汽车空调电路.docx
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汽车空调电路
绪论
一、设计总述
目前，国内的许多冷库的电器控制水平相对落后。
虽然我们已经迈步跨入新世纪六年了，可是我国的冷库至今还是以自建的中小型土建库为主，这些冷库普遍存在着测量精度低、反应速度慢、实时性不好等问题，冷库真正能工作于最佳状态的时间很少，最多的时间里在做着大量的不必要的无用功，这就使得制冷机组的管理远远跟不上工农业迅速发展的要求，同时也造成了经济上的巨大损失。
而检测系统完善、控制系统先进、自动化性能优越的现代化冷库相对而言要少了很多。
对于这种状况，我设计了这款制冷系统控制器，它可以改善制冷机组运行，并能实现对冷库的制冷和除霜过程进行全自动控制。
本设计采用应用广泛的MCS-51系列单片机进行数据处理，同时运用先进的单总线数字温度传感器技术提高测量精度和简化电路，使该控制器的抗干扰性能和可靠性大大提高。
本设计中采用了多个新技术、新器件，这使得设计周期大量增加，但是这也是值得的，通过设计此设计，我基本已经掌握了这些新技术，我想是值得的。
二、本设计的特点
1、采用性能稳定的MCS-51系列单片机，性价比较高；
2、采用最新的单总线数字化温度传感器DS18B20，以提高测量精度和简化电路；
3、采用新技术的同时，继承了已有范例的优点，去其糟粕，取其精华；
4、双三位高亮度LED同时显示进、出风口温度，观察更直观;
5、设计中处处可以看到创新的成果。
如采用新的单总线技术、最新温度转换算法以及温差处理程序的设计等等。
第一章方案的选择与器件的选用
一、控制核心AT89S51单片机
在当今信息爆炸的时代，随着计算机在社会各个领域的渗透，单片机的应用正在不断地向纵深发展，与此同时，也带动了传统的测量和控制技术领域的日新月异。
在实时检测与自动化控制的单片机应用系统中，单片机无疑作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面的知识是不够的，还必须根据具体硬件结构，以及针对具体的应用对象自身的特点的软件结合，才能真正使系统具有实用性。
在选用单片机方面，本着高主频、低功耗、低成本的原则我选择了通用的MCS-51系列单片机。
目前比较常用的该系列的单片机种有：
AT89C2051、AT89C51、AT89S51、AT89C52、AT89S51等等，现简单介绍如下：
1、AT89C518位高性能单片机简介
80C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
80C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。
·标准MCS-51内核和指令系统
·4kB内部ROM（外部可扩展至64kB）
·32个可编程双向I/O口
·128x8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器）
·2个16位可编程定时/计数器
·时钟频率0-16MHz
·5个中断源
·5.0V工作电压
·可编程全双工串行通信口
·布尔处理器
·2层优先级中断结构
·电源空闲和掉电模式
·快速脉冲编程
·2层程序加密位
·PDIP和PLCC封装形式
·兼容TTL和CMOS逻辑电平
2、80C528位高性能单片机简介
80C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。
3、AT89S5*相对于AT89C5*增加的新功能
AT89S51相对于AT89C51增加的新功能包括：
--新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低。
--ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
--最高工作频率为33MHz，89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
--具有双工UART串行通道。
考虑到控制处理程序不是太复杂，内存占用空间大致在4K以下，且控制精度也不算太高，所以对主频的要求也不是太高，经过权衡，最终选定采用了先进的低功耗CHMOS工艺的AT89S51。
二、温度传感器选择
温度是一种最基本的环境参数，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。
测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：
★传统的分立式温度传感器；
★模拟集成温度传感器；
★智能集成温度传感器。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。
所以，顺应传感器的发展趋势，采用最新的数字化温度传感器，其前景是非常广阔的。
由于本系统主要是对制冷设备蒸发器的进、出风口的温度进行测控的，除了要用核心部件——单片机外，还要使用必要的传感器。
在选择传感器方面，我初步选定了三个方案：
★铂电阻温度传感器PT100；
★传统的模拟温度传感器AD590；
★单总线式数字温度传感器DS18B20。
在以上的三种传感器中，前两种传感器是近十多年来最主流的传感器，其应用技术比较成熟，各方面的资料也很齐全，现在的互联网技术这么发达，完全可以说只要在网络上搜索一下就会很轻松地完成设计，更甚至说，还可以完全不利用网络，只需要到图书馆，图书馆里的相关书籍就能完成设计了。
作为曾经的主流产品，它们还是有它们优点的，但是，随着传感器技术的飞速发展，它们的优点渐渐地相对于其自身的缺点而言越来越小了。
下面就简要介绍一下铂电阻温度传感器PT100和模拟温度传感器AD590：
1、铂电阻温度传感器PT100简介
铂电阻温度传感器PT100是一种热电阻式温度传感器。
它是利用热电阻的温度系数随温度变化的特性而制成的传感器。
对于大多数金属导体，其电阻值都具有随温度升高而增大的特性。
由于纯金属的温度系数比合金的高，因此均采用纯金属作为热电阻组件。
常用的金属导体材料有铂、铜、铁和镍。
铂电阻的特点是：
精度高，稳定性好，重复性好，这是由金属铂的物理及化学性能所决定的，因此它是目前制造热电阻温度传感器最理想的材料，可用作标准电阻温度计，被广泛应用于作为温度的基准。
铂电阻的缺点有：
只是将温度转换成模拟信号，难于与单片机系统接口；调试、校准较困难等，最主要的还是它的价格较贵（市场价约30元左右），一般的民用设备上应用不是太多。
2、模拟温度传感器AD590简介
