基于单片机的汽车空调控制系统设计1.docx

1、基于单片机的汽车空调控制系统设计11 绪论1.1 课题背景及意义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，人们对汽车空调的温度控制性能提出了更高的要求。国外一些大汽车公司的高档汽车上纷纷装有全自动的空调系统，而国内大部分高档汽车的空调控制器是进口的，目前还没有自主开发的具有自主知识产权的汽车空调自动控制器。总体来看，我国目前汽车空调系统的电子化程度较低，大多数仍采用手动控制或简单的位式控制。手动控制一方面会出现车内温度与乘员舒适要求相差很大，不能满足舒适性和节能性的要求；另一方面容易分散驾驶员的注意力，

2、降低行车的安全性。手动控制己成为汽车空调进一步发展的瓶颈问题。而国外一些高档汽车上已经配有全自动汽车空调系统，并且对这些先进的技术率先申请了专利，对知识产权进行了保护，因此无法破解其核心技术，这样就形成了引进-落后-再引进-落后的恶性循环，严重阻碍了我国汽车工业的发展。随着我国加入WTO和全球贸易大市场的形成，国外先进的汽车空调控制技术对国内汽车工业造成很大的冲击和压力，汽车工业又面临着新的机遇和挑战。我们只有自主开发适合我国交通、气候的汽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，才能提高我国汽车工业整体水平，否则就会在竞争中失败，因而 加紧汽车空调全自动控

3、制系统的研究势在必行。目前，我国汽车保有量己超过1200万辆，汽车年产量约110万辆，汽车空调市场有着广阔前景。而现在进口汽车空调控制器的价格较高，而实际的生产成本较低，随着人民生活水平的提高和汽车工业的发展，全自动控制的空调汽车由于具有较好的舒适性和节能性以及方便驾驶员操作等优点将会越来越受到人们喜爱，因而我们必须不失时机地抓住这个机遇，自主开发研制先进的汽车空调控制系统，不仅会产生巨大的经济效益，而且对我国的经济建设，汽车工业的发展都具有促进作用。在对全合一空气混合型的汽车空调系统进行调研的基础上，通过模糊控制策略和软硬件系统的研究，设计出汽车空调全自动控制系统中的核心部分智能温控系统。1

4、.2 国内外研究现状和分析我国现有主要汽车空调生产厂家多家，其中绝大部分是引进国外技术生产线和生产设备，还有些是中外合资企业，国内汽车空调技术的研究和开发特别在自动控制方面与国外的差距很大，由于没有掌握核心技术，导致产品缺乏竞争力，难以满足整车企业的系统化、模块化采购。另外在温度控制方法方面，学术界普遍认为模糊控制和神经网络等理论适用于描述非线性系统。对模糊理论与传统控制理论的关系学术界进行了很多的讨论1。1.2.1 国外研究现状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。目前，美国，欧洲，日本等汽车工业发达国家的汽车公司已经相继开发出各自的自动空调系统1。通用汽车公司某型汽车

5、车身计算机模块(BCM)控制的空调系统是较典型自动空调系统。高模块监视高压管路、低压管路的温度以及蓄压罐的压力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2。而克莱斯勒公司的某些汽车空调还以占空比的方式对压缩机离合器进行控制。日本丰田某型汽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

6、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、新风风门和模式风门的伺服电机，进行车室温度调节。自动功能下该空调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2。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2。现在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，当中包括工业温度控制，大型空调系统控制和电冰箱温度等。在多输入输出非线性系统领域取得了骄人的成功，

7、突破了传统控制方法的局限2。1.2.2 国内研究状况从市场占有情况看，由于目前大多数汽车空调生产未上规模，加上总类繁多，国内汽车空调销售市场仅为几家所垄断。比较而言，国内的汽车空调控制要稍逊一些。广州标致汽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、压缩机离合器开合及热水阀大小来进行温度调节。奥迪100汽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。奥拓汽车空调就更为简单，没有舒适性控制用的传感器，对室温靠人为控制。另外一些形式的汽车空调还未产品化。有人认为光线的入射角会对热负荷影响很大，而对此制定了一套

8、相适应的控制策略。也有这种研究如何通过计算确定送风量、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用不同出口进行控制。通过控制压缩机启停来控制车厢内温度也需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，己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

9、也比较完善4。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5。国内汽车空调生产企业如何利用电子技术提升传统空调产品的技术含量走上专业化、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 汽车空调的特点及其控制系统的难点 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，由于汽车车室内乘员密度大，人体热量大，要求的制冷能力大，汽车开启空调与乘员进入车内往往是同一时刻，乘客

