??? 摘 要： 設(shè)計了一種新型汽車空調(diào)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(diào)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(zhuǎn)化成空調(diào)器的制冷能。與傳統(tǒng)汽車空調(diào)控制器相比，達到了節(jié)能改良目的。
??? 關(guān)鍵詞： 汽車空調(diào)；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(zhuǎn)換
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??? 安全、節(jié)能、環(huán)保和智能已經(jīng)成為汽車發(fā)展四個永恒的主題[1]?？照{(diào)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(diào)器的主要原動力，在行駛中空調(diào)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(diào)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(diào)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(jīng)驗的駕駛員往往先把空調(diào)器關(guān)掉以減輕發(fā)動機的負荷。
??? 傳統(tǒng)中低檔次汽車空調(diào)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(jīng)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(shè)定控制蒸發(fā)器的目標值溫度已經(jīng)達到時，而車室的溫度設(shè)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(shè)定目標值已經(jīng)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(diào)整設(shè)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(diào)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(diào)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(shè)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?？梢暂敵鰯?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(yīng)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(zhuǎn)換或附加其他電路。通過調(diào)節(jié)外接電阻RSET使輸出信號脈沖周期設(shè)定在0.5～10ms范圍內(nèi),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(shè)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(shè)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(shù)，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(nèi)，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(shè)定不同的溫度分辨率及最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換命令（44H）后，開始啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)含64位經(jīng)過激光修正的只讀存儲器ROM，扣除8位產(chǎn)品系列號和8位循環(huán)冗余校驗碼CRC后，產(chǎn)品序列號占48位。出廠前就作為DS18B20唯一的產(chǎn)品序號存入其ROM中。在構(gòu)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(nèi)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(zhuǎn)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)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(diào)電位器，用于溫度的調(diào)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(shè)定值顯示。MAX7219是8位串行共陰數(shù)碼管動態(tài)掃描驅(qū)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(qū)動。線路簡單，控制方便，外圍電路僅需要一個電阻設(shè)定峰值段電流，同時可以通過軟件設(shè)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計
??? 總體硬件框圖如圖5所示。主電路的設(shè)計主要是以STC12C5410AD為控制核心的處理器及其輔助電路的設(shè)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(qū)動接口電路的設(shè)計。在STC12C5410AD的內(nèi)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(zhuǎn)換電路，內(nèi)部復(fù)位監(jiān)視電路和看門狗電路。從實際設(shè)計要求出發(fā)，充分利用其內(nèi)部的硬件電路，可以簡化電路的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其外圍接口輔助電路的設(shè)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(jīng)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(zhuǎn)換端口，依據(jù)硬件設(shè)計安排，選P1.7作為A/D轉(zhuǎn)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(nèi)，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(zhuǎn)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(nèi)部Flash數(shù)據(jù)存儲器掉電記憶功能，把設(shè)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(nèi)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(diào)節(jié)控制端，用于設(shè)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(yīng)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(dǎo)致上電復(fù)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(fù)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(qū)動空調(diào)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(qū)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)生的電磁脈沖進入電源影響系統(tǒng)工作，＋12V電源經(jīng)高頻扼流電感L后，經(jīng)過C2、C3組成的低頻和高頻濾波，再經(jīng)三端穩(wěn)壓器件（LM7805）穩(wěn)壓輸出＋5V穩(wěn)壓電源，經(jīng)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(shè)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(nèi)核為8051的單片機的仿真，因此對基于STC12C5410AD開發(fā)的應(yīng)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(diào)試，程序的調(diào)試過程只能通過把應(yīng)用程序下載到單片機應(yīng)用板上演示方能實現(xiàn)。因此程序的調(diào)試工作是個反復(fù)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(shè)定控制溫度有斷電記憶功能。
??? (3)空調(diào)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(nèi)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(shè)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(guān)來選擇。假如此時駕駛室溫度未達到設(shè)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(jīng)大于或等于設(shè)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(shè)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(shè)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(guān)選擇。
??? (5)啟用單片機內(nèi)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(shè)定的溫度數(shù)據(jù)讀、寫Flash數(shù)據(jù)存儲器模塊。
??? (6)按鍵設(shè)置和控制輸出模塊
??? 以上程序比較復(fù)雜，限于篇幅，在此不再贅述。
??? 單片機控制空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)裝置目前已在深圳某公司生產(chǎn)。在實際應(yīng)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(diào)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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