模拟温度传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此也称为硅传感器或单片集成传感器。
单片集成传感器是早在20世纪80年代就已经问世的。
它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC，它属于最简单的一种集成温度传感器。
AD590的特点是：
测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单等。
以上的种种优点使它成为流行一时的首选温度传感器，至今还有不少设备还在采用。
AD590的缺点：
跟铂电阻一样，随着单片机和数字技术的发展，它与单片机系统的接口问题成了制约其应用的最大的问题。
其次还是它的价格问题，和铂电阻一样，只不过AD590所不同的是，它的价格高并不是其成本较高，而是因为更多新的传感器的出现使它濒临停产，物以稀为贵，它已经由原来的十多元涨至现在的28元左右了，就这样，很多电子商场还很难买到，而买其他性能和AD590差不多的传感器的价格还不到AD590的三分之一。
在这三个候选方案中，考虑到铂电阻和传统的模拟温度传感器AD590外围电路复杂、需调零等缺点，所以在使用上，我们弃用了PT100和AD590，而采用了美国DLALAS公司生产的一种新型“一线总线”数字温度传感器DS18B20，该传感器具有接口简单、测温范围宽、测温精度高等特点，其“一线总线”便于构成测温网络，可大大降低连线费用。
而且具有低功耗、体积小、可靠性高、使用方便、价格低廉等优点。
这对降低设计成本、简化电路是很好的选择，经过再三衡量、比较，我最终选用了最新出现的新器件数字温度传感器DS18B20。
但做出这个选择的代价也是巨大的。
因为这个数字传感器是新产物，不像模拟温度传感器那样成熟，资料里能作为参考的相关资料比较少，我不得不下功夫从最初的产品手册开始学习它的使用方法，为了学习使用它，花去了我一个多月的时间。
可是，我觉得是值得的，因为它意味着我以后如果再用到温度传感器的时候，再不必用繁琐的运算放大器进行信号放大处理，然后接一片跟单片机差不多大小的模-数转换集成块才能与单片机接上口了。
现在，我只需要拿着一只跟普通的三极管差不多的数字传感器就可以方便地与单片机组成温度检测系统。
这就是科技进步的好处。
下面介绍一下数字温度传感器DS18B20：
3、DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介
（1）数字温度传感器DS18B20的基本知识
由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。
（2）DS18B20性能特点
DS18B20的性能特点有：
①采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其
I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），
②测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃,
③内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，
④适配各种单片机或系统机，
⑤用户可分别设定各路温度的上、下限，
⑥内含寄生电源。
（3）DS18B20内部结构
DS18B20内部结构如图1所示,主要由以下4部分组成：
①64位ROM；
②温度传感器；
③非挥发的温度报警触发器TH和TL；
④配置寄存器。
图1DS18B20的内部结构
DS18B20的管脚排列如图2所示
图2 DS18B20引脚分布图
表1 DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同。
64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。
ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
8位产品系列号
48位产品序号
8位CRC编码
（4）DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
DS18B20的复位时序
DS18B20的读时序
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
DS18B20的写时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量,用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
例如＋125℃的数字输出为07D0H,＋25.0625℃的数字输出为0191H,－25.0625℃的数字输出为FF6FH,－55℃的数字输出为FC90H。
（5）DS18B20高速暂存器功能描述
DS18B20高速暂存器共9个存存单元，如表所示：
序号
寄存器名称
作 用
序号
寄存器名称
作 用
0
温度低字节
以16位补码形式存放
4、5
保留字节1、2
1
温度高字节
6
计数器余值
2
TH/用户字节1
存放温度上限
7
计数器/℃
3
HL/用户字节2
存放温度下限
8
CRC
各高速寄存器功能描述如下：
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
该字节各位的意义如下：
TMR1R011111
低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：
（DS18B20出厂时被设置为12位）
分辨率设置表:
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
（6）工作原理
以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：
12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个高低两个8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。
如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625才能得到实际温度。
高8位
S
S
S
S
S
26
25
24
低8位
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
下表以12位精度为例，给出了数字温度输出值与对应的温度之间的关系。
