??? 摘 要： 設計了一種新型汽車空調節(jié)能控制器。通過檢測汽車行駛" title="汽車行駛">汽車行駛時的不同車況，準確有效地控制汽車空調器壓縮機的接通或斷開，可以相對提升汽車的加速功率，把汽車減速時耗掉的機械能轉化成空調器的制冷能。與傳統(tǒng)汽車空調控制器相比，達到了節(jié)能改良目的。
??? 關鍵詞： 汽車空調；ADXL202傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器；DS18B20集成溫度傳感器；STC12C5410AD單片機；A/D" title="A/D">A/D轉換
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??? 安全、節(jié)能、環(huán)保和智能已經成為汽車發(fā)展四個永恒的主題[1]?？照{器已成為汽車不可缺少的裝置，然而汽車發(fā)動機作為空調器的主要原動力，在行駛中空調器工作的同時必然消耗汽車發(fā)動機的部分功率，因而增加了發(fā)動機的負荷，顯然對汽車的加速、油耗性能有影響。當空調器的消耗功率相對于汽車的發(fā)動機的有效輸出功率較大時，空調器使用中對汽車的加速性能就有比較顯著的影響[2]。當汽車處于長時間爬坡而且坡度較大時，有經驗的駕駛員往往先把空調器關掉以減輕發(fā)動機的負荷。
??? 傳統(tǒng)中低檔次汽車空調器的溫度控制方法是依靠簡單的檢測蒸發(fā)器的溫度以控制壓縮機的起、停來達到控制車室溫度的目的。由于汽車行駛過程中車室冷空氣流失或者經常性地停車無法避免車門頻繁打開造成冷能量損失，有可能存在設定控制蒸發(fā)器的目標值溫度已經達到時，而車室的溫度設定目標值仍未達到的現(xiàn)象。此時壓縮機終因蒸發(fā)器的控制溫度已達到而停止工作，因而出現(xiàn)制冷效果不理想的弊端。相反的情況，當蒸發(fā)器的控制目標值溫度值沒有達到，而車室的溫度設定目標值已經達到，又會出現(xiàn)制冷過度的現(xiàn)象。而每當出現(xiàn)這種情況時，只有通過人工調整設定溫度予以補償來達到控制溫度的目的[3]。
??? 為改善汽車空調器的溫度控制方法，增加一個加速度傳感器和車室溫度傳感器時刻監(jiān)控汽車的運行狀態(tài)、車室溫度及蒸發(fā)器溫度。三者統(tǒng)一協(xié)調實時地控制壓縮機起停。實踐證明此方法可行，可以節(jié)能、改善汽車加速性能。
1 硬件設計
1.1 ADXL202加速度傳感器
??? ADXL202是一種低成本、低功耗、功能完善的雙軸加速度傳感器[4]，既能測動態(tài)加速度，又能測靜態(tài)加速度，利用傳感器的動態(tài)和靜態(tài)特性可以準確測量出汽車行駛中的各種狀態(tài)：水平加速、爬坡、下坡等，依據(jù)汽車的行使狀態(tài)更能準確發(fā)出控制操作。可以輸出數(shù)字信號，其脈寬占空比" title="占空比">占空比與兩根傳感器感應軸各自所承受的加速度成正比。這些信號可以直接傳輸給單片機，而不需A/D轉換或附加其他電路。通過調節(jié)外接電阻RSET使輸出信號脈沖周期設定在0.5～10ms范圍內,在0g加速度時的輸出占空比為50％。如果需要與加速度成正比的模擬電壓信號，則可從XFILT和YFILT引腳輸出。
??? ADXL202采用QC-14封裝，引腳排列如圖1所示，它有兩個電源端(VDD)和兩個接地端(COM)，VTP為測試端，供廠家測試芯片用。ST為自檢端，可進行功能自檢，T端接電阻RSET，用于設定輸出脈沖的周期。XFILT、YFILT端分別接X通道、Y通道的濾波電容CX、CY。XOUT、YOUT依此為X通道、Y通道的占空比輸出端，NC為空置腳。
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??? 設輸出信號的周期為T，其高電平持續(xù)時間為T1，占空比為D，利用下式求出被測加速度值(g=9.8m/s2)：
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其中，R=125MΩ，T的單位為s。利用單片機定時計數(shù)器可分別測出T1、T的值，進而求出加速度的值。
1.2 基于DS18B20的溫度傳感器
