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汽车空调毕业设计

摘要

随着我国经济的稳步增长，人们的生活程度和消费程度也有响应的提高，有车一族的数量也越来越多，因而对汽车乘驾恬静性的要求有了更高的标准。

在全球汽车电子产业规模持续增长，应用比例不断提高的大环境下，随着中国汽车保有量和发卖量的提高，以及消费者对汽车驾乘恬静性的追求，使得中国汽车空调的市场规模进一步扩大，本文主要介绍了关于汽车空调硬件与软件的组成，详细说明了各个部分的作用和电路图，以及相关程序的设计。

关键词：

P87C522单片机LMP7221放大器温度传感器电化学传感器电磁离合器

Abstract

Withthesteadygrowthofoureconomy,people'slivingstandardsandconsumerresponsivetoTigaodegree,thenumberofcarownersmoreandmore,sothequietoftheAutomobileDrivinghasassumedahigherstandard.Scaleintheglobalautomotiveelectronicsindustrycontinuedtogrow,increasingtheproportionofapplicationenvironment,withthecarownershipinChinaandincreasetheamountoflandsales,andconsumersdrivingthecarquietpursuitofmakingthemarketsizeofChinaAutomotiveAirConditioningfurtherexpanded.Fast-growingdemandinthemarketbehindChina'scarairconditionermarketisenteringanewstageofdevelopment,furtherdeepeningofmarketcompetition,showingaseriesofnewfeatures.

Keywords:

P87C522microcontrollerLMP7221amplifiertemperaturesensorelectrochemicalsensorelectromagneticclutch

摘要1

Abstract1

第一章概述3

1.1汽车空调的发展趋势3

1.2我国汽车空调发展现状3

1.3国外汽车空调技术3

1.4我国汽车空调发展的策略4

第二章汽车空调的工作原理5

2.1制冷剂的选用原则5

2.2汽车空调系统的功能5

2.3汽车空调系统的组成6

2.4汽车空调的组成6

第三章汽车空调控制系统7

3.1汽车空调控制原理7

3.2控制系统硬件7

3.3P87C522的性能特点8

3.4温度传感器测量电路9

3.5LMP7721高精度放大器的主要特色9

3.6LMP7221的性能10

3.7有害气体检测电路10

3.8温度门和进风门开度控制11

3.9风机风速控制11

第四章汽车空调制冷系统的工作原理12

4.1压缩过程12

4.2放热过程12

4.3节流过程12

4.4吸热过程12

第五章汽车空调制冷系统的结构部件14

5.1冷凝器14

5.2蒸发器14

第六章电磁离合器15

6.1电磁离合器的组成15

6.2电磁离合器的工作原理15

第七章汽车空调取暖系统17

7.1暖风系统的分类17

7.2暖风系统的作用17

7.3水暖式暖风系统17

第八章软件设计18

8.1主程序设计18

8.2有害气体控制中断子程序19

结论21

致谢22

参考文献23

第一章概述

1.1汽车空调的发展趋势

在全球汽车电子产业规模持续增长，应用比例不断提高的大环境下，随着中国汽车保有量和销售量的提高，以及消费者对汽车驾乘舒适性的追求，使得中国汽车空调的市场规模进一步扩大。

报载2005年我国市场销售汽车空调339万套，同比增

32.94%销售额达到了26亿元人民币，同比增长30%。

从销售量增长情况来看，2005年中国汽车空调市场的增长高于整年市场15%左右的增长速度;但是我们也应该看到,在市场需求快速增长的背后，中国汽车空调市场正在进入新的发展阶段,市场竞争进一步深化，表现出一系列新的特点。

用户观念正在改变。

1.2我国汽车空调发展现状

国内汽车空调已发展多年,但整体设计和制造水平低于国外。

国内汽车空调的发展起于80年代末90年代初,其中的代表性配套企业为，生产大客车空调的上海万众空调器厂,即现在的空调国际（上海）有限公司,生产桑塔纳轿车空调的上海德尔福汽车空调系统有限公司,生产红旗轿车空调的长春一汽杰克赛尔空调有限公司。