温度（℃）
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
+125
0000011111010000
07D0
+85
0000010101010000
0550
+25.0625
0000000110010001
0191
-0.5
1111111111111000
FFF8
+10.125
0000000010100010
00A2
+0.5
0000000000001000
0008
0
0000000000000000
0000
温度（℃）
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
-10.125
1111111101011110
FF5E
-25.0625
1111111001101111
FE6F
-55
1111110010010000
FC90
例如，当测量温度为+10.125℃时，DS18B20输出的十六进制数字值为00A2，转换为十进制值为162，当设置为12位精度时，DS18B20输出的数字分辨率是0.0625℃，所以，实际温度为：
162×0.0625℃=10.125℃。
对于测量负温度值时，只需要求出其原码，然后再乘以0.0625℃就可以求出真实的温度值。
（7）DS18B20控制方法
在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻。
如下图所示：
DS18B20有六条控制命令，如表所示：
指 令
约定代码
操 作 说 明
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中
重新调E2RAM
B8H
把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读电源供电方式
B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
CPU对DS18B20的访问流程是：
先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。
DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。
如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
（8）DS18B20使用中注意事项
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
①较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。
②在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。
参考关于单片机驱动能力的相关资料后就会发现：
当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这是因为单片机的输出端口一般是采用漏极输出的COMS电路，其漏极电流不可能做得很大。
这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
③连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时（有的资料里也介绍说最长可以达到100m），读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
④在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
⑤测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。
三、显示电路的选型
因为本设计是初次设计，主要的任务是使各个控制处理程序能够正常运行，在此基础上再进行二次开发时可以减轻工作量，同时也可以做到分工明确，各个功能不至于相互冲突。
同时，考虑到今后的二次开发，在系统硬件资源安排时预留了扩展的空间，比如，可以增设键盘、单片机与计算机实现通讯和升级显示终端等等。
本设计采用了六位高亮度LED数码管同时显示进、出风口温度，显示比较直观，方便观察。
并且在停机报警及系统出错的时候，会显示相应英文字符提示。
第二章系统硬件设计
一、控制器结构设计
控制器的结构框图如下图所示。
系统的控制要求或控制程序已近固化到单片机的内部，单片机在接收到控制运行信号后，根据指定的控制要求或程序，通过控制压缩机、风机和电磁阀等执行元件对制冷机组的运行进行控制。
其中温度检测由于采用了数字化温度传感器，整个检测系统实现了全数字化。
二、硬件电路设计
该控制系统电路原理图如下图1所示：
该控制系统电路板图如下图2所示：
1、单片机各控制口线分配
本设计共使用了25根控制口线，具体使用分配情况如下：
①显示端口
六个单位的七段数码管带小数点共用八根口线（P0.0～P0.7口）。
除此之外，每位数码管还需要一位口线作为位选端，从而实现动态扫描显示（P2.2～P2.7口）。
②控制执行端口
本设计中需要控制的项目有：
室内、外风机，两个电磁阀以及压缩机等五项，共需用五根口线（P1.0～P1.4）。
③报警口线
共有三个报警项：
正常停机报警、故障停机报警和温度探头检测出错报警等，共需用三根口线（P1.5～P1.7）。
④中断输入端口
需检测压缩机以及室内、外风机是否过载，以免发生大的事故。
同时，还需要设置一个强制运行按键。
由于压缩机以及室内、外风机出现故障时都得停机处理，所以，它们可以共用同一条中断端口，采取相同的处理措施。
综上所述，AT89S51单片机的两根外部中断入口刚好够用。
⑤传感器口线
由于本设计采用的不是单口线外挂多个数字温度传感器，而是分别进行检测的，必须得有所区分。
但同时又为了节约口线资源，决定利用NPN和PNP两种三极管导通的条件不同，来实现利用一根口线区分两个温度传感器的要求。
2、新型的无触点固态SSR继电器简介
本设计为了使电路更加简洁明了，同时不至于使电路板过于笨重，采用了常用的模块化设计。
同时，在控制执行机构时考虑到控制对象是一些功率较大的电动机，如果还是采用常见的小型继电器，然后再进行二次控制交流接触器，从而控制电机的方法的话，在启动的瞬间由于感性负载较多，势必会产生电火花，从而影响继电器的寿命，使控制系统的检修次数增加，这已经是老式电器控制系统通常的弊病了。
考虑到以上种种原因，在本设计中，采用了一种新型的无触点电子
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