10、要求一进入车室，在很短的时间内就享受到空调效果；而汽车车身在开空调之前的蓄热量是很大的。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，与外界对流热交换量大，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下(或风雪下)，进入车室的热负荷(或冷负荷)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以上。汽车的使用环境非常严酷，这些环境因素往往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

11、系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求2。首先，要满足温度环境的要求。汽车外部的环境温度最高为50，最低为-40，但汽车内的工作环境却因部件的位置不同而相差极大。其次，要满足振动冲击环境要求，汽车零部件必须承受由不良路面引起的较大的振动和冲击。 还有，要满足电气环境要求。汽车电源波动和瞬时过电压等将形成较坏的电气环境。 1.4 课题的提出与研究内容 本课题的研究是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

12、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。 2) 建立实现模糊控制算法的控制系统6。阐述了如何实现对汽车空调系统的自动化模糊控制。 3) 温度的检测采用高精度的集成温度传感器AD590实现。 4) 编程过程中，采用模块化的设计方法，对各个子模块分别进行编程、调试，再按控制要求将它们连接起来，进行调试、分析。 2 汽车空调系统工作原理 2.1 汽车空调系统基本工作原理 汽车空调基本功能是通过人为的方法使车厢的温度降低和升高，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

13、统都可以分为采暖系统和制冷系统两部分7。 制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。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，制冷剂加热在定压下气化。由于制冷剂在管内气化时的温度低于管外空气的温度，因此能自动地吸取车内空气中的热量，使空气温度降低，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。这时，制冷剂通过在冷凝器将热量释放到车外，制冷剂放热就变成了高压液态冷凝剂。最后，经过节流阀，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

14、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 汽车空调的总成结构汽车空调系统总成是采用冷暖完全合一型，其风道系统如图2.1所示8。图2.1 全合一型汽车空调结构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

15、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，在全和一型空调中，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。制冷蒸发器连接制冷压缩机，压缩抓由压缩机电磁阀控制。当压缩机电磁阀吸合，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。混合风门开度由混合风门电机控制。混合风门负责控制空气经过蒸发器和暖风散热器的量，也就是控制经过两种处理空气的混合程度。暖风散热器由暖水电池阀控制，当暖水电磁阀吸合，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。混合风门负责控制空气经

16、过蒸发器和暖风散热器的量，也就是控制经过两种处理空气的混合程度。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。全合一空气混合型的汽车空调系统，其类型是制冷与加热使用一套温度控制系统，通过混合风门的开度来调节冷热空气的混合。混合风门是全合一空气混合型汽车空调系统最重要的温度调节机构，起作用是将一定量空气按不同比例分配后分别流经制冷蒸发器和暖风散热器，然后再混合，从而调节

17、出风温度。因此，将对混合风门的开度调节作为汽车空调温度调节的主要手段。3 车室温度模糊控制的研究自动控制包括传统的控制技术和智能控制技术，智能控制是控制理论发展的高级阶段。由于人体舒适感的模糊性和汽车空调系统的复杂性，人们难于建立关于汽车空调自动控制的控制目标和控制对象精确的数学模型。这样，以精确数学模型为必要条件的传统控制理论应用于汽车空调系统存在许多不能解决的问题。而模糊控制作为一种最广泛应用智能的控制技术之一，具有不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适于具有大滞后和非线性时变系统等优点而被人们广泛关注9。3.1 模糊控制理论基础模糊控制系统基本原理在实际生产过程中，有经验的操作人员，

18、虽然不懂被控对象或被控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好地完成控制过程。这里人的经验可以用一系列的具有模糊性的语言来表达，这就是模糊条件语句。再用模糊推理对系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制决策，这就是模糊控制9。最基本的模糊控制系统结构如图3.1所示。从图中可以看出，它和传统的控制系统结构没有多大区别，只是用模糊控制器取代传统的数字控制器。在模糊控制系统中，模糊控制器的作用在于通过电子计算机，根据精确量转化而来的模糊输入信息，按照语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，将其转化为精确量，对被控对象进行控制作用10。给定输入R输出Y控制u偏差e+=被控对象模

