完整版汽车车内温湿度系统毕业设计论文.docx
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完整版汽车车内温湿度系统毕业设计论文
优秀论文审核通过
未经允许切勿外传
中北大学信息商务学院
毕业论文
学生姓名：
郭润强
学号：
学院、系：
信息商务学院、信息与通信工程系
专业：
电子信息科学与技术
设计题目：
汽车车内温湿度控制系统设计与研究
起迄日期:
2013年2月23日~2013年6月30日
指导教师:
杨湖
2013年2月23日
汽车车内温湿度控制系统设计与研究
摘要
汽车空调系统具有热工系统的性质，几十年来，汽车车室温湿度控制策略主要以双位控制为主。
随着汽车市场竞争的日趋激烈以及人民对温湿度控制的精准要求越来越高，汽车车内温湿度控制逐步向PID、模糊控制发展。
本文通过对汽车空调工作原理和空调总成的结构分析，设计了以AT89C52为核心的单片机控制系统，并对控制器硬件电路部分做了设计。
汽车车室的温度主要由汽车车室热负荷和汽车空调系统的制冷量和制热量影响。
汽车车室热负荷主要包括太阳热辐射热、车身传导热、驾乘人员散发热以及信封引起热量差等；汽车空调的制冷、制热量与风道风量、蒸发器和暖气芯换热系数等有关。
建立以温度误差和误差变化率为输入，以风机转速、混合风门开度、压缩机开关、暖水阀开关为输出的车室温度模糊控制器，仿真结果表明其客服了双位控制时压缩器、暖水阀开关过于频繁以及PID控制的调节时间过长等缺点。
同时，针对普通模糊控制器存在稳态误差的缺点，采用辩论域的方法，对风机转速和混合风门开度进行自适应模糊控制，取得更好的稳态性能和动态性能。
电子膨胀阀逐步取代热力膨胀阀成为节流降压元件，可以更好地控制蒸发器过热度，从而控制蒸发器的蒸发温度。
根据通用的模糊规则，建立蒸发器过热度模糊控制器，过热度控制效果令人满意。
由于汽车空调系统中不采用主动增湿措施，而是利用温度对湿度的影响，对湿度进行控制。
其中湿度的计算借助美国供暖、制冷、空调工程师学会接触的公式推导得出，建立以温度误差为主要参数，温度误差为修正参数的模糊控制器。
关键词：
汽车空调温度湿度模糊控制
Designandresearchoftemperatureandthedoublecontroloftemperatureandbecomesincreasinglyfierceandthepeopleonthetemperatureandrequestmoreandmorethispaper,throughtheanalysisoftheprincipleandair-conditioningautomobileassemblystructure,thedesignofmicrocontrollercontrolsystemwithAT89C52asthecore,andthe.
Carroomtemperaturemainlyaffectedbyvehicleroom,speed,mixedairdamperopening,compressorswitch,warmwatervalveswitchforoutputcarroomtemperaturefuzzycontroller,thesimulationresultsshowthatthecustomerservicedualcontrolcompressor,warmwatervalveswitchtoofrequentandlongregulationtimePIDcontrol.Atthesametime,inviewoftheexistingshortcomingsofthesteady-stateerrorofordinaryfuzzycontroller,byusingthemethodofargumentdomain,thefanspeedandthrottleopeningdegreevalvegraduallyreplacedthermalexpansionvalveasthrottledecompressionelement,canbettercontrolofevaporatorsuperheat,evaporationtemperatureandcontroltheevaporator.Basedonthefuzzyrulesofgeneral,establishmentoffuzzycontrolonevaporatorsuperheatsuperheat,asatisfactorycontroleffect.
Becausetheactivemeasuresarenotusedinautomotiveairconditioningsystem,buttheinfluenceoftemperatureon,AirConditioningEngineerslearncontactformula,toestablishthetemperatureerrorasthemainparameters,fuzzycontrollerfortemperatureerrorcorrectionparameters.
