车载空调自动控制系统设计毕业设计Word文件下载.docx
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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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第1章绪论
1.1引言
汽车是现代社会中的主要交通工具之一。
以我国为例，近几年汽车发生了井喷式的增长速度，目前几乎所有的汽车都安装了空调系统。
空调，即空气调节，包括供暖、制冷、增减空气湿度、调节空气质量等等。
在汽车上安装空调可以为乘员提供舒适的车内环境，减少疲劳感，还能预防或除去附在挡风玻璃上的雾、霜或雪，以确保驾驶员的视野清晰与行使安全。
在激烈的市场竞争中，汽车空调系统性能的好坏，也成为评价汽车档次的重要因素。
车内空气参数主要是指汽车室内的温度、相对湿度、流动速度、空气的含尘量、噪音、CO2的含量、壁面温度等。
这些参数对人体的健康、舒适性有一定的影响，因此要求将其控制在一定范围内。
手动控制的空调系统无法根据室外空气温度、太阳辐射强度、车速、发动机热负荷以及室内人体散热等因素的变化及时地对汽车内的空气状况进行调节，控制质量也不太理想，并且手动控制需要驾驶员人工操作，这显然增加了驾驶员的工作量。
然而，当前只有豪华大客车安装了微机控制的空调系统，而一般的大中型客车上的空调还是功能不够齐全的手动控制的空调系统或电控的空调系统，手动和电控空调在功能上和使用上的缺点暴露得越来越明显，例如操作不方便，安全性不好，不能很好地调节车内空气，对乘客的观光旅游，学习及驾驶员的工作不利，所以为了满足人们外出观光旅游的需求，从市场方面要求，希望汽车空调装置能够进一步应用在普通的大中型客车上，同时空调能够进一步降低成本，提高燃油经济性；
空调控制系统能够实现自动化，智能化；
从乘客和驾驶员方面要求，车内温度要合理分布，要求操作简便，空调装置应向全季节型发展。
由此看来，客车空调智能控制系统即客车空调控制器的开发，能够改善工作条件，提高舒适性，而且对提高客车等级从而提高客车的市场竞争力，有重要的意义，可广泛用于大中型客车。
1.2车载空调的发展历史
最原始的汽车空调仅是开窗换气式。
最早的汽车空调装置始于1927年，它仅由加热器、通风装置和空气过滤器三者组成，且只能对车室供暖。
准确地讲，汽车空调的历史，应该从制冷技术应用在车上开始。
20世纪30年代末期美国的几部公共汽车上装上了应用制冷技术的冷气装置。
直到20世纪60年代，应用制冷技术的汽车空调才开始逐步地普及起来。
以后，人们对汽车空调的兴趣逐年增加，汽车空调技术日趋完善，功能也越来越全面。
它的发展大体上可以分为如下几个阶段：
（1）单一供暖空调装置阶段始于1927年，目前在寒冷的北欧，亚洲北部地区，汽车空调仍使用单一供暖系统。
（2）单一供冷空调装置阶段始于1939年，美国帕克汽车公司率先在轿车装上机械制冷降温空调器。
目前单一降温的汽车空调仍在热带、亚热带部分地区使用。
（3）冷暖型汽车空调阶段始于1954年，原美国汽车公司，首先在轿车安装于冷暖一体化空调器，这样汽车空调才具备了降温、除湿、通风、过滤、除霜等空气的调节功能。
该方式目前仍然大量的使用在低档车上，是目前使用量最大的一种方式。
（4）自控汽车空调装置阶段由于前述的冷暖型汽车空调需依靠人工调节，这既增加了司机的工作量，还使控制不理想。
通用汽车公司1964年率先在轿车上应用自控汽车空调。
