基于Arduino 平臺的太陽能汽車空調(diào)控制器研究

王全輝，李鵬飛，劉忠艷，陳文霞，和曉念

（1.嶺南師范學(xué)院信息工程學(xué)院，湛江524000；2.陸軍炮兵防空兵學(xué)院鄭州校區(qū)，鄭州450052；3.深圳市理邦精密儀器股份有限公司，深圳518000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和汽車保有量的迅速增加，人們對汽車的舒適性要求是越來越高，其中一個很重要的要求就是汽車空調(diào)的性能。傳統(tǒng)汽車空調(diào)的采用汽車發(fā)動機(jī)為動力來源，存在以下幾點(diǎn)問題：汽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，必須使用大排量壓縮機(jī)來滿足低轉(zhuǎn)速時的制冷，導(dǎo)致能耗大，制冷效率低下；在汽車熄火時，空調(diào)系統(tǒng)無法工作，于司乘人員為極大的不便；同時，汽車靜止時發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生有毒氣體，在密閉空間使用易造成安全事故[1]。隨著太陽能光伏技術(shù)和直流永磁無刷電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，汽車空調(diào)采用清潔無污染的太陽能作為動力來源成為可能，太陽能產(chǎn)生的電力可以驅(qū)動電動機(jī)來帶動汽車空調(diào)壓縮機(jī)工作[2]。本文設(shè)計(jì)的汽車空調(diào)控制器采用的電動機(jī)能夠保持低速、持續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)，使得車廂溫度可以維持，其節(jié)能原理與家用變頻空調(diào)相同。與此同時，可以在發(fā)動機(jī)熄火狀態(tài)下使用且無燃油消耗的特點(diǎn)，極大地提高了汽車的舒適度和安全性[3]。

汽車作為一個運(yùn)動性物體，充電點(diǎn)匱乏是電動空調(diào)在使用中最大的問題。本文設(shè)計(jì)的太陽能汽車控制器可在汽車行駛或停放過程中利用其含有的太陽能光伏電池為儲能鋰電池充電；實(shí)現(xiàn)在所需時可利儲存的電能為車輛進(jìn)行制冷或制熱。此舉不僅可以節(jié)約能源，還能極大提高空調(diào)的使用效率。該空調(diào)器控制器整合控制原有空調(diào)功能部分和新增加電動機(jī)驅(qū)動部分，實(shí)現(xiàn)太陽能系統(tǒng)和原有系統(tǒng)的整合工作。

本文設(shè)計(jì)的空調(diào)器控制器采用Arduino 開源電子開發(fā)平臺設(shè)計(jì)。該平臺是一款易于使用的硬件和開源電子平臺，它在軟件和硬件上是開放的[4]。Arduino 能夠讀取輸入（傳感器、按鈕等）并將其轉(zhuǎn)換為輸出（串口輸出、啟動電動機(jī)、打開LED 等）。開發(fā)者可以通過編寫C 語言程序來告訴一個8 位AVR 單片機(jī)如何工作。Arduino 作為一個完全開源的平臺，開發(fā)資源也正是通過全球用戶的貢獻(xiàn)而不斷發(fā)展壯大。Arduino 主要的優(yōu)點(diǎn)在于使用戶能夠獨(dú)立構(gòu)建應(yīng)用，并最終使其適應(yīng)特定需求，因而能夠適應(yīng)本太陽能空調(diào)控制器快速開發(fā)的需求。這種開發(fā)平臺不僅極大降低了開發(fā)成本，還加快了新產(chǎn)品的開發(fā)。在硬件開發(fā)上，本控制器選用已成熟模塊進(jìn)行模塊化開發(fā)，以設(shè)計(jì)出更加成熟穩(wěn)定且易于調(diào)試的硬件電路。在軟件開發(fā)上，可以利用開源社區(qū)的開源模塊，像搭積木一樣迅速完成系統(tǒng)的開發(fā)[5]。

1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

太陽能空調(diào)系統(tǒng)主要包括以下部件：太陽能電池、鋰電池、直流無刷電動機(jī)、壓縮機(jī)、離合器、蒸發(fā)器、加熱器、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)道風(fēng)門控制裝置等。太陽能空調(diào)控制器必須使各部件協(xié)調(diào)工作以達(dá)到控制車內(nèi)溫度的目的。同時汽車空調(diào)原有的常用功能：制熱、通風(fēng)、過壓自動保護(hù)、除霧、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)三級調(diào)節(jié)、除霜等都具備。

