基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)

徐進(jìn)，鐘芳梅

（1.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院裝備系，江蘇 鎮(zhèn)江 212007；2.中新圖銳常州科技有限公司，江蘇 常州 213125）

基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)

徐進(jìn)1，鐘芳梅2

（1.鎮(zhèn)江船艇學(xué)院裝備系，江蘇 鎮(zhèn)江 212007；2.中新圖銳常州科技有限公司，江蘇 常州 213125）

主要介紹基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)，對(duì)模式功能的轉(zhuǎn)換以及實(shí)現(xiàn)控制進(jìn)行闡述。試驗(yàn)表明，該汽車空調(diào)控制系統(tǒng)能達(dá)到較高的控制精度，實(shí)用性強(qiáng)。

汽車空調(diào)；控制系統(tǒng)；STC12C5A60S2單片機(jī)

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車為人們的出行提供了極大的便捷，逐漸成為人們生活不可或缺的一部分。汽車空調(diào)作為衡量汽車舒適性的重要指標(biāo)，其控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)對(duì)于汽車市場(chǎng)的拓展有著至關(guān)重要的作用。相比于家用空調(diào)，汽車空調(diào)受環(huán)境影響大，同外界的熱交換量大，因此制冷和采暖的能力要求比家用空調(diào)高，使其所需負(fù)荷大。要求環(huán)境溫度在-20～60℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度為45%～90%。對(duì)耐腐蝕性、耐振動(dòng)性也有一定要求。

1 系統(tǒng)控制原理

基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：制冷／采暖溫度調(diào)節(jié)、內(nèi)／外循環(huán)風(fēng)模式轉(zhuǎn)換、除霜、風(fēng)力調(diào)節(jié)、風(fēng)向模式變換、自動(dòng)調(diào)節(jié)。圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。車內(nèi)溫度傳感器用于溫度采樣，風(fēng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)量大小的調(diào)節(jié)，伺服電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換。電磁閥的控制包括熱水閥、冷／熱風(fēng)門、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門、除霜模式轉(zhuǎn)換門幾個(gè)部分。熱水閥的開(kāi)閉可實(shí)現(xiàn)采暖功能，當(dāng)需要采暖時(shí)，打開(kāi)熱水閥，使熱水流過(guò)熱交換器加熱空氣，同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)工作，將暖風(fēng)送入車廂內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

汽車空調(diào)控制系統(tǒng)硬件主要包括如下幾個(gè)部分：電源電路、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示屏及按鍵電路、電磁閥控制電路和溫度傳感器數(shù)據(jù)采集等。

2.1 STCI2CSA60S2單片機(jī)簡(jiǎn)介

STCI2CSA60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期的單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)要快8～12倍。該單片機(jī)工作電壓為5V，有44個(gè)通用I／O口，片上集成1280字節(jié)的RAM，共4個(gè)16位定時(shí)器，3個(gè)時(shí)鐘輸出口，7路外部中斷I／O口，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，主要針對(duì)電機(jī)控制、強(qiáng)干擾等場(chǎng)合。

2.2 執(zhí)行器控制

2.2.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

圖2為風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，這是一個(gè)1／4橋MOS管驅(qū)動(dòng)電路。在接通時(shí)，可以將MOS管的Ugs維持在10V以上，使得MOS管的阻值可以降到最低，而損耗比8.5V時(shí)降低10%左右，讓電路可以長(zhǎng)時(shí)間工作在0～100%占空比下而不發(fā)熱。C5的作用主要有兩點(diǎn)：第一，吸收干擾并且降低開(kāi)通速度，但關(guān)斷速度基本維持不變，這是減小門級(jí)高頻震蕩同時(shí)也作為同步續(xù)流驅(qū)動(dòng)的安全措施之一；第二，降低開(kāi)通速度，降低dv／dt，減少耦合到對(duì)管門級(jí)上的電壓，可避免極端情況下對(duì)管的誤開(kāi)啟（極端情況指大功率電機(jī)缺相、突然卡死等）。R4用于限流，防止開(kāi)通速度過(guò)快，造成Uds振鈴進(jìn)而Uds超壓擊穿。

利用STC12C5A60S2單片機(jī)的硬件PWM功能，在不占用單片機(jī)軟件資源的情況下，從P1.3輸出不同占空比的PWM波形，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制電機(jī)兩端的平均積分電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PWM波頻率為30kHz，超出人耳聽(tīng)覺(jué)范圍，可以起到有效減小噪聲的作用。

2.2.2 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向控制

伺服電機(jī)電路中采用L293芯片。L293采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。L293每個(gè)電機(jī)有3個(gè)控制信號(hào)：EN12、IN1、IN2，其中，EN12為使能信號(hào)，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)。IN1、IN2可以用來(lái)設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，在使能信號(hào)為1（高電平）的情況下，當(dāng)其輸入信號(hào)分別為1（高電平）、0（低電平）時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整，將PWM連接至EN12引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3為伺服電機(jī)工作電路圖。1，2EN為使能信號(hào)輸入端，對(duì)應(yīng)EN12；1A、2A為方向信號(hào)輸入端，對(duì)應(yīng)IN1、IN2，分別同單片機(jī)兩個(gè)I／O口相接；1Y、2Y為信號(hào)輸出端。