Keywords:
automobileairconditioningtemperatureand-CircuitEmulator）接口；
具有保密能力；
具有WatchDog功能。
3.2.1SPCE061A的最小系统组成
SPCE061A的最小系统组成图如图2所示，由图可见，其接线比较简单，在OSCO、OSCl端接上晶振及谐振电容，并在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容和电阻即可工作。
在其它不用的电源端和地端接上0．1YF或1001~F的去耦电容可以提高系统的抗干扰能力。
3.2.2外扩存储器选择
SPCE061a中的FLASH只有32Kword，由于系统设计的程序比较多，要存放大量的数据，就要考考虑对外扩存储器进行外围扩展。
本设计采用凌阳公司的SPR4096芯片对储存器扩展。
SPR4096是一个高性能的4M-bit总线FLASH，分为256扇区，分为256个扇区，擦除的时候，每个扇区为2K-byte。
SPR4096还有内置一个4K×8-bit的SRAM.在进行FLASH的变成可以并发执行SRAM的读写。
SPR4096内置了一个总线存储器接口和一个串行接口，它允许单片机通过8-bit并行模式访问FLASH存储区。
本设计使用串行模式，串行接口的工作频率为5MHZ.SPR4096有两个电源输入端VDDI和VDDQ是给内部FLASH和控制逻辑供电的：
VDDQ是专门为IO供电的。
串行接口模式的选中是通过设置CF2-CF0来实现的。
当成分CF2-CF0均接高电平时，选中的就是串行接口模式。
在串行接口模式中，CF7为低电平时选中FLASH,高电平选中SRAM.设计中，SCLK接IOB0，SDA接IOB1，CF2-CF0接高电平，选择串行接口模式：
CF7接低电平，选中FLASH
3.3电源电路设计
汽车空调控制器需要两路电源：
5v和12v电源。
5v电源用于SPCE061A单片机供电，12v电源用于需要大电流驱动的场合，风机，压缩机等。
由于汽车蓄电池供电只有12v并且工作期间有很大波动。
综合考虑，本系统选用了电源芯片LM2596，将车载电源转换为所需电源。
如下图所示
3.4温度信号采集电路的设计
3.4.1温度传感器的选择
温度传感器的功能是进行温度信号的测量，在本文中采用温度传感器AD590[15]。
AD590是美国ANALOGDEVCIE公司生产的专用集成温度传感器，属于电流输出型传感器。
在一定温度范围内，它相当于一个高阻抗恒流源，其电流温度灵敏度为1μAK。
它不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声等的干扰。
此外，它还具有体积小、测温精度高、线性度好和互换性强等特点。
传输线上的压降不影响输出电流值，可以进行远距离传输。
因此，它具有使用方便，抗干扰能力强的特点，特别适用于较远距离的温度巡回检测系统的设计方法。
其主要技术指标为:
1）测温范围:
-55℃～150℃
2）电流输出:
1μAK
3）电源电压:
4～30v（直流）
4）精度:
0.5℃
5）重复性:
±0.1℃
6）输出阻抗:
约为10MΩ
7）长期漂移:
±0.1℃月
3.4.2温度传感器采样放大电路
温度传感器采集的温度信号是模拟信号，需要进行AD转换。
某些结型半导体器件，例如二极管和三极管对温度呈现出敏感性，因而可用作温度敏感元件，因此可以利用这个特性，从它的输出电量的大小直接换算，而得到绝对温度值。
AD590便是根据此原理制造的一种半导体集成温度传感器。
单片机SPCE061A的输入信号是电压值，电压范围是OV～5V，而AD590采集的温度信号是电流信号，电流的量值是微安级，所以AD590传感器采集的温度信号还不能直接输入到单片机中，需要进行电流电压的转换，将电流信号转换为电压信号，并且对电压信号进行放大。
以适应ADC0809芯片的输入要求。
因此，本文采用10KΩ电阻与AD59O串联对传感器进行电压取样。
在电阻上得到与绝对温度成正比的电压输出Vo（1mVK）。
当温度变化时，AD59O会产生变化的电流，而且AD590的输出是与绝对温度（K）成正比的，其在0℃时输出电流为273.2uA，为了使AD590的输出与摄氏温度（℃）成比例关系，作如下处理。
经OPA1将电流转换成电压，再由OPA2做零位调整，最后由OPA3反向放大10倍。
放大电路如图4.2。
第一个步骤:
先调AD59O的可变电阻器VR1。
如以0℃为参考值，则应使电压输出为2.73V；
第二个步骤:
调整VR2，使0℃时OPAZ的输出为2.73-2.73=OV（反相，零位调整）；
第三个步骤:
调VR3，使此时OPA3放大10倍。
图4.2采样放大电路
另外，出于经济性和数据采集特点的考虑，本文决定采用多路开关来对4路传感器信号进行分时采集，这样可以使4↗路信号共用一个放大器，而又不影响电路的特性。
模拟开关CD4051的选通地址A0～A2单片机的控制。
就完成了从温度电流信号到AD转换器标准电压信号的转换。
前面已谈到AD590及其测量调理电路如何实现标准电压信号的输出，该电压信号为模拟量，为了温度信号的引入，必须进行模数转换。
对于单片机接口的模拟信号采集，软件设计为对每个端口进行分时采集。
3.5转向器控制电路设计
与家用空调不同，汽车空调制冷制热是靠风道的切换来实现的，制热模式转向制热风道，风从装有水箱的风道吹出，水箱中的水是发动动的冷却水，含有热量：
当处于制冷模式是，转向器转向制冷风道，压缩机工作，蒸发器温度降低，风机吹出的风通过蒸发器，达到制冷的目的。
在汽车内，外风循环和除霜运行，分别通过两转向器来控制。
每个转向器的内部都有小电机，通过内部的蜗杆，齿轮等传动装置来驱动与齿轮相配合的摆臂，这个摆臂又与外部的连杆机构来转动风门。
齿轮上装有磁极，它与转向器内部电路板得霍尔元件来决定转向器转动的位置，从而确定风门所转的角度。
转向器工作电压为+12V，“WAY”和“D”是转向器的控制端，“H1”和“H2”是转向器位置反馈信号。
单片机的“IOB4”通过转向器“D”控制转向器转动，“IOB7”通过转向器的“WAY”控制正反转，“IOA15”“IOA14”分别接受来自转向器“H1”“H2”的霍尔位置反馈信号，单片机根据该反馈信号，控制转向器转动的角度。
4人机接口的设计
LED显示和简易键盘是汽车空调智能温控系统的人机接口，车厢内的测量温度和设定温度由LED显示,通过键盘，可以实现系统的“软关机”和恢复“正常运行状态”，可以切换“自动”和“手动”工作模式。
在“自动模式”下能够通过输入温度设定值，实现车厢温度的自动调节；而在“手动模式”下可以直接改变混合风的开度，实现车厢温度的人工调节。
用8255扩展并行IO接口构成的键盘和四位七段LED显示器接口电路。
另外，接在P1.2上的指示灯L0工作于混合风门的手动控制的模式下，当其发光时，表示风门处于最大开度位置。
4.18255和A589C52的硬件连接
8255是一种可编程的并行IO接口芯片，其内部含有三个8位数据端口A、B、C，都可以选择作为输入或输出。
有A组和B组两组控制电路，A组控制电路控制端口A和端口C的上半部分（PC7～PC4）；B组控制电路控制端口B和端口C的下半部分（PC3～PC0）。
8255中的三个端口以及内部的一个控制寄存器，由A1、A0来加以选择。
另外，8255有三种工作方式:
基本输入输出方式（方式0），这种方式下，A、B、C端口任何一个都可以作简单的输入输出操作，不需要应答联络信号；输入输出方式（方式l），端口A、B、C借助于C口一些引脚选通或应答或联络信号；带选通的双向总线输入输出方式（方式2），此方式只适用A口，由PC3～PC7提供选通、联络信号，实现总线数据的规化传送。
为了简化接口，且不必引入反馈闭环控制，故本文采用方式0工作。
在此，单片机的P0口线既作地址线使用又作为数据线使用，具有双重功能，因此需采用复用技术，对地址和数据进行分离，为此在构造地址总线时要增加一个8位锁存器，本文采用的地址锁存器是74LS373。
首先由锁存器暂存并为系统提供低8位地址，其后P0线就作为数据线使用。
即AT89C52的P0口输出的低8位地址增加74LS373后再与8255的AD0～AD7相接，地址锁存用ALE在74LS373锁存。
其中，8255的端经锁存器接P0.7，A1、AO经锁存器接P0.1和P0.0。
当P2.7为低电平时，访问8255的IO口[16]。
4.2LED显示器
1）LED的动态显示
本文中控制系统的显示器采用四位七段LED显示器[17]，其中前两位用于显示温度设定值，后两位用于显示温度测量值。
另外，LED显示有动态显示和静态显示两种显示方式，其中静态显示方式的编程较容易，但占用口线资源较多。
在本论文的设计中，四位七段LED显示器采用动态显示方式。
段选线接8255的PA口，位选线接8255PB口的PB0～PB3。