自控空调只需预先设定温度装置，便能自动地在设定的温度范围内运行。
装置根据传感器随时检测车外温度，自动地调制装置各部件工作，达到控制车外温度和行驶其他功能的目的。
目前，大部分的中高级轿车，高级大客车都装备自控空调
（5）电脑控制汽车空调阶段自1977年美国通用汽车公司、日本五十铃汽车公司，同时将自行研制的电脑控制汽车空调系统装上各自的轿车上后，即预示着汽车空调技术已发展到一个新阶段。
电脑控制的汽车空调功能增加，显示数字化，冷、暖、通风调控三位一体化。
电脑按照车内外的环境所需，实现了调节的精细化。
通过电脑控制实现了空调运行与汽车运行的协调，极大地提高了制冷效果，节约了燃料，从而提高了汽车的整体性能和舒适程度。
目前电脑控制的空调都装上豪华型轿车上。
随着我国汽车工业的发展、生活水平的提高，旧式的手动模拟输入简单空调控制系统已经不能满足高档汽车消费的要求，所以产生了要求生产自动控制空调的生产研究课题。
该课题的研究成果不仅会在自行设计开发自动空调项目上取得阶段性胜利，而且还会使我们积累大量汽车空调自动控制系统开发设计的经验，因此车载空调系统的研究成果，将会对以后的新车开发研制奠定了坚实的基础，同时也会推动自动控制技术在国内汽车中的广泛应用，并为我们国家在车载空调自动控制领域中打下坚实的基础。
1.3国内外车载空调的发展现状
1.3.1我国车载空调的发展现状
汽车工业是国民经济的支柱产业，随着我国加入世贸组织，国外各大汽车集团纷纷进入我国市场，大大加快了我国汽车工业的发展。
我国的汽车工业发展较晚，在汽车发展的早期，主要以发展载货车为主，汽车空调一直处于空白状态。
到了60年代，曾经有利用汽车尾气温度来取暖的供热系统，并在60、70年代生产的轿车上应用。
80年代初期，我国从西方国家购入用于降温的汽车制冷系统，装在我国生产的红旗、上海伏尔加等轿车上，发展成单一的降温空调。
在此基础上，我国汽车生产企业发展并生产出了手动冷暖一体的汽车空调。
手动汽车空调需要人工操纵，这显然增加了驾驶人员的工作量，同时，控制质量也不理想。
随着微处理器技术和自动控制理论的发展，微电脑在国外汽车工业中的运用越来越普遍，并成了一种趋势和潮流，我国也相继研发自动控制的空调。
目前，我国汽车上最常见的几种空调有：
手动调节的空调系统、电动调节空调系统、全自动空调系统等。
从市场占有情况看，由于目前大多数汽车空调生产未上规模，加上汽车空调种类繁多，国内汽车空调销售市场仅为几家所垄断。
其中上海德尔福汽车空调系统有限公司生产的爱斯牌汽车空调为别克、帕萨特、桑塔纳等车型配套；
一汽—杰克赛尔汽车空调有限公司生产的空调主要为奥迪、红旗轿车及解放牌卡车等车型配套；
湖北沙市电工仪表集团公司生产为东风汽车公司、神龙富康汽车公司配套的载货车空调和富康轿车空调；
空调国际（上海）有限公司主要为依维柯、金杯等品牌配套的面包车、大客车空调；
广州豪华空调有限公司生产了为海南马自达、奥拓、广州本田、长安之星等配套的车用空调。
比较而言，国内的汽车空调控制系统要稍逊一些。
广州标致轿车空调的电子控制系统根据车内温度、环境温度、蒸发器温度、送风温度及人为设定值、通过控制风机转速、压缩机离合器的开、合及热水阀阀口大小来进行温度调节。
奥迪100轿车的空调系统模式风门是手控的，鼓风机转速由继电器控制，压缩机离合根据蒸发器温度控制。
奥拓轿车空调就更为简单，没有舒适性控制用的传感器，靠人为控制室温。
车室内的送风温度的分布是很不均匀的，并且均匀分布的温度场也会由于人的舒适感不同而产生舒适性差异。
