汽车空调控制系统研究毕业设计.docx

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汽车空调控制系统研究毕业设计

毕业设计（论文）诚信承诺书

本人承诺呈交的毕业设计《汽车空调控制系统研究》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

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汽车空调控制系统研究

摘要

随着国内汽车行业的高速发展，汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。

传统的手动机械式汽车空调难以满足乘客对汽车舒适性的需求，以及汽车企业对提升整车产品技术含量的要求，在一定程度上限制了汽车工业的发展。

本文通过运用CAN总线技术，实现了基于CAN总线的汽车空调控制系统，大大提高了汽车空调的可操作性。

本文首先对汽车空调控制系统的网络化进行研究，结合CAN总线技术要求，采用CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250设计了汽车空调系统中的CAN节点。

在此基础上构建了基于CAN总线的汽车空调控制系统，并参照汽车领域中应用最广泛的SAEJ1939协议制定了空调系统的CAN通讯协议。

文中详细介绍了CAN节点的软硬件设计，设计了温度传感器、液晶显示屏、步进电机和直流电机等设备的驱动电路，以及为系统各节点进行了相应的软件设计和实现。

本文将汽车空调控制系统CAN网络化，使得分散在不同位置的空调系统各节点可以共享信息，更好的配合。

基于CAN总线的汽车空调控制系统的开发不仅提高了汽车空调的舒适性，而且还使得汽车空调能与其它车载CAN网络进行互连，从而加速了车身一体化的进程。

关键字：

汽车空调、CAN总线、AT89C52

Automobileair-conditioningcontrolsystemresearch

Abstract

Alongwithrapiddevelopmentofthedomesticautomobileindustry,moreandmoreattentionhadbeenpaidtotheautomobileair-conditioningbyautomobilemanufacturer.Nowthedomesticallyproducedautomobileair-conditioningcontrollergenerallyusedthemanualmachinerycontrolmode，fallenbehindgreatlytheinternationalstandard，hadlimitedtheautomobileindustrydevelopment.

ThispapercenteredonthescientificandtechnologicalprojectofChangchuncitywhichwasnamed“BCMbasedonmulti-busconnection”.ByusingCANbustechnology,wehadrealizedautomobileairconditionercontrolsystemwhichhadbeenconnectedtoawholenetwork.WehaddevelopedtheprotocolaccordingtoSAEJ1939.

Theautomobileairconditionercontrolsystemwasimplementedinthispaper.ByusingCANbus,automobileairconditionercontrolsystemwoulddeveloptonetworkingandintelligence.Thenetworkingmodelofairconditionercontrolsystemwasimplemented.Wehadrealizedthesystemwitheightnodes.Westudyonautomaticcontrol,andthiswouldbecomeafoundationofBCMbasedonmulti-busconnectionintheoryandpractice.

Keywords:

automobilecontrollerCANbusAT89C52

1绪论

1.1本文背景与研究意义

人类掌握制冷技术总共120多年时间，但第一台汽车空调装置到1927年才出现。

当时的汽车空调的内容仅是具备加热器及空气经过过滤的通风系统。

直到1940年才由英国帕卡德（P.ackard）汽车公司第一次提供了通过制冷方式使车室内空气凉爽的方法。

第二次世界大战后，汽车空调开始了实质性的进展。

直到如今，汽车空调作为提高汽车乘坐舒适性的一种重要手段己被广大汽车制造工作者及用户认可，人们越来越认识到汽车装有空调的好处。

完善的汽车空调系统可以对车内空气的温度、湿度、清洁度、风速、通风等进行自动调节，并使车内空气以一定速度和方向流动，给乘员提供一个良好的小气候，保证在各种外界气候和条件下使乘员都能处于一个舒适的空气环境之中，提高了乘坐舒适性，在空调环境中司机能保持头脑清醒、提高工作效率、能减少疲劳和车祸的发生，使驾驶员保持清晰的视野，为安全驾驶提供基本保证。