??? DS18B20是美國DALLS公司最新推出的傳感器，用來檢測車室溫度，具有以下優(yōu)點：
??? (1)采用DALLS公司獨特的“單線”總線技術，通過串行通訊接口（I/O）直接輸出被測溫度，適合各種單片機或系統(tǒng)機型。
??? (2)測溫范圍是-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，可確保測量誤差不超過±0.5℃。
??? (3)溫度分辨率可編程。DS18B20的數(shù)字溫度輸出有9、10、11、和12位二進制表示，未編程時默認精度為12位，通過對便箋式RAM中CONFIG寄存器的可編程溫度分辨率位R0、R1進行編程，可設定不同的溫度分辨率及最大轉換時間，如表1所示。
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??? 在芯片出廠時R1和R0均被配置為“1”，即工作在12位模式下。當DS18B20接收到溫度轉換命令（44H）后，開始啟動轉換，轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存在便箋RAM的第0、1字節(jié)。在執(zhí)行讀便箋RAM命令后，可將這兩個字節(jié)的溫度值通過單線總線傳送給CPU，高字節(jié)中的符號代表溫度值為正還是為負。
??? 以12位轉化為例，其中，高5位為擴展符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測得的溫度乘以0.0625即可得到實際溫度；如果小于0，這5位為1，測到的溫度值需要取反加一后再乘以0.0625即可得到實際溫度。
??? (3)內含64位經過激光修正的只讀存儲器ROM，扣除8位產品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼CRC后，產品序列號占48位。出廠前就作為DS18B20唯一的產品序號存入其ROM中。在構成大型溫度控制系統(tǒng)時，允許在單線總線上掛接多個DS18B20。
??? (4)內含寄生電源。該器件既可由單線總線供電，也可選用外部+3.3V～+5V電源(允許電壓范圍是+3.0V～+5.5V)，進行溫度/數(shù)字轉換時的工作電流約為1mA，待機電流僅為0.75μA，典型功耗為+3.3mW～+5mW。
??? (5)具有電源反接保護電路。當電源電壓的極性接反時，能保護DS18B20不會因發(fā)熱而燒壞，但此時芯片無法工作。
??? DS18B20引腳排列如圖2所示。1腳為接地端，2腳為數(shù)據(jù)輸入/輸出端(即單線總線),它屬于漏極開路輸出,外接上拉電阻后常態(tài)下呈高電平。3腳接電源（VDD），不用時需接地。
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1.3 基于采用負溫度系數(shù)（NTC）的溫度傳感器
??? 蒸發(fā)器溫度的測量傳感器采用原車的具有負溫度系數(shù)（NTC）的傳感器，其溫度范圍較寬，溫度和電阻值的變化曲線接近線性，有利于溫度的測量。
??? 溫度測量電路采用簡單的電阻串聯(lián)分壓式，如圖3所示。
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??? 系統(tǒng)裝置中Rt的標稱阻值為1.5kΩ，實測0℃時的電阻值為4.65kΩ，本系統(tǒng)蒸發(fā)器溫度控制在3℃～5℃之間，電阻Rt值在4.36kΩ～3.62kΩ之間變化。圖中R1和R2不能太大，否則經A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)量變化不大會影響測量的分辨率；R1和R2也不能太小，否則會使流過Rt的電流增大，造成Rt本身功耗增大而影響測量精度。系統(tǒng)裝置中R1取10kΩ小型金屬膜電阻，R2選取1kΩ的精密可調電位器，用于溫度的調零整定。
1.4 基于模塊MAX 7219的顯示電路