由于各位的段选线并联，段选码的输出对各位来说都是相同的，在同一时刻，如果各位的位选线都处于选通状态的话，四位LED将显示同样的字符；如果采用扫描显示方式，在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，其他各位处于关闭状态，同时在段选线上输出该位要显示的字符的字型码，这样在此时四位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其他三位是熄灭的。
同样在下一时刻只让下一位处于选通状态，其他的处于关闭状态，同时段选线输出该位要显示字符的字型码，在这一时刻只有选通的位有输出。
如此循环下去，就可以使各位显示出要显示的字符，虽然这些字符不是同时出现，但由于人的视觉留现象，只要各位的显示间隔足够短，则会造成同时显示的假象。
2）LED显示的驱动技术
LED显示器的驱动是一个重要的问题，驱动能力不够，显示亮度就低，驱动器长期在超负荷下运行则容易损坏。
对于静态显示,LED的驱动较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示的工作电流相匹配即可，而且只须考虑段的驱动。
动态显示则不然，由于一位数据的显示由段和位选信号共同完成的，必须同时考虑段和位的驱动，段的驱动能力决定了位的驱动能力:
当段驱动能力确定后，要考虑极端的情况，即该位中各个段全部点亮，则位的驱动电流为各段驱动电流之和。
选择晶体三极管C9013为驱动器，各个三极管工作于开关状态。
当段、位选通时，C9013的饱和压降约为0.3V，LED的压降近似为1.5V，取限流电阻60Ω，则段的峰值电流为:
（5－0.3－1.5－0.5）60≈50mA，因显示器为四位LED显示，所以平均电流为504＝12.5mA，显示器为七段，故位驱动电流为50×7=350mA，满足七段LED显示的要求。
4.3键盘工作原理
简易键盘中的“UP”键、“DOWN”键和“AUTO”键跨接在8255相应的PC0～PC2线上，此时，8255的PC口为输入。
同时，3个按键的行线通过一个与门接到CUP的外部中断引脚上，当键盘上没有键闭合时，列线都输出高电平，引脚也为高电平。
一旦键盘上有键闭合，引脚就变为低电平，向CUP发出中断请求。
再用软件查询的方法判别是否真的有键按下和确定是哪个键被按下。
另外，系统的软开关按键“ONOFF”键接AT89C52的P1.3引脚，按键在没有闭合时，P1.3引脚处于高电平，该按键采用扫描查询的工作方式，当检测到氏输入为低电平时，系统会在“正常运行模式”和“软关机模式”之间切换。
4.4串行存储及系统监控电路的设计
4.4.1监控芯片X25045功能介绍
为提高单片机系统的稳定性和抗干扰能力，采用带看门狗定时器、带上电复位和电源电压监控的电路成为一种趋势。
另外，在单片机系统中常常需要在线进行某些参数的设置和修改，且掉电后数据保持不变，往往会用到串行EERPOM。
Xicor公司生产的X25045芯片将看门狗定时器、上电复位、电源电压监控和串行EEPROM集成在一片8只引脚的芯片内，与单片机的接口非常简单，简化了系统硬件，提高了可靠性，降低了成本和功耗，是组成单片机系统的理想器件之一[18]。
1）功能简介
看门狗X25045的看门狗定时器对单片机提供独立的保护系统。
该定时器共有20Oms、600ms、1.4s三种定时时间，可由用户编程选择。
在设定的时间内，若单片机没有访问X25045（即表示系统出现故障），看门狗将输出RESET信号，将其RESET输出端置为高电平。
延时约200ms后，RESTE端由高电平变为低电平，将单片机复位。
电压监控上电时，电源电压高于4.5V后，经过约200ms的稳定时间RESET信号由高电平变为低电平；掉电时，电源电压低于4.5V时，RESTE信号立即变为高电平直至电源电压恢复稳定为止。
这样就保证了单片机可靠复位以及电源电压不稳定时，单片机不会出现死机和误动作。
X25045片内带64字节串行EEPROM，每个字节可擦写10万次以上，数据可保存100年以上，具有可编程块锁定功能，用三总线串行10接口便可进行读写操作
2）工作原理
X25045内部有一个8位的指令寄存器，单片机通过对指令寄存器写命令实现对X25045的操作。
指令、地址和数据均以高位在前的方式串行传送，EEPROM读（READ）、写（WRITE）命令中的第三位是EEPROM地址的高位A8，用于选择器件的上半部或下半部。
另外，X25045有一个8位的状态寄存器，它由RDSR和WRSR命令进行读写WIP位为写EEPROM忙位，是只读位。
WIP为“0”,表示没有进行EEPROM写操作，可以写EEPROM操作，WIP为“1”，表示正在进行EEPROM写操作，此时不能向EEPROM写数据。