对此有人研究针对前排、后排车座的双蒸发器运行情况，并进行相应的控制。
还有人针对司机和乘客的个体舒适性差异，对不同的出风口进行单独控制。
通过控制压缩机启、停，调节车室内的温度，也需要进行相应的控制才能达到更优。
国内80年代就参加到模糊控制领域的研究讨论当中，到了90年代和最近几年，已经在模糊控制等智能控制领域得到了较成熟的发展。
在理论研究方面，国内研究涉及了基于传统PID的模糊控制，基于神经模糊网络模糊控制和时空混沌的自适应模糊控制等。
可以说国内的理论研究已经朝纵深发展，理论体系也比较完善。
而根据近几年的研究发展可以看到，大量的研究都尝试采取新型的自适应进化算法，如神经网络、遗传算法和模糊控制相结合应用。
而在实践应用领域，模糊控制在近几年几乎涉及到各个重、轻工业领域。
在空调制冷系统，温度控制系统和各种家庭小电器中都可以看见用模糊控制方法实现优化处理的应用文章。
对于汽车空调的算法，国内外也有许多相关的研究。
Mitsul曾用PID控制器对汽车空调运行进行控制，该控制器的执行机构为电子膨胀阀和压缩机，根据蒸发器进、出口温度之差，用PID控制器对电子膨胀阀的阀口开度进行控制。
与热力膨胀阀控制相比，能取得较好的效果。
而采用模糊控制方法的也有相关报道，但是并没有形成统一成型的模糊控制方法，甚至只是一些尝试，需要更深入地进行研究和应用。
从国内汽车空调技术水平来看，尽管我国汽车空调产品的开发设计水平有了大幅度提高，但其技术含量仍低于国际先进水平，我国汽车空调面临着产品升级换代的问题。
随着我国汽车配件市场的逐步开故，国内汽车空调面临国外汽车空调专业生产厂家的严重挑战。
因此，国内汽车空调生产如何走上专业化、规模化经营之路，将成为我国未来几年汽车空调业迫切需要解决的问题。
1.3.2国外车载空调的发展状况
长期以来，国外的许多相关厂家一直致力于汽车空调的改进与新产品的研制，并且投入了大量的人力物力，同时得益于微机控制、微电子技术的发展，取得了相当的成就。
目前，美国生产的客车12%装备了自动空调系统，只要预先调好温度，机器就能自动地在调定的温度范围内工作，有82%的客车装备了手动空调系统。
美国通用汽车公司和日本五十铃汽车公司（后合并到三菱集团）一起联合研究微机控制的客车空调系统，将客车空调技术推到一个新的高度。
法国路易斯公司开发出了头部和脚部温度能分别调节的空调装置。
欧洲，日本等汽车工业发达国家的汽车公司也相继开发出各自的自动空调系统。
国外一些大汽车公司的汽车空调系统代表了全自动空调的最高水平美国通用汽车公司1964年率先在轿车上应用自控汽车空调，开辟了自控汽车空调装置阶段的先河。
自控汽车空调只需预先设定温度控制，自动保持在温度范围内工作。
装置根据传感器随时检测车内外温度，自动地调控装置各部件工作，达到控制车内温度和行使其他功能的目的，通用汽车公司某型轿车车身计算机模块（BCM）控制的空调系统是较典型的自动空调系统。
该模块监视高压管路、低压管路的温度以及储液干燥器的压力及发动机冷却水温等信号。
如果系统不在设定的范围内工作，BCM将压缩机电磁离合器脱离。
该系统用一个双向电动机调节混合风门开度，并用5个操纵机构分别控制各个模式风门和加热器热水阀，还用功率模块控制鼓风机的转速。
根据驾驶员输入的温度、车室内外温度及制冷剂低压管路温度，BCM计算出气流分送模式，鼓风机转速及混合风门开度，然后进行相应的控制。
日本丰田某型轿车自动空调监测车内外温度、蒸发器温度、冷却水水箱温度以及阳光辐射强度、压缩机转速等参量，通过控制压缩机磁吸、风机转速和温度混合风门、内外流循环风门和模式风门的伺服电机，进行车室温度调节。