近年来随着管理信息系统的逐渐普及，国内厂家开始尝试分批次地引进适合企业发展的信息管理系统,如上海德尔福汽车空调系统有限公司引进的产品数据管理系统IPM／PDM，统一管理产品设计信息和工艺信息，形成工程信息数据库,与ERP系统的管理信息数据库通过计算机网络进行有效的信息交换和资源共享，最终满足公司CIMS的总体规划标准,实现公司的信息化。

但是，国内汽车空调产业起步晚，存在散、乱、差的格局。

汽车空调厂家的设计力量不足，技术落后。

就国内几家主要汽车空调厂而言，仍处于仿制国外空调系统的阶段。

设计软件虽然也引进了UG，等三维造型软件，但软件的利用率不高，设计人员基本上没有蒸发器、暖风机和鼓风机的全新开发设计能力。

1.3国外汽车空调技术

国外汽车空调技术较为发达，尤其是发达国家，以下作一简单介绍，压缩机：

压缩机的设计正朝着减少重量和体积、降低噪音和增加振动稳定性的方向发展。

目前国外压缩机仍以斜板式、旋叶式和漩涡式压缩机为主,为减少离合器频繁闭合产生的噪音和获得更佳的控制效果，外部控制式变排量压缩机逐渐成为世界车用空调压缩机的主导方向，它具有结构紧凑、重量轻和节省能源的优点。

以日本电装DENSO的变排量压缩机为例,它采用了树脂离合器,体积小,质量轻,而其中的新型控制阀能实现扭矩的估计和控制。

另外,随着世界各国的环保意识的不断加强,电动压缩机也得到了进一步的发展,它能满足混合燃料电池车用空调的需要。

DANFOSS，DENSO，ZEXEL等国际性公司已进入二氧化碳压缩机小批量生产阶段。

1.4我国汽车空调发展的策略

趁着国内汽车市场的飞速发展时机,积极推进汽车空调的国产化工作,与国内高等学校合作,鼓励国内设计人员独立设计开发,以期尽早掌握蒸发器、鼓风机和暖风机的全新开发技术。

以下为空调三大件整体结构的设计优缺点：

一是单箱结构，合格便宜，风道短，零部件少,易于组装。

由于没有多箱间的分界面限制,换热器芯子的位置更加灵活自由，泄漏少，不易漏水，更容易以单元方式供货，但对于横断面的设计，难以设计出相应的模具，维修换热器芯子较困难。

二是三箱结构，便于售后市场维修，其优缺点和单箱的正好相反。

三是两箱结构优缺点介于二者之间，通常推荐采用单箱或两箱设计。

从上可知，国内汽车空调厂家应跟随国外技术发展，努力开发效率高、重量轻、体积小的蒸发器。

顺应世界潮流，发展结构紧凑、体积小、重量轻、效率高、节省动力、降低噪声、工作可靠、启动性能好的变排量压缩机。

同时关注发展燃料电池车、复合式车用的电动压缩机和二氧化碳空调压缩机；积极引进国外优秀开发软件

；借鉴国外发展思路，国内汽车空调行业应该朝着更环保的方向发展。

第二章汽车空调的工作原理

其实汽车空调和我们熟悉的家用空调制冷原理是一样的。

都是利用R12或是R134a压缩释放的瞬间体积急剧膨胀就要吸收大量热能的原理制冷。

（由于R12对大气臭氧层的破坏，出于环保的要求发达国家从1996年开始改用R134a做制冷剂）汽车空调的构造和家用的分体空调类似，它的压缩机往往是安装在发动机上，并用皮带驱动（也有直接驱动的），冷凝器安装在汽车散热器的前方，而蒸发器在车里面，工作时从蒸发器出来的低压气态致冷剂流经压缩机变成高压高温气体，经过冷凝器散热管降温冷却变成高压低温的液体，再经过贮液干燥器除湿与缓冲，然后以较稳定的压力和流量流向膨胀阀，经节流和降压最后流向蒸发器。