??? MAX7219模塊用來實時顯示加速度、溫度（10ms刷新一次）和溫度設定值顯示。MAX7219是8位串行共陰數(shù)碼管動態(tài)掃描驅動電路，其峰值電流可達40mA，最高串行掃描速率為10MHz，典型掃描速率為1.3MHz，僅使用單片機3個I/O口，即可完成對8位LED數(shù)碼的顯示控制和驅動。線路簡單，控制方便，外圍電路僅需要一個電阻設定峰值段電流，同時可以通過軟件設定其顯示亮度；還可以通過級聯(lián)，完成對多于8位的數(shù)碼管的控制顯示。值得一提的是，當工作于關閉（SHUTDOWN）方式時，不僅單片機仍可以對其傳輸數(shù)據(jù)和修改控制方式，而且芯片耗電僅為150μA。
??? 圖4是MAX7219的應用電路。LOAD端是片選端，低電平有效，上升沿鎖存接收的最后16位串行數(shù)據(jù)。CLK端是串行時鐘輸入端。DIN端是串行數(shù)據(jù)輸入端(高位先入)，在時鐘脈沖上升沿后數(shù)據(jù)有效，下降沿后無效，因此一個時鐘脈沖對應一位二進制數(shù)據(jù)。Dout端是串行數(shù)據(jù)輸出端，用于級聯(lián)輸出。ISET端是峰值段電流設定端，外接上拉電阻。Sega～Segdp端是段輸出，接各數(shù)碼管的a～dp段。dig0～dig7是位輸出線。
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1.5 基于STC12C5410AD的主電路設計
??? 總體硬件框圖如圖5所示。主電路的設計主要是以STC12C5410AD為控制核心的處理器及其輔助電路的設計，其中包括ADXL202加速度傳感器、DS18B20線性數(shù)字溫度傳感器、NTC熱敏電阻傳感器、基于MAX7219串行數(shù)碼管驅動接口電路的設計。在STC12C5410AD的內部中具有10KB的Flash程序存儲器，512B的數(shù)據(jù)存儲器和2KB的E2PROM用戶數(shù)據(jù)存儲器，8路10位精度可編程A/D轉換電路，內部復位監(jiān)視電路和看門狗電路。從實際設計要求出發(fā)，充分利用其內部的硬件電路，可以簡化電路的復雜程度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其外圍接口輔助電路的設計，有以下幾點需要注意。
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??? (1)利用單片機的定時器、中斷功能，單片機INT0、INT1工作于外部下降沿觸發(fā)中斷狀態(tài)，T0、T1分別定時，從而測出加速度傳感器輸出的脈寬值，再經過單片機計算得到加速度的瞬時采樣值。硬件連接如圖6所示。
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??? (2)蒸發(fā)器溫度的測量使用原車NTC負溫特性的熱敏電阻，使用單片機8路擴展功能中的1路A/D轉換端口，依據(jù)硬件設計安排，選P1.7作為A/D轉換端口。因為蒸發(fā)器溫度的控制僅在3℃～5℃比較小的范圍內，溫度和電壓的變化接近線性。本系統(tǒng)采用10位精度A/D轉換編程，因此，在沒有采取溫度補償措施下仍能準確測出蒸發(fā)器的實際溫度，滿足系統(tǒng)控制要求。
??? (3)利用單片機內部Flash數(shù)據(jù)存儲器掉電記憶功能，把設定的控制溫度保存，避免單片機掉電時數(shù)據(jù)丟失。
??? (4)啟用單片機內部看門狗功能，提高系統(tǒng)的軟件抗干擾能力。
??? (5)MAX7219的引腳18(Isei)為硬件亮度調節(jié)控制端，用于設定段電流峰值，通過在＋VCC和該引腳間接一電阻實現(xiàn)。一般參考資料均描述為10kΩ左右，但在實際應用中發(fā)現(xiàn)，此電阻選30kΩ左右比較妥當，既可以保證顯示亮度，同時又可以保證顯示的可靠性，否則會出現(xiàn)無法正常顯示的問題。據(jù)估計，其原因是在10kΩ條件下，段電流過大，導致上電復位期間系統(tǒng)電流過大，從而引起系統(tǒng)電壓跌落，使系統(tǒng)復位而引起工作失常。