1988年，美国生产的汽车（包括轿车、卡车和其他车辆）就有90.3%装备了空调系统，到1993年，上升到94%。

我国在这方面起步较晚，从60年代初，才开始在红旗轿车上安装空调。

但近年来发展速度很快，国内轿车上80%装有空调系统．在工程车、旅游车及城市公交车上也开始大量安装空调系统。

对汽车空调系统进行优化控制，可以改善和提高其性能。

由于微型计算机具有结构紧凑、工作可靠、功能强大、响应快速和价格低廉等优点，特别适宜于作为汽车计算机控制系统的控制器。

计算机技术的发展也为汽车实现计算机控制提供了技术支持和保证，汽车计算机控制己经成为汽车的一个主要发展方面。

汽车实现计算机控制可以改善和提高汽车的控制质量。

1.2国内外研究现状及发展趋势

汽车空调技术是随着汽车的普及而发展起来的。

从市场需求方面看汽车空调装置应进一步减轻重量，降低成本，提高燃油经济性；从制造方面看，随着车厢地板的降低以及车辆向小型化、高级化发展，需进一步提高汽车空调各组成装置的紧凑性和效率；从乘员和驾驶员方面看，车内温度场要合理分布、设备操作要简便，空调装置应向季节型发展。

汽车空调的主要发展趋势有如下几个方面：

（1）日趋自动化。

（2）提高舒适性。

（3）高效节能、小型轻量化。

（4）清洁环保化。

（5）采用新技术。

1.2.1国外研究现状

汽车空调的发展历史并不算长，比汽车的出现整整晚了半个世纪，但其发展速度是惊人的。

现在美国、日本生产的所有小轿车中，90%以上都装备了空调系统。

1925年美国最早出现了利用汽车发动机的冷却水进行取暖的单一取暖的汽车空调。

1939年美国又出现了单一制冷的汽车空调，这种方法目前仍然在热带、亚热带的地区使用。

直到1954年才出现了冷暖一体式的汽车空调，其最大特点是同时具有冷调和热调的功能。

至此汽车空调才基本上具有调节控制车内温度和湿度的功能。

自从冷暖一体式汽车空调出现后，人们就一直研究具有自动控制功能的空调控制器，并于1964年首次研制成功安装在凯迪莱克轿车上。

1977年汽车空调经历了历史性的进程：

使用微型计算机控制汽车空调。

微机控制的汽车空调功能更加丰富：

冷、暖、通风、净化、显示一体化，并且通过微机按照车内外环境变化的需求，实现精确化调节。

通过微机的控制，实现了空调运行与汽车运行的相关统一，极大地提高了制冷效果，节约了燃料，从而在提高汽车整体性能的同时，还使乘员获得了最佳的舒适性。

1.2.2国内研究现状

20世纪60年代，我国曾经有利用汽车发动机排出的高温废气来取暖的供热系统。

20世纪80年代初，我国从日本购进降温用汽车制冷系统，装在我国生产的红旗等轿车上，并发展成为单一的降温汽车空调。

80年代中后期，我国一汽集团从日本和德国引进了先进的空调生产线和生产技术，使我国汽车空调技术接近了国际先进水平，为我国汽车空调技术的发展打下了良好的基础。

我国的汽车空调研究及生产起步比较晚，汽车空调技术一直发展缓慢。

近几年来，国内汽车空调技术的研究和开发与国外的差距正在逐渐减小。

从国内汽车空调技术水平来看，尽管我国汽车空调产品的设计开发水平有了大幅度提高，但其技术含量仍低于国际先进水平，我国汽车空调面临产品升级换代的问题，尤其是在自动空调的研究开发上进行的工作还比较少。

因此开发和生产具有自主知识产权的汽车空调系统具有深远的现实意义和时代意义。

1.3课题研究意义和目的

轿车空调作为一种舒适性车载设备，不仅是人民生活水平提高的标志，也是提高轿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不断提高，人们对轿车空调的温度控制性能提出了更高的要求。

国外一些大轿车公司的高档轿车上纷纷装有全自动的空调系统，而国内大部分高档轿车的空调控制器是进口的。

总体看来，我国目前轿车空调系统的电子化程度较低，大多数仍采用手动机械式控制。

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，降低行车的安全性手动操作控制已成为轿车空调进一步发展的瓶颈问题。

国外率先将先进的轿车空调控制技术申请了专利，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，严重阻碍了我国轿车工业的发展。

随着全球贸易市场的形成，国外先进的轿车空调控制技术对国内轿车工业造成了很大的冲击和压力，国产轿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、气候的轿车空调控制系统，形成自主知识产权，制定轿车空调控制系统的产品标准，才能提高我国轿车工业的整体水平，因而加紧轿车空调控制系统的研究势在必行。