致冷剂一遇低压环境即蒸发，吸收大量热能。

车厢内的空气不断流经蒸发器，车厢内温度也就因此降低。

液态致冷剂流经蒸发器后再次变成低压气体，又重新被吸入压缩机进行下一次的循环工作。

在整个系统中，膨胀阀是控制致冷剂进入蒸发器的机关，致冷剂进入蒸发器太多就不易蒸发而太少冷气又会不够，因此膨胀阀是调节中枢。

而压缩机是系统的心脏，系统循环的动力源泉。

2.1制冷剂的选用原则

制冷剂的选用主要看以下几方面的要求：

（1）压缩机的类型；

（2）蒸发压力和蒸发温度；（3）冷凝温度和冷凝压力；（4）制冷装置的使用条件。

制冷剂的选用：

（1）R12：

由于含有氯原子，分离出氯离子导致大气臭氧层的破坏，因此，R12已经被禁止使用。

（2）R134a：

现在汽车空调制冷剂的首选制冷剂。

尽管汽车空调的空调系统的原理与其它空调系统是相同的，但汽车空调是移动式车载的空调装置，它与固定式空调系统相比，动转条件更恶劣，随汽车行驶的颤振，空调系统的制冷剂比固定式更容易泄漏，空调系统的维修与保养也比固定式频繁，空调装置中风路系统在吸入新风时常常会将尘土吸入，堵塞过滤网及蒸发器，在清洗过程中又往往会把制冷剂泄放到大气中去。

造成臭氧层消耗，破坏了环境。

2.2汽车空调系统的功能

调节车内温度：

汽车空调在冬季利用其采暖装置升高车内温度，夏季利用制冷装置对车内降温。

调节车内湿度：

利用制冷装置冷却降温去除空气中的水分，再由采暖装置升温以降低空气的相对湿度。

调节车内的空气流速：

夏季空气流速稍大有利于人体散热降温，冬季气流速度过大影响人体保温，因此夏季舒适风速一般为0.25m/s，冬季的舒适风速一般为0.20m/s。

过滤净化车内空气：

由于车内空间小，乘员密度大，车内极易出现缺氧，而车外道路上的粉尘等又容易进入车内造成空气污浊，影响乘员的身体健康，因此要求空调必须具有补充车外新鲜空气、过滤和净化车内空气的功能。

2.3汽车空调系统的组成

汽车空调系统由通风、暖气、冷气、空气净化、控制五种装置组成，通风装置把车外新鲜空气吸进车内进行换气；暖气装置把车内空气或吸进来的新鲜空气加热；冷气装置把车内空气或吸进来的新鲜空气冷却或除湿；空气净化装置净化空气，除去车内存在的灰尘和气味；控制装置对制冷和暖风装置进行控制，使空调正常工作。

2.4汽车空调的组成

汽车空调一般主要由压缩机（compressor）、电控离合器、冷凝器（condenser）、蒸发器（evaporator）、膨胀阀（expansionvalve）、贮液干燥器（receiverdrier）、管道（hoses）、冷凝风扇、真空电磁阀（vacuumsolenoid）、怠速器和控制系统等组成。