19、糊控制器-图3.1 模糊控制系统结构图一般说来，模糊控制器有三个主要的功能模块。1) 模糊化。将变量的实际变化范围化分成若干等级，这些等级的全体成为变量的论域。在这个论域上定义相应的语言变量值。将实际变化范围内的输入值转换成论域范围内的有关等级值的过程称为模糊化过程。2) 模糊控制推理及控制规则。模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，手动控过程一般是通过对被控对象的一些观测，操作者再根据己有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加到被控对象的控制作用，从而使系统达到预期的目标。可以采用微机完成这个任务，从而代替人的手动控制，实现所谓的模糊自动控制。利用语言归纳手动控制策略的过程，

20、实际上就是建立模糊控制器的控制规则的过程。也就是说，这些手动控制规则的经验总结就成了模糊控制规则，并用模糊条件语句来表述。3) 精确化。模糊控制器的推理结果是模糊量，由于模糊量是一个模糊子集，而实际被控对象所需的控制信号是精确值，所以模糊控制器的推理输出是不能直接用作实际控制的，为了从推理结果中取得用于控制的精确量，需要对模糊推理结果进行一定的处理。对模糊量进行处理，求取一个能恰当的反映模糊量的精确值的过程称为精确化。有时也称为反模糊化，也称之为模糊决策或模糊判决。模糊量的精确化有很多方法，其中较常用的主要有以下几种：最大隶属度法、中位数法和面积重心法。模糊控制的特点模糊控制不用建立数学模型，

21、模糊控制获得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特点：l) 适用于不易获得精确数学模型的被控对象，其结构参数不很清楚或难以求得，只根据实际系统的输入输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验，就可对系统进行实时控制。2) 模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性的表达，构成了被控对象的模糊模型。3) 模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。该系统尤其适用于非线性，时变，滞后系统的控制。4) 抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。正因为模糊控制有这么多优于现代控制的特点，本课题中温度的控制在系统处于过渡过程时采用了模糊控制技术，汽车空调

22、温度控制系统的控制执行机构是混合风门，控制目标是使车内温度达到设定的温度11。3.2 模糊控制器的设计3.2.1 模糊控制器的结构设计 模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量5。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，即输入变量个数越多，控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法实现相当困难。所以本系统中选用两维模糊控制器11。由于温度偏差变化率即能反映外界环境对温度的影响，同时也反映车厢内人员的状态和变动情况，又考虑到系统的动态特性，装置的实施等因素，所以选定温度的偏差及温度偏差变化率为模糊控制器的输入变。输入变量为温度偏差e和偏差变化率e。，输出变量为控制量u

23、，即混合风门的开度，风门开度越大，经过加热器的风就越多，温度就上升得越快。 3.2.2 精确量的模糊化精确量模糊化就是把物理量的精确值转换成语言变量值。在以人的经验为基础的模糊控制中，一般将模糊控制器的输入输出变量的状态划分为“正大、正中、正小、零、负小、负中、负大”七个档次来描述，分别用英文字母PL，PM，PS，0，NS，NM，NL表示之。对于系统偏差，描述其状态时，还常把“零”分为“正零”和“负零”，分别用P0，N0表示之。在汽车空调智能温控系统中，温度偏差为温度设定值和温度测量值之差。我国南北温差大，同地冬夏温差也十分大，在一个典型的温带海洋性气候的沿海城市，一年气温将在-1030之间徘

24、徊。而按照医学研究结果，人感受的最佳环境温度为241。本文把温度设定值的范围定为15到28，定义温度偏差e的论域为20，20，温度偏差变化率ec的论域为4，4，风门电机的输出量u的论域为0%，100%(0%表示最大制冷，100%表示最大采暖)。对e，ec和u的模糊状态E，EC和U的整数论域分别定义如下:E和EC的论域为:-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4U的论域为:-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5因此，量化因子Ke=4/20=0.2，Kec=4/4=l，Ku=l/10=0.1。下面把物理量的精确值转换成语言变量值，一般对语言变量分5到10档，整数论域为档级数的1.5

25、到2倍。如果档级过少，语言变量值过于粗糙，对控制的质量有不良影响。如果档级过多，则语言变量过细，关系矩阵过大，占用内存太多。针对汽车空调温度控制模糊控制器，将E，EC和U的模糊语言定义如下:E和EC的模糊集均为:NB，NS，ZE，PS，PB；U的模糊集为:NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB。隶属度函数的建立有一定的原则，模糊控制过程对于语言变量值的隶属度函数形状并不敏感，只是对隶属度函数的范围有一定的敏感，所以在控制中选用三角形或梯形的隶属函数是较为合适的，因为有利于计算隶属度。3.2.3 模糊控制规则的确定本系统采用IF Ai and Bi then Ci为模糊控制规则，其中Ai

