵌入式系统要求设计的，因此单片机是最典型的嵌入式系统。
早期的单片机只是按嵌入式应用技术要求设计的计算机单芯片集成，故名单片机。
随后，单片机为满足嵌入式应用要求不断增强其控制功能与外围接口功能，尤其是突出控制功能，因此国际上已将单片机正名为微控制器（MCU，MicrocontrollerUnit）。
2.3KeilC软件的开发与使用
KeilC51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编，PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用。
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，编写语言程序变为CPU可以执行的机器码有两种方法：
手工汇编，机器汇编。
其中机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码。
现在大多数MCU支持KeilC软件，可以发现其强大的应用性。
KeilC51开发系统基本知识KeilC51开发系统基本知识
1、系统概述
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
2、KeilC51单片机软件开发系统的整体结构
C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
使用独立的Keil仿真器时，注意事项：
（1）仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
（2）仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。
本课题主要采用KeilC软件进行编程的。
进入KeilC51后，屏幕如图2.1所示。
进入后几秒钟后出现编辑界：
图2.1进入KeilC51后的编辑界面
编译完成图如图2.2所示：
图2.2编写好程序图
2.4C语言的介绍与应用
2.4.1C语言的简介
C语言是在20世纪70年代初问世的。
1879年，美国电话电报公司贝尔实验室正式发表了C语言。
它是一种结构化语言，它层次清晰是一种计算机高级语言。
在单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。
C语言具有良好的模块化，容易阅读和维护等优点。
有很好的可移植性功能化的代码能够很方便地从一个工程移植到另一个工程，从而减少了开发时间。
Avr单片机C语言高级程序设计是一种成功的系统描述语言，用C语言开发的UNIX操作系统就是一个成功的范例;同时C语言又是一种通用的程序设计语言，在国际上广泛流行。
世界上很多著名的计算公司都成功的开发了不同版本的C语言，很多优秀的应用程序也都使用C语言开发的，它是一种很有发展前途的高级程序设计语言。
C是中级语言。
它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。
C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。
C是结构式语言。
结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。
这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。
C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。
C语言功能齐全，具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。
而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。
C语言适用范围大。
适合于多种操作系统，如Windows、DOS、UNIX等等；也适用于多种机型。
C语言对编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其它解释型高级语言，有一些大型应用软件也是用C语言编写的。
C语言具有较好的可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。
它是数值计算的高级语言。
C语言是结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。
这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。
C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。
2.4.2C语言比汇编语言相比的优点：
1、要了解处理器的指令集，也不必了解储存器结构。
2、器分配和寻址方式由编译器进行管理，编译时不需要考虑存储器的寻址数据类型等细节。
3、令操作的变量选择组合提高了程序的可读性。
4、使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。
5、序的开发和调试时间大大缩短。
6、语言中的库文件提供许多标准的例子。
7、通过C语言可实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加入到新程序中。
8、C语言可移植性好且非常普及，C语言编译器几乎适用于所有的目标系统，已完成的软件项目可以很容易地转换到其他的处理器或环境中。
2.4.3编写C语言程序的结构