1.1 空調(diào)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的太陽能汽車空調(diào)控制器，其控制核心是Arduino 開源電子開發(fā)平臺。該控制器通過采樣環(huán)境溫度以及操作者的設(shè)定溫度調(diào)節(jié)電動機(jī)的輸出使車內(nèi)溫度保持恒定?？刂破饔布驁D設(shè)計(jì)如圖1 所示。該控制器采用的具體型號是Arduino Mini 板，是Arduino系列的最簡潔微型版本，適用于對尺寸要求嚴(yán)苛的場合。Arduino Mini 的處理器核心是ATmega-328 單片機(jī)，同時具有14 路數(shù)字輸入/輸出口（其中6 路可作為PWM 輸出），8 路模擬輸入。Arduino Mini 必須外接擴(kuò)展板才能夠下載程序。該板的主要優(yōu)勢就是具有和常規(guī)Arduino 具有相同的功能，因體積比較小，只有0.7 英寸×1.3 英寸大，非常適合空間要求高的空調(diào)控制器[6]。

圖1 控制器硬件框圖

1.2 電池電壓采集模塊設(shè)計(jì)

本控制器要求實(shí)時采集電動機(jī)電源電壓，電源為DC+72V 磷酸鐵鋰電池，采集電路與控制系統(tǒng)電路不共地共地。為避免太陽能空調(diào)的磷酸鐵鋰電池和汽車上的鉛酸電池的線路相連接出現(xiàn)的問題，此模塊對以上兩電池進(jìn)行隔離。同時為降低采用線性隔離電路的成本，本文采用電動機(jī)電源提供給A/D 芯片電源，A/D 轉(zhuǎn)換完后用光電耦合隔離后接入控制系統(tǒng)，已達(dá)到不共地的情況下采集電池電壓的目的，具體設(shè)計(jì)如圖2 所示。電壓采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用的是TLC548C 芯片，其+5V 供電是采用經(jīng)過TL783C 和LM7805 兩級降壓得到的。TL783C 芯片可以把近百伏的電壓降到較低的電壓，然后由LM7805 進(jìn)一步降壓到+5V[7]。TLC548C 芯片對電池電壓進(jìn)行測量后經(jīng)過光電耦合TLP521 隔離后傳輸至Arduino 平臺中，其電路如圖2所示。

圖2 電動機(jī)電源電壓采集電路硬件設(shè)計(jì)圖

1.3 控制器供電模塊設(shè)計(jì)

本文中的空調(diào)控制器的電源采用汽車上的+12V電源，而控制電路需要穩(wěn)定的+5V 供電，故采用LM2575 組成帶反饋的5V 穩(wěn)壓電源。該電路轉(zhuǎn)換效率比較高，其電路硬件設(shè)計(jì)如圖3 所示。此電路硬件上采用現(xiàn)有模塊構(gòu)成。

圖3 電源電路硬件設(shè)計(jì)圖

1.4 接口模塊設(shè)計(jì)

本空調(diào)控制器的接口模塊包括：離合器的接口電路、空調(diào)壓力傳感器、風(fēng)機(jī)控制器的等電路模塊，如圖4所示。

圖4 接口模塊設(shè)計(jì)

1.5 控制器PCB設(shè)計(jì)

依據(jù)以上我們設(shè)計(jì)的太陽能汽車空調(diào)控制器的電路，設(shè)計(jì)的PCB 板如圖5 和圖6 所示。

圖5 主控電路板PCB圖

圖6 接口電路板PCB圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 控制器的工作過程

空調(diào)控制器的工作過程如下：

（1）空調(diào)控制器首先檢測電池電壓，當(dāng)電壓大于+78V 時啟動直流電動機(jī)帶動壓縮機(jī)工作，小于+78V 則由發(fā)動機(jī)帶動空調(diào)壓縮機(jī)工作。電動機(jī)和驅(qū)動器的啟動步驟是：電動機(jī)電源DC+72V 上電→間隔至少兩秒→電動機(jī)控制器DC+12V 上電。

（2）當(dāng)車廂內(nèi)的溫度小于等于設(shè)定溫度時，電動機(jī)以最低速度800 轉(zhuǎn)/分鐘工作。當(dāng)車廂內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度3℃時，電動機(jī)停止工作。當(dāng)車廂內(nèi)的溫度大于設(shè)定溫度3℃時，當(dāng)電動機(jī)帶動壓縮機(jī)工作時，電動機(jī)以最高速度1500 轉(zhuǎn)/分鐘工作。當(dāng)車廂內(nèi)的溫度相差設(shè)定溫度3℃之內(nèi)時，當(dāng)電動機(jī)帶動壓縮機(jī)工作時，電動機(jī)以在溫度傳感器的反饋下進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速在800～1500 轉(zhuǎn)/分鐘之間。電動機(jī)工作中當(dāng)電源電壓低于60V 時，先停止電動機(jī)工作，然后切斷電動機(jī)電源同時給出低壓告警；當(dāng)電壓小于78V 時直接啟動離合器讓發(fā)動機(jī)帶動壓縮機(jī)工作，同時給出低壓告警。發(fā)動機(jī)帶動壓縮機(jī)工作時，控制器面板上的溫度傳感和溫度設(shè)定控制其工作，原有設(shè)定和溫度傳感信號無效。