26、为温差E的模糊子集，Bi为温差变化率EC的模糊子集，Ci为风门开度增量U的模糊子集12。根据车厢温度变化的参数特点和现场实际操作经验及专家的知识理论，总结出表3.1所示的模糊控制规则表。表3.1 模糊控制规则表ECCENBNS0 PS PB NBNBNMNS00NSNMNM00PS 0NSNS 0 PSPMPSNSOPMPBPBPB0PSPMPBPB建立模糊控制规则的基本思想:当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主，而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。以误差为正大时，误差变化为正大为例，这时误差有增大的趋势，为尽快消除己有的正大误差并抑制误差变大，所以

27、控制量取正大，即使风门开度达到最大，增加通过加热器的风量。3.2.4 模糊量的精确化为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量U转换为精确量u，即对模糊量进行清晰化处理。模糊量的精确化也就是求取模糊控制表。求取模糊控制表必须把输入的所有情况都考虑到，求取模糊控制表必须把输入的所有情况都考虑到，下面以系统输入偏差E的论域值为1，偏差变化率EC的论域值为2为例来介绍怎样确定模糊输出量U。偏差E为1，偏差变化率EC为2时，对于偏差量有:ZE(1)=0.2,PS（1）=0.4，其余模糊集的隶属度都为0。对于输入的偏差变化率，有PS（2）=1，其余的模糊集的隶属度都为0。根据ZEE和PSEC在模糊状态

28、控制表里可查得U=PM，同理，由PSE和PSEC可查出U=PB，即对于当前输入值，有两条控制规则是有效的:IF E=ZE and EC=PS then U=PMIF E=PS and EC=PS Then U=PB由以上控制规则，再根据L.A.Zadeh的模糊推理算法，得出实现模糊推理过程如下:首先取第一条规则中两个前件的隶属度的最小值，对后件的模糊集求截集，对于该控制规则求得的控制量的模糊截集有:PM(1,2)=min(0.2，1)=0.2然后再取第二条规则两个前件的隶属度的最小值，对其后件的模糊集求截集，对于第二条规则所求得的控制量的模糊截集有:PM(l,2)=min(0.4，l)=0.4

29、最后，把对应于当前输入值的所有有效规则推理所得的控制量的模糊截集相“并”，得到当前输出控制量的模糊集,再按重心法原则，对输出模糊量进行模糊判决，求出控制量u为:u=(1)1+(2)2+(3)3+(3)3+(3)3/ (1)+ (2)+ (3)+ (4)+ (5)=(l0+20.2+30.2+40.4+50.4)/(0+0.2+0.2+0.4+0.4)=3.84由此可知，当输入e=1，ec=2时求得的控制量u的论域值为4，按以上方法，对论域x，y中的全部元素的所有组合计算出相应的以论域z元素表示的控制量变化值，并写成矩阵(u)。由该矩阵构成的相应的表格即模糊控制器的控制表。见表3.2。表3.2

30、模糊控制器的控制表CECE-4-3-2-10 12 3 4-4-5-4-3-2-10001-3-4-3-3-2-10011-2-3-3-3-201112-1-2-2-2-2011230-2-1-1-1122231-1-1-10132332100014334300012434440112344454 硬件电路设计4.1 汽车全自动空调控制器硬件4.1.1 工作原理汽车全自动空调控制器实际上就是根据人们对空调控制器的设定值，控制汽车空调系统各个环节，使车厢内空调环境达到设定目标的电子控制设备。为了实现对汽车空调各个执行机构实现自动控制控制，必须要对车内环境状况做出监控。一般是采用安装在车内不同位置

31、的各种传感器经过A/D转换成数字量，再传到微处理进行检测和决策。微处理根据检测的数据和温度设定值进行决策处理后，通过各个执行机构的驱动模块实现空调执行机构的改变，从而最终实现对车内环境的改变7。4.1.2 硬件组成汽车全自动空调控制器的核心部分，是由微处理器为核心的电子线路系统。包括主机和I/O接口设备。主机包括中央处理器，主机依靠I/O接口设备来输入信息(键盘、传感器信号)，输出指令控制命令、显示等8。智能温控系统的硬件结构框图如图4.1所示。由图可知，智能温控系统的硬件主要由单片机、温度信号采集电路、人机接口电路、串行存储及系统监控电路和串行通信接口电路等几部分组成。图4.1 全自动空调控制器硬件