本课题是在对一汽集团捷达轿车的空气混合型的轿车空调系统进行研究的基础上，结合目前实用性较强的总线网络，以及嵌入式系统在车身系统的应用，提出了基于CAN总线的轿车空调控制系统。

本课题对轿车空调控制系统的控制方法进行了深入研究，并探索了轿车空调控制系统中的核心部分——空调系统自动控制模式下的智能温控系统。

1.4本文主要研究内容

本文只要设计一款满足温度环境、振动冲击环境、电气环境要求。

汽车空调控制器。

与一般建筑空调相比，汽车空调有其特殊性。

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。

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。

因此与一般控制系统相比，汽车空调控制系统也有其特殊要求。

通过对汽车空调工作原理和空调总成的结构分析，设计以AT89C52为核心的单片机控制系统，并对控制器硬件电路部分做设计：

（1）设计的系统能够实验基本的空调控制功能。

（2）硬件系统采用单片机是系统的主控单元。

（3）软件方面利用C语言进行编程。

2汽车空调控制系统总体设计

2.1汽车空调控制系统网络化

随着网络技术和汽车制造技术的不断发展，网络和汽车一体化的步伐将进一步加快，这种“网络化”汽车将集各种先进的电子元器件，如电话、电脑、电视、音响、卫星接收和全球定位系统集于一身，在车辆上形成一个功能非凡的“汽车网络”。

传统的汽车空调控制系统的控制方法都是直接控制：

简单的控制功能通过控制开关直接实现；复杂的控制功能由控制器完成。

实现汽车空调控制系统的网络化，就是改变这种传统的控制方法——控制对象和被控制信号之间不再是单纯的直接控制关系，而是根据实际的需要由网络上的各个模块分别执行信号采集或控制功能。

2.2汽车空调控制系统网络

1.内外循环风门2.鼓风机3.蒸发器4.调温门5.加热器6.除霜/吹脚风门

7.左风口8.中风口9.右风口10.车外新鲜空气11.车内循环空气

图2-1空调系统结构图

图2-1是汽车空调的混合式配气系统的风道结构图，由三部分组成：

第一部分为空气进入段，主要由内外循环风门和鼓风机组成，用来控制车外新鲜空气和车内循环空气的比例；第二部分为空气混合段，主要由蒸发器、加热器和调温门组成，用来提供所需温度的空气；第三部分为空气分配段，使空气吹向指定的方位。

工作过裎如下：

车外新鲜空气+车内循环空气一进入鼓风机一空气进入蒸发器冷却一由风门调节部分空气进入加热器加热一进入各风口。

根据空调系统结构图抽象出汽车空调控制系统的网络模型，该网络模型是基于CAN总线的分布式控制模型。

即将图2-1中的各功能模块建模为相应的CAN网络节点；并加上负责控制整个系统的主控节点；显系统信息的显示节点；及采集车内温度的温度采集节点。

图2—2为抽出来的分布式总线网络模型，其中，虚线框出的节点是为了更加精确的控制其它执行机构而预留的传感器节点。

图2-2空调控制系统网络模型

2.3汽车总线网络通讯标准简介

汽车作为一种交通工具，目前承担起了越来越多的功能。

现代科技已经将网际网络、无线连接、个人通讯电子装置、娱乐设备等整合到汽车内部，与动力系统相结合，为乘客提供了前所未有的便利。

而这一切都有赖于汽车网络技术，它是汽车电子发展的重要方向之一。

随着汽车电子控制单元以及汽车电子装置的不断增多，采用串行总线实现多路传输，组成汽车电子网络，是一种既可靠又经济的做法。

同时现代汽车基于安全性和可靠性的要求，正越来越多地考虑使用电控系统代替原有的机械和液压系统。

国际上众多知名汽车公司早在20世纪80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用，迄今为止，已有多种网络标准。