2.3 溫度數(shù)據(jù)采集

為了進(jìn)行溫度信號(hào)的測(cè)量及反饋調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)中采用型號(hào)為DS1820的溫度傳感器。傳感器有3個(gè)引腳，分別為GND、DQ、VDD。DQ為單線應(yīng)用的數(shù)據(jù)輸入／輸出引腳，信息經(jīng)過(guò)該單線接口送入和送出。讀寫和完成溫度變換所需電源可由數(shù)據(jù)線本身提供，不再需要外部電源。DS1820通過(guò)門開(kāi)通期間內(nèi)低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的適中周期個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)量溫度，其中，門開(kāi)通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定。

DQ引腳同單片機(jī)自帶的A／D轉(zhuǎn)換I／O口P1.1連接，為了保證傳感器在其有效變換期內(nèi)有足夠的電流驅(qū)動(dòng)，在該I／O口上使用MOS管使其上拉至電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

汽車空調(diào)控制軟件部分采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，Kei1C51軟件進(jìn)行編譯。

當(dāng)汽車起動(dòng)時(shí)，ECU上電，讀入上次斷電前存入EEPROM的空調(diào)狀態(tài)信息，初始化控制器到上次關(guān)機(jī)前狀態(tài)。顯示面板上的開(kāi)關(guān)按鍵可以啟動(dòng)空調(diào)，乘客根據(jù)需要設(shè)定溫度、風(fēng)力、模式等。

3.1 主程序流程圖

圖4為本文控制系統(tǒng)主程序流程。其中，執(zhí)行器控制模塊分別包括風(fēng)機(jī)、伺服電機(jī)、電磁閥、壓縮機(jī)幾個(gè)部分的控制。系統(tǒng)為5級(jí)風(fēng)量控制，上電后，屏幕初始化，空調(diào)開(kāi)關(guān)按鍵按下后，風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作，風(fēng)量初始設(shè)定為1級(jí)。根據(jù)按鍵設(shè)定信號(hào)，執(zhí)行器模塊工作，同時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣，直到采樣值滿足設(shè)定要求。

3.2 模式控制子程序

系統(tǒng)中出風(fēng)模式以及除霜模式通過(guò)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度及其轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。模式控制流程如圖5所示。

由于采樣的設(shè)定為每一個(gè)設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行一次采樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不能很精確地達(dá)到設(shè)定的位置，因此需要設(shè)定一個(gè)Δ值，使電機(jī)在±Δ范圍內(nèi)能停轉(zhuǎn)。同時(shí)，Δ能夠允許電機(jī)輸出的電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，從而起到抗干擾的作用。

4 應(yīng)用現(xiàn)狀

該系統(tǒng)已形成第一代樣品（圖6），并在浙江麗水地區(qū)某汽車空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)，在模擬小型家用轎車工況下進(jìn)行了試運(yùn)行，工作過(guò)程穩(wěn)定，溫度控制準(zhǔn)確，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

STC12C5A60S2單片機(jī)在汽車諸多部位得到實(shí)際應(yīng)用，如：車輛報(bào)站系統(tǒng)、倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、汽車車燈控制系統(tǒng)、電動(dòng)車充電系統(tǒng)等部位有相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用。

下一步將對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)空調(diào)控制面板外觀進(jìn)行美化，形成初期產(chǎn)品，并投入生產(chǎn)，預(yù)計(jì)將取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化作出了貢獻(xiàn)。隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，本研究對(duì)汽車空調(diào)智能化的推進(jìn)將產(chǎn)生積極影響。

5 小結(jié)

試驗(yàn)表明，基于STC12C5A60S2單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)，當(dāng)供電電壓在9～16V范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)的主要電氣性能正常，控制器顯示精度在1℃以內(nèi)，各風(fēng)門的位置度控制在±1.5°，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車內(nèi)溫度較為穩(wěn)定的控制，能達(dá)到精度控制要求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能為乘客提供一個(gè)舒適的乘車環(huán)境。

［1］陳江平，施駿業(yè)，趙宇.國(guó)內(nèi)外汽車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)向［J］.化工學(xué)報(bào)，2008，59（S2）：9-13.

［2］閏俊輝，余成波，李彥林.基于CAN總線的汽車空調(diào)自動(dòng)控制器的研制［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（10）：2278-2280.

［3］周翼翔.基于P87C522單片機(jī)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009，3（8）：151-153，156.

［4］洪華.基于單片機(jī)控制的汽車空調(diào)控制器系統(tǒng)［J］.家電科技，2005（1）：60-62.

［5］STC12CSA60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)［Z］.

（編輯楊景）

Automotive Air Conditioning Control System Based on STC12C5A60S2 Singlechip

XU Jin1，ZHONG Fang-mei2
（1.Zhenjiang Watercraft College，Zhenjiang 212007，China；
2.Zhongxing Turui Technology Co.，Ltd，Changzhou 213125，China）

The hardware and software design of automotive air conditioning control system based on the STC12C5A60S2 singlechip are introduced here. The transformation of mode function and its control are also described. The test shows that this control system can reach high control accuracy and practicality.

automobile air-conditioner；control system；STC12C5A60S2；singlechip

U463.851

A

1003－8639（2014）06－0014－03

2013-07-24；

；2013-08-23

徐進(jìn)（1984-），男，碩士，助教，研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>