（3）發(fā)動機(jī)帶動壓縮機(jī)工作時的控制過程：當(dāng)車廂內(nèi)的溫度小于設(shè)定溫度3℃時，離合器動作壓縮機(jī)停止工作；當(dāng)車廂內(nèi)的溫度大于設(shè)定溫度3℃時，離合器動作發(fā)動機(jī)帶動壓縮機(jī)工作。壓縮機(jī)動力可以在離合器和直流電動機(jī)之間切換。電動機(jī)工作中當(dāng)電源電壓小于60V 電動機(jī)停止工作切換至離合器（發(fā)動機(jī)）工作，當(dāng)電源電壓回升至78V 以上時，自動切換回電動機(jī)工作?？刂破饕o電動機(jī)電源出剩余電量指示和低壓告警。電動機(jī)電源電壓不可高于DC+90V。

2.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

按照上一節(jié)的空調(diào)工作過程和功能需求，本文中的太陽能空調(diào)控制器的軟件流程圖設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)界面

本文設(shè)計(jì)的太陽能空調(diào)控制器，面板上有多個功能按鍵，分別是：“溫度設(shè)定”按鍵、“運(yùn)行A/C”按鍵、“工作模式”按鍵等。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，每按一次按鍵，蜂鳴器發(fā)出一聲提示音。按鍵功能詳細(xì)介紹如下：

（1）“運(yùn)行A/C”。當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉時，此按鍵按下，開啟空調(diào)控制系統(tǒng)；當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)開啟時，此按鍵按下，系統(tǒng)關(guān)閉。

（2）“溫度設(shè)定”?？刂破鞯臏囟日{(diào)節(jié)按鍵具體功能包括：溫度設(shè)定范圍為18-32℃，精度1℃；按動溫度按鍵，車內(nèi)設(shè)定溫度增加或減少。

（3）“工作模式”。該按鍵調(diào)整汽車空調(diào)的工作模式，可以設(shè)定空調(diào)工作模式為制冷、制熱、除濕、通風(fēng)等。

控制器的顯示功能包括：

（1）剩余電量的顯示，采用多級柱狀條顯示鋰電池剩余電量。實(shí)際操作中是測量電池端電壓，通過電壓估算剩余電量。

（2）電源低壓報警指示，當(dāng)電壓接近設(shè)定值時，產(chǎn)生低壓報警。

（3）空調(diào)動力為電動機(jī)還是發(fā)動機(jī)的狀態(tài)指示標(biāo)識，通過不同指示標(biāo)識表示，讓用戶知道當(dāng)前是使用電動機(jī)還是發(fā)動機(jī)帶動空調(diào)工作。

（4）A/C 指示，指示A/C 開關(guān)是否按下，系統(tǒng)工作指示。

本文中太陽能空調(diào)控制器研制出的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)內(nèi)部如圖8 所示。該控制器開機(jī)工作時狀態(tài)如圖9 所示。

圖8 樣機(jī)內(nèi)部電路展示

圖9 樣機(jī)開機(jī)界面展示

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型太陽能汽車空調(diào)控制器，以解決汽車空調(diào)控制器在實(shí)際應(yīng)用中，存在空調(diào)的能耗大、污染大、發(fā)動機(jī)停機(jī)時空調(diào)不能工作等問題。該太陽能空調(diào)器控制器采用Arduino 開源電子開發(fā)平臺開發(fā)，以提高開發(fā)效率，減小開發(fā)難度。該控制器整合控制原有空調(diào)器控制功能部分并新增加電動機(jī)驅(qū)動部分，以實(shí)現(xiàn)太陽能汽車空調(diào)的協(xié)調(diào)高效工作。本控制器解決了電池電源與汽車電源不共地的等設(shè)計(jì)難題。本文中的太陽能空調(diào)控制器功能較為簡單，下一步的工作計(jì)劃將該空調(diào)控制器和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合，加入上網(wǎng)模塊，接入互聯(lián)網(wǎng)。接入物聯(lián)網(wǎng)后，汽車便可在車輛使用前提前將車內(nèi)溫度調(diào)整到設(shè)定的溫度，將使得司乘人員免受酷暑和嚴(yán)冬的傷害。同時依靠遠(yuǎn)程系統(tǒng)能夠?qū)μ柲芸照{(diào)的各項(xiàng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控查詢。