该空调ECU（电子控制单元）首先计算送风温度，并根据送风温度控制风机转速、混合风门开度、压缩机启停及送风模式。
另外，模糊控制在国外发展非常迅速，在IEEE上有关于模糊系统的专刊，而且定期举行模糊系统协会国际会议。
在欧美、日本等地，模糊控制理论迅速应用到了商业产品中去，其中就包括日本把模糊控制成功应用到地铁和各种家电产品的实例。
现在国外的模糊控制理论研究基本上在每个领域上都取得了成功，其中包括工业温度控制，大型空调系统控制和电冰箱温度控制等。
在多输入、输出非线性系统领域中取得了骄人的成功，突破了传统控制方法的局限。
国外空调控制领域也朝着模糊控制的方向发展。
1.4课题的研究内容和主要工作
本课题是设计一个基于微机的汽车空调电气控制系统。
系统由主控制单元和输入输出控制单元及外围电路组成，并具有过/欠压，离合器转速高/低保护功能。
研究内容如下：
（1）系统整体方案的设计
仔细分析国外先进的全自动空调控制系统的特点，借鉴他们的成功经验，结合我国的实际情况，进行总体方案的设计。
确定改进以往的客主空调控制系统的温度设定，真空操作等部分，以单片机为控制系统的核心，开发出具有风口自动转换，温度范围可调，满足一定湿度及清洁度的空调控制系统。
（2）控制系统的硬件电路的设计
控制系统采用了89C51单片机为主控单元，还包括模拟信号采集电路、人机接口单元、看门狗电路、执行机构等。
执行机构由电机、鼓风机、加湿器、空气净化器及其操纵机构组成。
（3）模糊控制理论的研究以及模糊控制技术的应用
学习模糊控制的基础，并结合汽车空调控制系统的实际情况，将模糊控制技术初步用于空调控制器。
（4）系统软件的设计
软件主要是指系统主程序的设计，此外，为了弥补硬件抗干扰能力的不足，还进行了软件抗干扰的设计。
（5）样机的试验调试
进行样机的实验调试，检验开发出的样机是否达到设计要求，运行是否准确可靠。
主要技术参数：
1.蒸发机和冷凝机工作电压DC24V，功耗200W，额定风量分别为1000
/h和2100
/h；
2.熔断器额定电流值12A；
3.高压开关在绝对压力高于2.45MPa时触电吸合，系统报警；
绝对压力低于1.65MPa时触点断开，进入工作状态。
4.低压开关在压力低于0.135MPa时触点吸合，系统报警；
绝对压力高于0.31MPa时触点断开，进入工作状态。
第2章车载空调系统的介绍及总体设计
2.1车载空调的功能
汽车空调具有以下几个功能：
1.调节车内温度：
这是汽车空调的基本功能，汽车空调在冬季利用其采暖装置升高车室内的温度，在夏季，车内降温由制冷装置完成。
2.调节车内的湿度：
普通汽车空调一般不具有这种功能，只有高级豪华汽车采用的冷暖一体化空调器，才能对车内的湿度进行适量的调节。
它通过制冷装置冷却降温去除空气中的水分，再由采暖装置升温以降低空气的相对湿度，但在汽车上目前还没有安装加湿装置，只能通过开车窗或通风设施，靠车外新风来调节。
3.调节车室内的空气流速：
空气的流速和方向对人体舒适性影响很大。
夏季，气流速度稍大，有利于人体散热降温，但过大的风速直接吹到人体上，也会使人感到不舒服。
冬季，风速大了会影响人体保温，因而冬季采暖希望气流速度尽量小一些。
4.过滤净化车内空气：
由于车内空间小，乘员密度大，车内极易出现缺氧和二氧化碳浓度过高的情况，汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘，野外有毒的花粉都容易进入车内，造成车内空气污浊，影响乘员的身体健康，因此必须要求汽车空调具有补充车外新鲜空气，过滤和净化车内空气的功能。