目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同。

为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、C三类：

2.3.1A类汽车网络通讯标准

A类的网络通信大部分采UART标准。

UART使用起来既简单又经济，但随着技术的发展，预计在今后几年中将会逐步在汽车通信系统中被停止使用。

A类目前首选的标准是LIN。

LIN的标准简化了现有的基于多路解决方案的低端SCI，同时将降低汽车电子装置的开发、生产和服务费用。

LIN采用低成本的单线连接，传输速度最高可达20kb/s，对于低端的大多数应用对象来说，这个速度是可以接受的。

它的媒体访问采用单主/多从的机制，不需要进行仲裁，在从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步，这极大地减少了硬件平台的成本。

2.3.2B类汽车网络通讯标准

B类中的国际标准是CAN总线。

CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。

CAN总线技术特点:

（1）低成本；

（2）极高的总线利用率；

（3）很远的数据传输距离（长达10km）；

（4）高速的数据传输速率（高达1mb/s）；

（5）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

（6）可靠的错误处理和检错机制；

（7）发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

（8）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

（9）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

2.3.3C类汽车网络通讯标准

C类网络上数据传输速率通常为125Kb/s或者更高的速率，它是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络标准。

主要应用于与汽车安全相关的车上实时控制系统之间数据的传送，如发动机控制、牵引控制、悬架系统控制和ABS等系统之间的通讯，以简化分布式控制系统的设计，提高汽车的性能。

C类网络通讯的协议主要有：

高速控制器局域网CAN和时间触发的控制器局域网TTCAN。

3汽车空调控制系统的硬件设计

3.1汽车空调控制系统组成

汽车空调控制系统是在传统的汽车空调系统中引入微控制器和CAN网络，使得对汽车空调各部件的控制更简单、准确，同时也可以使一些由不同模块使用的传感器等信号在CAN网络上实现共享，节省了器件成本，简化了网络控制的复杂性。

汽车空调控制系统主要由以下几个功能模块构成：

主控模块、温度采集模块、显示模块、温度调节模块、送风模块、内外循环模块以及驾驶室出风口模块等。

而各模块主要由微控制器、CAN接口电路和电源模块组成。

3.2微控制器AT89C52的选择

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

本系统中的微控制器应该满足以下原则：

（1）与MCS-51产品指令和引脚完全兼容

（2）8k字节可重擦写Flash闪速存储器

（3）1000次擦写周期

（4）全静态操作：

OHz-24MHz

（5）三级加密程序存储器

（6）256×8字节内部RAM

（7）32个可编程I/O口线

（8）3个16位定时／计数器

（9）8个中断源

（10）可编程串行UART通道

（11）低功耗空闲和掉电模式

根据以上原则，选择ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS8位单片机，该片采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，其主要特点如下：