贮液干燥器实际上是一个贮存制冷剂及吸收制冷剂水分、杂质的装置。

一方面，它相当于汽车的油箱，为泄露制冷剂多出的空间补充制冷剂。

另一方面，它又像空气滤清器那样，过滤掉制冷剂中掺杂的杂质。

贮液干燥器中还装有一定的硅胶物质，起到吸收水分的作用。

冷凝器和蒸发器它们虽然叫法不一样，但结构类似。

它们都是在一排弯绕的管道上布满散热用的金属薄片，以此实现外界空气与管道内物质的热交换的装置。

冷凝器的冷凝指的是其管道内的制冷剂散热从气态凝成液态。

其原理与发动机的散热水箱相近（区别只在于水箱的水一直是液态而已），所以它经常被安装在车头，与水箱一起，共同享受来自前方的习习凉风。

总之冷凝器是哪里凉快哪里去，以便其散热冷凝。

蒸发器与冷凝器正好相反，它是制冷剂由液态变成气态（即蒸发）吸收热量的场所。

管道由于要注入一定压力的制冷剂，所以必须采用金属管道。

特别是从压缩机到冷凝器到制冷剂瓶到膨胀阀这段，由于属系统的高压段，所以比其它管道有更高的耐高压要求。

压缩机顾名思义，压缩机就是起压缩的作用，它的作用是使制冷剂完成从气态到液态的转变过程，达到制冷剂散热凝露的目的。

同时在整个空调系统，压缩机还是管路内介质运转的压力源，没有它，系统不仅不制冷而且还失去了运行的动力。

第三章汽车空调控制系统

3.1汽车空调控制原理

基于P87C522单片机的汽车空调控制系统原理如图1所示。

采用温度传感器动态检测车内温度，通过对制冷系统温度门的开度控制，调节冷热风的混合比，实现温度调节。

采用气体传感器对车内主要污染物质CO、CO2、NOx、HC进行动态检测，随时监控车内这些有害物质的浓度，只要超过标准规定的浓度，控制器就启动进风门控制，对车内强制通风。

图1控制系统原理

3.2控制系统硬件

控制系统的硬件组成如图2所示。

系统由P87C522单片机及外围电路、温度检测电路、有害气体检测电路、温度门进风门步进电机控制电路、显示电路、键盘电路等组成。

对控制参数进行动态检测和控制

图2控制系统的硬件组成

3.3P87C522的性能特点

P87C522单片机及外围电路系统采用P87C522单片机作为控制器的核心部件，对传感器采集的模拟信号进行转换和处理，并产生控制信号对温度门、进风门的步进电机和风机转速进行控制，实现系统的控制任务。

Philips公司的P87C522单片机属于Inte18051家庭成员之一，指令与8051完全相同。

8K内部程序存储器和256字节的片内RAM，可满足控制软件运行的容量要求。

3个l6位定时/计数器、4个中断优先级和15个中段源，可方便进行定时和中断应用。

8路模拟输入的10位片内ADC转换器，可满足系统传感器信号的采集与处理。

2个8位分辨率的脉宽调制PWM输出，可实现对风机转速的控制。

5个8位I/O口，为系统的输入输出提供了足够的接口。

片内的功能,可实现程序的可靠运行与监控。

因此，计算机部分仅需配置常规的复位和主频电路,本系统主频采用6MHz。

3.4温度传感器测量电路

温度检测采用电阻型传感器，其测量电路如图3.3.2所示。

温度检测传感器型号为HN36.运算放大器采用高精度放大器LMP7221。

图3温度传感器电路

3.5LMP7721高精度放大器的主要特色

LMP7721芯片采用美国国家半导体专有VIP50BiCMOS工艺技术制造，因此内置输入偏置电流消除电路可降低输入偏置电流。

而其他竞争产品在高温区的输入偏置电流便远比LMP7721芯片高。

以摄氏85度的温度为例来说，LMP7721芯片的输入偏置电流保证只有900fA，比最强劲的竞争对手还低50%。

此外，美国国家半导体还为高精度系统提供一个完备的信号路径解决方案。

该方案利用12位ADC121S021及14位的ADC141S626两颗模拟/数字转换器搭配LMP7721芯片，确保信号路径可以发挥最高的性能。

3.6LMP7221的性能

LMP7721高精度放大器的输入偏置电流最低可达3fA，摄氏25度时输入偏置电流保证不超过20fA，摄氏85度时这个电流值保证不超过900fA，摄氏125度时则保证不超过5pA，而且在整个输入共模电压范围内输入偏置电流都能保持在极低的水平。

此外，这款放大器芯片的增益带宽也极高，开环增益更高达120dB，因此可确保信号调整更为准确。

此外，LMP7721输入电压噪声只有6.5nV/sqrtHz、摄氏25度时直流偏移电压不超过+/-150Uv，偏移电压温度系数只有1.5uV/C。

上述优点对改善系统的灵敏度及准确度极有帮助。

LMP7721芯片可在1.8V至5.5V的供电电压范围内操作。

其采用的8引脚SOIC封装特别将放大器的供电输入与输出引脚相隔离。

这种独特的设计可以避免印制电路板的漏电流入输入引脚，进一步减少系统错误。

系统设计工程师只要采用这款LMP7721

芯片，便可取代放大器及分立式双输MOSFET晶体管，为印制电路板节约约50%的空间。

3.7有害气体检测电路

对车内有害气体CO、CO2、NOx、HC的检测，均使用可测量较低浓度的电化学传感器，其测量电路构成基本相同，只是在电路调试时，对个别元件参数做少许调整。

测量电路如图3.3.3所示，，均采用高精度运算放大器LMP7221，电路可使传感器工作电极WE和参考电极RE之间的电压恒定，从而保证气体浓度的变化与工作电极的电流成正比。