2.2车载空调系统原理
2.2.1车载空调系统基本工作原理
车载空调的基本功能是通过人为的方法使车厢的温度降低和升高、从而达到使人体感到舒适的温度环境。
高级汽车空调还包括对车厢内空气净化、控制二氧化碳含量和控制空气湿度等高级功能。
一般汽车空调系统都可以分为采暖系统和制冷系统两部分。
如图2-1为汽车空调制冷循环图。
图2-1汽车空调制冷循环图
制冷系统主要由压缩机、冷凝器（包括冷凝风机）、膨胀阀和蒸发器（包括蒸发风机）组成。
其制冷原理是利用液态制冷剂吸热产生冷效应。
首先，低压（低温）液态制冷剂进入用来冷却车内空气的蒸发器，制冷剂在定压下吸热气化。
由于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动地吸取蒸发器周围空气中的热量，使蒸发器周围空气的温度降低，产生冷效应。
然后，气化了的制冷剂通过压缩机压缩，变成高于车外空气的高温高压气体。
高温高压的制冷剂通过在车室外的冷凝器，发生液化，将热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高压（高温）液态冷凝剂。
最后，经过节流阀，降温降压，恢复到低压（低温）液态。
所以，当空调要进行制冷时，必须开启压缩机使制冷剂循环，从而降低车内温度。
采暖系统是由暖风散热器、暖水阀和风机组成。
由于汽车行驶时发动机产生大量热量，一般小型汽车空调都采用发动机余热采暖。
发动机冷却水通过暖水阀流入暖风散热器，从而升高通过暖风散热器的空气。
所以，当空调要进行加热时，必须开启暖水阀。
2.2.2车载空调系统的总成结构
目前，大多数客车空调系统总成采用全功能型，其风道系统如图2-2所示。
图2-2冷暖合一型空调
内外循环风门由内外循环电磁阀控制，当内外循环电磁阀闭合时，汽车空调处于内循环状态，这个时候只有车内回风能够进入空调风道。
反之，当内外循环电磁阀开时，空调处于外循环状态，这个时候不仅仅车内回风能够进入空调风道，车外空气也进入空调风道，也就制冷（加热）处理前空气是车内回风和车外新鲜空气的混合气体。
鼓风机由鼓风机调速电路控制，其作用是推动空气在空调风道里流动，在冷暖合一型空调中，它同时也起了是制冷蒸发器风扇和暖风散热器风扇的作用。
所以鼓风机的快慢直接影响到了制冷蒸发器和暖风散热器的对流散热快慢，也就直接影响到了车内空气的调节速度。
由于空调风道只有这一个鼓风机，所以无论是哪个出风口风速的大小都是由该鼓风机控制。
制冷蒸器连接制冷压缩机，压缩机由压缩机电磁阀控制。
压缩机电磁阀吸合后，压缩机开始工作，蒸发器就能从流过的空气中吸取热量，从而使空气降温。
暖风散热器由暖水电磁阀控制，暖水电磁阀吸合后，发动机冷却水流过暖风散热器，这样就可以通过发动机余热进行热交换，将经过散热器的空气加热。
混合风门开度由混合风门电机控制。
风向风门由风向风门电机控制。
风向风门可以控制空调出风口的出风方式，也就是控制经过处理的空气从除霜风口、下吹风口和前吹风口吹出。
综上所述，整个汽车空调控制系统可以通过六个受控装置来控制，它们分别是内外循环电磁阀、鼓风机调速电路、混合风门电机、压缩机电磁阀、暖水电磁阀和风向风门电机。
1.车载空调的制冷系统
空调的制冷方式很多，目前实际应用于汽车上的空调制冷方式，全部为蒸汽压缩式制冷方式。
汽车空调蒸汽压缩式制冷原理
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