兼容标准8052指令系统及引脚的8位CPU。

8052架构的ALU具备一般处理器具备的计算能力，包含了111条指令，5种寻址方式。

8052架构的CPU因其简单实用的特点已广泛应用于工业控制领域。

简单实用的中断系统。

AT89C52最多提供6个中断源，5个在数据手册上可用的中断。

每个中断源都可以被程序设定为高优先级和低优先级。

中断可从空闲模式唤醒系统。

3.3CAN接口电路设计

3.3.1CAN控制器及驱动器的选择

CAN是总线形结构的一种适合工业现场控制的计算机局域网络。

在网络层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可或缺的部分，也是网络协议中最复杂的部分。

CAN控制器就是一块实现这些功能的可编程芯片，因此在选择CAN控制器时充分考虑上述因素的同时，还应该根据系统的要求确定选择标准：

（1）支持标准的通信协议，便于与其它系统或产品兼容。

（2）应该满足系统对通信速率的要求。

（3）使用灵活，可以与多种类型的单片机及总线互连。

（4）开发技术容易掌握，芯片性价比高，容易获得。

根据以上的选型原则，选择了Philips公司生产的独立CAN控制器SJAIOOO，独立CAN控制器SJAIOOO具有如下一些特点：

（1）支持CAN2.OA协议标准的同时，全面支持具有很多新特性的。

（2）独立CAN控制器，可以和不同的微处理器接口。

（3）高性能低成本，国内市场上容易购买，开发成本低廉。

SJAIOOO以与不同类型的微控制器接口，再加上总线收发器就组成了一个CAN应用系统的核心。

本系统中总线发送／接收驱动器（又称总线收发器或总线驱动器）采用的是Philips公司生产的PCA82C250。

它是CAN控制器与物理总线之间的接口，可以提供对总线的差动发送和接收功能。

它是一种高速率的总线驱动器，速率最高可以达到1Mbps，能够与SJAIOOO的传输速率相匹配。

3.3.2CAN接口电路设计

本系统的CAN节点是由三部分构成的：

微处理器AT89C52、独立CAN控制器SJAIOOO和总线收发器82C250，具体电路图如3-1所示。

图3-1CAN接口电路

3.3.3电源模块设计

电源的稳定性是整个系统能够正常工作的基础，在本系统中，多数器件都采用+5V直流电压，而车载蓄电池只能提供+12V电压。

为了满足系统的需要，提高电压稳定性，采用德州仪器公司生产的固定正电源输出、低压差三端稳压器LM7805实现电平转换。

LM7805是最常用的三端稳压电源之一，有以下几个特性：

（1）三端稳压电源是串联型电压源，输出电压与输入电压具有共同的电压参考点，即“公共端”（GND）；

（2）在三端电源输入范围之内，输出电压在一定精度内保持恒定；

（3）调整公共端电压可以比例改变输出电压；

（4）三端稳压电源具有过流保护、过热保护电路，能够抗击短时间的输出短路。

电源模块的电路图如图3-2所示。

电容在电源模块中起滤波作用，滤波能有效抑制噪声干扰。

在数字电路中，当电路从一个状态转换成另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。

当电路接通或断开电感负载时，产生的瞬变噪声干扰往往会严重影响系统的正常工作，所以加入电源滤波电路，可以消弱瞬变噪声的干扰。

电源模块中设计了短路、过流保护电路，保证了电源模块的可靠性和安全性；通过计算合理迭取滤波电容和耦合电容的容量，充分抑制了输出纹波的幅值，保证了输出电压、电流的稳定。

该电源模块电路成本较低，输出稳定，满足系统对电源模块的要求。

图3-2电源模块

3.4汽车空调控制系统主要节点硬件设计

3.4.1主控节点硬件设计

主控节点作为CAN总线网络的中央控制节点起到组织、协调和监控整个控制网络的作用，主要负责完成显示节点、温度采集节点、调温门节点、以及鼓风机节点等节点之间数据信息的交换。

图3-3主控节点硬件电路原理图

主控节点是由CAN接口电路和键盘接口电路组成的。

键盘接口电路是由控制鼓风机键盘电路、控制循环风门键盘电路、控制调温门键盘电路、控制中央风门键盘电路和控制除霜／吹脚风门键盘电路组成。

主控节点负责采集其它各个执行节点需要的控制信息，主控节点采集到控制信息后，将该控制信息封装成CAN数据帧，以一定的控制优先级发送到相应的执行节点，由执行节点根据具体命令做出反应。

综上所述，主控节点通过采集和发送控制命令来实现对汽车空调控制系统的组织和协调。

图3-4主控节点实物图

3.4.2温度采集节点硬件设计

温度采集节点作为CAN总线网络的一个数据采集节点，负责采集车内温度，主要由CAN接口部分和温度采集部分组成。

其中温度采集部分主要包括温度传感器AD590及外围电路、由集成运算放大器UA741组成的三级运算放大电路以及模数转换ADC0804及其外围电路。

图3-5温度采集节点电路原理图

温度采集模块的设计思想：

首先利用AD590把温度转换成模拟电压，经由ADC0804转换成数字信号，然后数字信号经过AT89C52的数字滤波等处理由CAN接口电路发送到总线网络上。

温度传感器AD590：

AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的单片集成端感温的电流输出型温度传感器。

AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

电源电压范围为4V～30V。

它有非常好的线性输出性能，温度每增加1度，其电流增加1uA。

流过器件的电流（uA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

Ir/T=1uA/K（3-1）

Ir-流过AD590的电流，单位为uA;

T-热力学温度，单位为K。

运算放大器模块是信号调理电路的核心部分。

通常传感器输出信号的量值都很小，需要通过放大来增加分辨率和敏感性，即将信号放大为A/D转换所需的电平范围。

由于芯片输出阻抗一般都很高，输出电压信号幅度都很小，加上不同的工作环境会有不同程度的电磁干扰口朝。

因此选择运算放大器时，要选择具有高输入阻抗、高共模抑制比、高闭环增益、低温漂、低失