WIP位由WRNE指令设定为1:
在执行WRDI操作，上电时，字节、页或状态寄存器写周期完成后，WIP脚变为低电平时，WPI复位为0。
WEL是写使能寄存器状态位，是只读位。
WEL由WREN指令置为1，由WRDI指令复位为0。
当WEL被复位为0时，EEPROM写操作被禁止。
BL0、BL1是EEPROM块保护的地址选择位。
一旦某块地址的内容被保护，该块的内容就只能读，不能写新数据。
WD0、WDI为看门狗定时器定时时间设定位。
4.4.2X25045与单片机AT89C52的接口电路
图4.2是X25045与AT89C52的接口电路。
Pl.7、Pl.6、P1.5、Pl.4分别接X25045的串行输入、串行时钟输入、片选、串行输出端，经2K电阻接Vcc，按键S起手动复位作用。
图4.2X25045与AT89C52的接口电路
4.5混合风门步进电机驱动电路的设计
根据PMM8713与SI-7300A组合的步进电机的功率驱动电路，设计出混合风门四相步进电机的功率驱动系统。
PMM8713采取单脉冲输入、1-2相励磁方式，DP控制端为SI-7300A的输入电流I。
调节端，可悬空或接高电平，接高电平时可适当提高SI-7300A的输出电流，在本应用系统中悬空使用。
PMM8713的时钟脉冲输入信号和旋转方向控制信号由AT89C52的Pl.0和P1.1输出，系统采用四相混合式步进电机，驱动电压为直流24V[19]。
4.5.1SI-73001功率驱动原理
SI-73001采用PWM恒流斩波的驱动方式，是高性能步进电机集成功率放大器，为单极性四相驱动，能获得很高的性能指标.
步进电机使用较高电压电源，可使绕组电流几乎阶跃地上升到预定值，流过Rs的检测电流去控制斩波控制电路关断，绕组电路在续流回路（回路L、T2、Rs、Dl）中续流并下降，当电流下降规定时间后（达到某一电流值）由脉冲电路产生脉冲至斩波控制电路使T，接通，如此反复控制，由T1反复开关绕组电流，进行斩波控制，使电流平均值趋向于维持恒定。
外接稳压二极管D1、D3用作钳位保护和内部集成续流回路（需外接检测电阻Rs）以保护T1免受因T1的开关动作引起的感应电动势造成的尖峰电压损害。
4.5.2PMM8713的特点及其管教功能
PMM8713是步进电机脉冲分配器，采用DIP16封装，适用于控制三相或四相步进电机。
控制三相或四相步进电机时，可以择3种励磁方式，每相最小灌入与拉出电流为20mA，满足后级功率放大器的输出要求，PMM8713在其所有输入端子上内嵌有施密特电路，噪声容限大。
由时钟选通设定步进电机正反转脉冲的输入方法。
脉冲输入方法有双脉冲输入法和单脉冲输入法两种。
双脉冲输入法，CU、CD分别控制步进电机正反转脉冲；而单脉冲输入法，CK脉冲输入，正反转方向由CD的电位高低决定；激励方式控制决定选择何种励磁方式（1相励磁、2相励磁、1-2相励磁3种励磁方式之一），本文采用1-2相励磁方式，故EA和EB都接高电平；激励方式判断用于检测可逆环形计数产生步进电机在选定的励磁方式下的各项通断的时序逻辑信号。
PWM8713管脚功能如表4.1所示。
表4.1PMM8713管脚功能
管脚号
符号
功能
1
CU
正转时钟输入
2
CD
反转时钟输入
3
CK
时钟脉冲输入
4
Ｃ
旋转方向切换，0-反转，1-正转
5
EA
励磁模式切换
00—2相；01、10—1相；11—1-2相
6
EB
7
ΦC
3、4相切换0-3相；1-4相
8
Ess
地
9
R
复位
14
Em
励磁检测
15
CO
输入脉冲检测
16
VDD
电源+4V～18V
4.6串行通讯接口的设计
串行口通讯是计算机与外部设备之间进行数据交换的重要方式，在工程中有着广泛的应用。
本文采用普通PC机作为上位机，在VB平台上开发空调车厢温度调节系统的热力学模型，通过串口通讯的方式与单片机系统进行数据交换，以测试本文研究设计的汽车空调智能温度控制器的实际工作性能[20]。
4.6.1串行数据通信概述
1）串行数据传送的特点
数据传送按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但速度慢。
计算机与远程终端或终端与终端之间的数据传送通常都采用串行方式。
另外，串行数据传送分为异步传送和同步传送两种方式，本文使用异步传送方式。
2）异步串行通信异
步串行数据通信是以字符为单位，即一次传送一个字符。
异步数据发送器先送出一个
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