??? (6)STC12C5410AD的工作電壓為3.4V～5.5V。本系統(tǒng)單片機、傳感器、輔助電路工作電壓均為＋5V。驅動空調壓縮機電磁離合器的執(zhí)行器件選取10A/12VDC的直流繼電器，實際壓縮機電磁離合器的工作電流僅3A～5A左右，因此繼電器完全滿足系統(tǒng)控制輸出負荷，主電源取自原車的12V蓄電池電源，一路直接驅動執(zhí)行繼電器控制壓縮機電磁離合器的接通與斷開，另一路經穩(wěn)壓濾波后供給單片機、外圍輔助和接口電路。因為在汽車上的干擾源比較嚴重，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，電源須經過嚴格穩(wěn)壓和濾波處理。電源前端串接一高頻扼流電感L，目的是阻礙汽車發(fā)動機工作時火花塞產生的電磁脈沖進入電源影響系統(tǒng)工作，＋12V電源經高頻扼流電感L后，經過C2、C3組成的低頻和高頻濾波，再經三端穩(wěn)壓器件（LM7805）穩(wěn)壓輸出＋5V穩(wěn)壓電源，經C4、C5低通和高通濾波后供給系統(tǒng)工作電源，如圖7所示。
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2 軟件設計
2.1 主程序與STC12C5410AD的初始化
??? 由于目前流行的絕大多數(shù)仿真器均不支持STC類增強型內核為8051的單片機的仿真，因此對基于STC12C5410AD開發(fā)的應用程序進行匯編(或編譯)時，必須首先對STC12C5410AD的特殊功能寄存器(SFR)進行定義，否則無法生成所需的機器代碼。從這個意義上說，這也是STC12C5410AD的初始化工作之一。由于無法仿真調試，程序的調試過程只能通過把應用程序下載到單片機應用板上演示方能實現(xiàn)。因此程序的調試工作是個反復而耗費時間的過程，需要編程者有足夠的耐心。軟件流程圖如圖8所示，并作以下幾點說明：
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??? (1)具備4位數(shù)碼管溫度、加速度動態(tài)刷新顯示，包括符號位和小數(shù)點位。
??? (2)設定控制溫度有斷電記憶功能。
??? (3)空調器壓縮機運行或停止受控于車室溫度和汽車的運行狀態(tài)。
??? 該控制過程是：把一段時間內采樣的加速度代數(shù)值相加，加速度的代數(shù)和就反映汽車行駛的狀態(tài)。如果加速度的代數(shù)和等于零則代表汽車處在停止或勻速運行狀態(tài)，大于零則代表汽車處于爬坡或加速的前進狀態(tài)，小于零則代表汽車處于減速或下坡的運行狀態(tài)。人為設定一個大于零的加速度控制目標值，控制目標值可通過外部多路開關來選擇。假如此時駕駛室溫度未達到設定溫度目標控制值，壓縮機還在工作中，如果汽車正處于加速狀態(tài)并且此時單片機檢測到的加速度代數(shù)和已經大于或等于設定的目標控制值，則延時斷開壓縮機。延時時間由加速度代數(shù)和與設定的加速度控制目標值比較的大小數(shù)值量級決定，數(shù)值量大，延時時間短，反之則長。
??? (4)人工選擇設定車室控制溫度，由外部鍵控選擇，加速度啟控值由外部多路開關選擇。
??? (5)啟用單片機內部看門狗功能。
2.2 系統(tǒng)軟件的規(guī)劃
??? 系統(tǒng)程序主要包括以下功能模塊：
??? (1)DS18B20溫度傳感器接口模塊，分為初始化子程序" title="子程序">子程序、寫入子程序及讀取子程序等部分。
??? (2)基于MAX7219的顯示模塊，分為MAX7219的初始化子程序、寫入子程序及顯示子程序部分。
??? (3)加速度傳感器測量模塊，分為ADXL202的加速度數(shù)據(jù)處理子程序、加速度平均值子程序。
??? (4)蒸發(fā)器溫度測量模塊。
??? (5)設定的溫度數(shù)據(jù)讀、寫Flash數(shù)據(jù)存儲器模塊。
??? (6)按鍵設置和控制輸出模塊
??? 以上程序比較復雜，限于篇幅，在此不再贅述。
??? 單片機控制空調節(jié)能系統(tǒng)裝置目前已在深圳某公司生產。在實際應用中，系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定，且具備節(jié)能及相對提升汽車加速性能的效果，同時還增加了汽車加速度和溫度實時顯示功能。雖然此裝置節(jié)油效果不是很明顯(實測根據(jù)改良車型不同節(jié)油效率在2～10％之間)，然而該裝置通過適時巧妙地控制空調壓縮機的接通或斷開，能夠相對提升汽車加速性能。
參考文獻
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