加入场效应管后，若工作电路断电，可保证工作电极与参考电极短路，使再次加电工作时，减少电化学传感器的启动时间。

电路中滤波电容均为1nF。

图4电化学气体传感器检测电路

3.8温度门和进风门开度控制

温度门和进风门的控制都是通过计算机的控制指令去控制步进电机控制器（SH-2043），再由步进电机控制器驱动步进电机，最后由控制机构温度门和进风门的开度。

当有害气体浓度达到极限浓度时，控制系统使进风门关闭车内循环风，全开新风口，新鲜空气强制进入车内，稀释车内空气，达到降低车内有害气体的目的。

当温度未达到调节要求时，通过控制器控制温度门进行调节，直到符合给定要求。

3.9风机风速控制

风机转速控制室利用计算机PWM端口输出的可调占空比信号去控制固态继电器D205W的通断，从而实现对风机转速的控制，控制原理如图3.3.4所示。

固态继电器含输入放大电路、光电隔离和受控制电路部分，可直接与计算机的PWM相连。

通过风机转速调整进风量，辅助温度门进行温度控制。

图5风机调速控制电路

第四章汽车空调制冷系统的工作原理

制冷循环是由压缩、放热、节流和吸热四个过程组成，如图6所示。

4.1压缩过程

压缩机吸入蒸发器出口处的低温低压的制冷剂气体，把它压缩成高温高压的气体，然后送入冷凝器。

此过程的主要作用是压缩增压，以便气体易于液化。

压缩过程中，制冷剂状态不发生变化，而温度、压力不断升高，形成过热气体。

4.2放热过程

高温高压的过热制冷剂气体进入冷凝器（散热器）与大气进行热交换。

由于压力及温度的降低，制冷剂气体冷凝成液体，并放出大量的热。

此过程作用是排热、冷凝。

冷凝过程的特点是制冷剂的状态发生变化，即在压力、温度不变的情况下，由气态逐渐向液态转变。

冷凝后的制冷剂液体是高压高温液体。

制冷剂液体过冷，过冷度越大，在蒸发过程中其蒸发吸热的能力也就越大，制冷效果越好，即产冷量相应增加。

4.3节流过程

高压高温制冷剂液体经膨胀阀节流降温降压，以雾状（细小液滴）排出膨胀装置。

该过程的作用是使制冷剂降温降压，由高温高压液体，迅速地变成低温低压液体，以利于吸热、控制制冷能力以及维持制冷系统正常运行。

4.4吸热过程

经膨胀阀降温降压后的雾状制冷剂液体进入蒸发器，因此时制冷剂沸点远低于蒸发器内温度，故制冷剂液体在蒸发器内蒸发、沸腾成气体。

在蒸发过程中大量吸收周围的热量，降低车内温度。

而后低温低压的制冷剂气体流出蒸发器等待压缩机再次吸入。

吸热过程的特点是制冷剂状态由液态变化到气态，此时压力不变，即在定压过程中进行这一状态的变化。

图6制冷循环

第五章汽车空调制冷系统的结构部件

5.1冷凝器

汽车空调制冷系统中的冷凝器是热交换设备，其作用是使从压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸气在冷凝器中得到液化或冷凝，并把热量散发到车外空气中，从而使其凝结为高压制冷剂液体。