1、顺序结构：
顺序结构的程序设计是最简单的，只要按照解决问题的顺序写出相应的语句就行，它的执行顺序是自上而下，依次执行。
2、选择结构：
顺序结构的程序虽然能解决计算、输出等问题，但不能做判断再选择。
对于要先做判断再选择的问题就要使用选择结构。
选择结构的执行是依据一定的条件选择执行路径，而不是严格按照语句出现的物理顺序。
选择结构的程序设计方法的关键在于构造合适的分支条件和分析程序流程，根据不同的程序流程选择适当的选择语句。
选择结构适合于带有逻辑或关系比较等条件判断的计算，设计这类程序时往往都要先绘制其程序流程图，然后根据程序流程写出源程序，这样做把程序设计分析与语言分开，使得问题简单化，易于理解。
程序流程图是根据解题分析所绘制的程序执行流程图。
3、循环结构：
循环结构可以减少源程序重复书写的工作量，用来描述重复执行某段算法的问题，这是程序设计中最能发挥计算机特长的程序结构，C语言中提供四种循环，即goto循环、while循环、dowhile循环和for循环。
四种循环可以用来处理同一问题，一般情况下它们可以互相代替换。
4、模块化程序结构：
C语言的模块化程序结构用函数来实现，即将复杂的C程序分为若干模块，每个模块都编写成一个C函数，然后通过主函数调用函数及函数调用函数来实现大型问题的C程序编写，因此常说：
C程序=主函数+子函数。
因此，对函数的定义、调用、值的返回等中要尤其注重理解和应用，并通过上机调试加以巩固。
C程序时由函数构成的，一个C源程序至少包括一个函数，一个C源程序有且只有一个名main（）函数，也可能包含其他函数，因此，函数是C程序的基本单位。
主程序通过直接书写语句和跳用其他函数来实现有关功能，这些函数可以是C语言本体提供的。
一个函数由两部分组成：
函数的首部，即函数的第一行。
包括函数名、函数类型、函数属性、函数参数（函数参数）名、参数类型。
函数体，即函数首部下面的大括号“{}”内的部分。
如果一个函数内有多个大括号、则最外层的一对“{}”为函数体的范围。
一个C语言程序，总是从main函数开始执行的，C语言其中含有大量if语句等等。
2.5PROTEL软件的开发
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。
在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。
Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。
以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能。
确定起始点和终止点，Protel99就会自动地在原理图上连线，从菜单上选择“Place/Wire”后，按空格键切换连线方式，自动连线、任意角度、45°连线、90°连线，使得设计者在设计时更加轻松自如。
只要简单地定义AutoWire方式。
自动连线可以从原理图的任何一点进行，不一定要从管脚到管脚。
打开Photoplotte.ddb设计数据库，点“＋”找到Electronics和Photohead文件夹，打开PhotoheadPartslist设计窗口，用同样方法打开Photohead.pcb文件和Photohead.prj文件．在PhotoheadPartsList窗口下击鼠标右键，选择“SplitHorizontal”菜单，界面将被水平分割。
在Photohead.prj设计窗口下点右键，选SplitVertical菜单。
界面将被垂直分割，可以用鼠标调整分割窗口的大小。
要想分割更多的窗口，可重复上述操作。
按Ctrl+Tab可循环切换打开的设计文件，按Shift+Tab可在导航板和设计窗口中有效文件夹的内容间切换。
本器件的电路图大部分是由Protel软件完成的。
如图2.3所示是电路电阻与单片机相连图。
图2.3用PROTEL99完成的电路图
2.6本章小结
本章按照任务书要求，分别介绍了单片机的分类和发展、KeilC软件的应用、C语言的介绍以及Protel软件的应用。
设计与开发本器件时主要使用了几个软件都有简略的介绍。
通过查阅大量的书面和网络资料，初步设定了计划及未来的准备。
为后面的章节做了铺垫。
第3章硬件电路的选择
本控制器是建立在计算机控制理论基础上的一种以单片机为控制核心的测控系统。
它能实现实时数据采集、实时决策、实时控制；所谓实时数据采集，即对被控制的瞬时值进行检测和输入；所谓实时决策，即对实时的给定值和被控量的数值进行已定的控制规律运算，决定下一步的控制过程；所谓实时控制，即根据决策，适时的对执行机构发出控制信号。
3.1单片机的选择
车用MCU不同于一般的消费用MCU，其最大区别在于车用MCU是需要在极苛刻的环境下运行的。
例如可能要工作在-40℃到+120℃的环境中，这就要求车用MCU要有很高的可靠性和稳定性。
本项目中使用到的MCU选用8位单片机，型号为AT89S52。
由于该款单片机出货量大，由此成本低，而且它的片上资源满足本项目的要求，因此适合采用。
该单片机采用0~24MHZ晶振，内片有256字节数据存储器RAM；片内有8K字节程序存储器ROM。
4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3）；一个全双工串行通信口；3个16位定时器、计数器（T0、T1、T2）可处理6个中断源，两级中断优先级。
Vcc，GND：
正电源端与接地端（+5V）。
3.1.1单片机的系统
AT89S52是一种低功耗、高性
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