汽车空调系统冷凝器的结构形式主要有管片式、管带式、鳍片式等几种。

5.2蒸发器

蒸发器和冷凝器一样，也是一种热交换器，也称冷却器，是制冷循环中获得冷气的直接器件。

外形近似冷凝器，但比冷凝器窄、小、厚。

它的作用是让低温、低压液态制冷剂在其管道中吸热并蒸发，使蒸发器和周围空气的温度降低，从而在鼓风机的风力通过它时，能输出更多的冷气。

第六章电磁离合器

立式汽车空调系统中，压缩机的停、转都是靠电磁离合器与发动机联系的，电磁离合器的吸合或释放决定了空调系统是否工作。

然而，电磁离合器又是一个执行部件，受温度开关、压力开关、怠速调节装置、电源开关等元件的控制。

电磁离合器有定圈式及动圈式两种，前者电磁线圈固定在压缩机壳体上不转动，后者电磁线圈与皮带盘连在一起是转动的，目前已很少应用。

两种电磁离合器的作用原理基本相同。

6.1电磁离合器的组成

电磁离合器由三大部件组成：

带轮组件、衔铁组件、线圈组件，如图4所示。

带轮由轴承支撑，可以绕主轴自由转动，其侧面平整，开有条形槽孔，表面粗糙，以便衔铁吸合后有较大的摩擦力。

带槽有单槽、双槽和齿形槽等。

带轮以冲压件居多，以使它的另一侧有一定空间可嵌入线圈绕组。

线圈绕组是用于产生电磁场的，有固定式和转动式两种。

固定式线圈被固定在压缩机壳体上，有引线引出供接电源使用。

衔铁组件由驱动盘、摩擦板、复位弹簧等组成，整个组件靠花键与压缩机主轴连接。

6.2电磁离合器的工作原理

当线圈绕组中有电流通过时，产生较强的电磁场，吸合衔铁与带轮组件紧密结合，这样，带轮的转动带动压缩机工作；当电流消失后，衔铁靠复位弹簧迅速与带轮分离，带轮仍在转动，但压缩机停止了工作，如图7所示。

图7电磁离合器结构

1-带轮2-压缩机壳体3-线圈4-摩擦板5-驱动盘6-弹簧爪

第七章汽车空调取暖系统

7.1暖风系统的分类

按所使用的热源不同可分为：

水暖式暖风系统，利用发动机的冷却液热量，多用于轿车；独立热源式，装有专门的暖风装置，多用于客车和载货车；综合预热式，既利用发动机的冷却液热量，又装有燃烧预热的综合加热装置暖风，多用于大客车。

7.2暖风系统的作用

冬季天气寒冷，在运动的汽车内人们感觉更寒冷。

这时，汽车空调可以向车内提供暖风，提高车室内的温度，使乘员不再感觉到寒冷；冬季或者初春，室内外温差较大，车窗玻璃会结霜或起雾，影响司机和乘客的视线，不利于安全行车，这时可以用暖风来除霜和除雾。

7.3水暖式暖风系统

水暖式暖风系统一般由控制开关、鼓风机、暖风水箱、循环水控制开关及相应的管路组成。

需要暖风时，接通控制开关，循环水控制开关也自动接通，这样发动机的冷却液开始在暖风水箱及管路中循环。

鼓风机同时开始转动，风通过暖风水箱后变成暖风通过出风口吹向车内。

这种暖风装置结构简单、耗能少、成本低、操作维修方便，所以各种汽车一般都采用这种暖风装置。

第八章软件设计

面向硬件进行控制系统软件设计，并用MC-51汇编语言编程。

整个软件由主程序、制冷采暖控制子程序和有害气体控制中断子程序等组成。

8.1主程序设计

主程序主要完成整个系统的初始化设置、中断设置、制冷采暖识别和制冷采暖动态控制，软件控制流程图如8所示

图8控制系统主程序

8.2有害气体控制中断子程序

车内有害气体的控制，是通过定时检测，定时中断服务，对进风风门进行控制，阻断车内空气循环，引入车内新风（新鲜空气）来实现其浓度的有效控制。

其程序流程图9所示

图9有害气体检测中断子程序

结论

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行!

”在短暂的实训过程中，让我深深的感觉到自己在实际运用中的专业知识的匮乏。

让我们真正领悟到“学无止境”的含义。

在这次实训中所学到的经验和知识大多来自班长和其他员工的教导，让我受益菲浅，这也是我一生中的一笔宝贵财富。

这次实训也让我深刻了解到，在学习、工作中和同学保持良好的关系是很重要的。

做事首先要学做人，要明白做人的道理，如何与人相处是现代社会的做人的一个最基本的问题。

对于自己这样一个即将步入社会的人来说，需要学习的东西很多，他们就是最好的老师，正所谓“三人行，必有我师