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。本人签名：日期：年月日汽车空调控制系统研究摘要随着国内汽车行业的高速开展，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开展。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。在此根底上构建了基于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、AT89C52Automobileair-conditioningcontrolsystemresearchAbstractAlongwithrapiddevelopmentofthedomesticautomobileindustry,moreandmoreattentionhadbeenpaidtotheautomobileair-conditioningbyautomobilemanufacturer.Nowthedomesticallyproducedautomobileair-conditioningcontrollergenerallyusedthemanualmachinerycontrolmode，fallenbehindgreatlytheinternationalstandard，hadlimitedtheautomobileindustrydevelopment.ThispapercenteredonthescientificandtechnologicalprojectofChangchuncitywhichwasnamed“BCMbasedonmulti-busconnection”.ByusingCANbustechnology,wehadrealizedautomobileairconditionercontrolsystemwhichhadbeenconnectedtoawholenetwork.WehaddevelopedtheprotocolaccordingtoSAEJ1939.Theautomobileairconditionercontrolsystemwasimplementedinthispaper.ByusingCANbus,automobileairconditionercontrolsystemwoulddeveloptonetworkingandintelligence.Thenetworkingmodelofairconditionercontrolsystemwasimplemented.Wehadrealizedthesystemwitheightnodes.Westudyonautomaticcontrol,andthiswouldbecomeafoundationofBCMbasedonmulti-busconnectionintheoryandpractice.Keywords:automobilecontrollerCANbusAT89C52目录摘要IAbstractII1绪论1本文背景与研究意义1国内外研究现状及开展趋势1国外研究现状2国内研究现状2课题研究意义和目的2本文主要研究内容32汽车空调控制系统总体设计4汽车空调控制系统网络化4汽车空调控制系统网络4汽车总线网络通讯标准简介52.3.1A类汽车网络通讯标准52.3.2B类汽车网络通讯标准62.3.3C类汽车网络通讯标准63汽车空调控制系统的硬件设计7汽车空调控制系统组成7微控制器AT89C52的选择73.3CAN接口电路设计83.3.1CAN控制器及驱动器的选择83.3.2CAN接口电路设计8电源模块设计9汽车空调控制系统主要节点硬件设计9主控节点硬件设计9温度采集节点硬件设计10显示节点硬件设计12调温门节点硬件设计13鼓风机节点硬件设计14内外循环风门节点硬件设计16各送风口节点硬件设计164汽车空调控制系统的软件设计18软件设计要求及开发平台18汽车空调控制系统主要节点软件设计18主控节点软件设计20温度采集节点软件设计21显示节点软件设计22调温门节点软件设计22内外循环风门节点软件设计24各送风口节点软件设计25除霜／吹脚风口节点软件设计26结论27参考文献28致谢291绪论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阔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，为平安驾驶提供根本保证。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。但近年来开展速度很快，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。计算机技术的开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开展方面。汽车实现计算机控制可以改善和提高汽车的控制质量。汽车空调技术是随着汽车的普及而开展起来的。从市场需求方面看汽车空调装置应进一步减轻重量，降低本钱，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、高级化开展，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开展。汽车空调的主要开展趋势有如下几个方面：日趋自动化。提高舒适性。高效节能、小型轻量化。清洁环保化。采用新技术。汽车空调的开展历史并不算长，比汽车的出现整整晚了半个世纪，但其开展速度是惊人的。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。至此汽车空调才根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，还使乘员获得了最正确的舒适性。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，并开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开展打下了良好的根底。我国的汽车空调研究及生产起步比拟晚，汽车空调技术一直开展缓慢。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拟少。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。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。随着科学技术的开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，而国内大局部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，降低行车的平安性手动操作控制已成为轿车空调进一步开展的瓶颈问题。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开展。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根底上，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局部——空调系统自动控制模式下的智能温控系统。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局部做设计：〔1〕设计的系统能够实验根本的空调控制功能。〔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随着网络技术和汽车制造技术的不断开展，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。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，由三局部组成：第一局部为空气进入段，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；第二局部为空气混合段，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；第三局部为空气分配段，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局部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汽车作为一种交通工具，目前承当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，它是汽车电子开展的重要方向之一。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。同时现代汽车基于平安性和可靠性的要求，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类的网络通信大局部采UART标准。UART使用起来既简单又经济，但随着技术的开展，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、生产和效劳费用。LIN采用低本钱的单线连接，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本钱。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)低本钱；(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。主要应用于与汽车平安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，节省了器件本钱，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。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那么：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：OHz-24MHz三级加密程序存储器256×8字节内部RAM32个可编程I/O口线3个16位定时／计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式根据以上原那么，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、不可或缺的局部，也是网络协议中最复杂的局部。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：支持标准的通信协议，便于与其它系统或产品兼容。应该满足系统对通信速率的要求。使用灵活，可以与多种类型的单片机及总线互连。开发技术容易掌握，芯片性价比高，容易获得。根据以上的选型原那么，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：支持CAN2.OA协议标准的同时，全面支持具有很多新特性的。独立CAN控制器，可以和不同的微处理器接口。高性能低本钱，国内市场上容易购置，开发本钱低廉。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，速率最高可以到达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节点是由三局部构成的：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接口电路电源的稳定性是整个系统能够正常工作的根底，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，所以参加电源滤波电路，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平安性；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。该电源模块电路本钱较低，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响。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接口局部和温度采集局部组成。其中温度采集局部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局部。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、低失调、低噪音、高稳定性及良好的线性度的器件。综上所述，本系统选择美国FC公司生产的UA741运算放大器。图3-6温度采集节点实物图显示节点作为整个系统与用户的交互界面，应该能够显示系统所处的工作状态以及各个节点的信息。这些信息主要包括车内温度，鼓风机的工作状态，汽车空调的工作模式等。显示节点主要由液晶显示模块和CAN接口模块构成，其中液晶显示模块采用了字符型液晶显示器。图3-7显示节点硬件电路原理图液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在数据通讯、车载设备、仪器仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到了广泛的应用。由于汽车空调需要显示的信息量不大，本系统选择了TC1602字符型液晶显示设备。图3-8显示节点实物图调温门节点根据从CAN网络上接收的信息控制该节点的步进电机，而步进电机那么通过机械装置控制汽车空调系统中负责冷热空气混合的空气混合挡板的开度，从而实现对空调送风温度的调节。这也是该节点命名的原因，节点是由CAN接口模块和步进电机驱动模块组成。图3-9调温门节点电路原理图调温门节点设计思想：首先选择带动空调冷热空气混合挡板的设备，如直流电机或步进电机等；选择了相应设备后，根据设备选择设备驱动芯片；最后为设备驱动芯片设计相应的驱动电路。选择驱动设备：调温门安装在进气风道中，调温门的开度决定了进入车内的冷气和热气的混合比例，从而决定送风温度，起到调节车内空气温度的作斥调温门按驱动方式的不同可以分为四种：直流电机驱动型、步进电机驱动型、内含微芯片的伺服电机驱动型和真空伺服电机驱动型。其中直流电机驱动型必须在直流电机内部安装一个位置传感器，ECU控制直流电机动作，电机带动调温门移动，同时也带动位置传感器的触点移动。而步进电机驱动型那么不需要位置传感器，因为步进电机具有自定位的功能，从而简化了生产工艺、降低了本钱。至于后两种驱动方式都使用了伺服电机，伺服电机的本钱要远高于前两种驱动方式，而且开发及设计工艺的难度也增加了。综上所述，在本系统中选择步进电机作为驱动设备。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。因为存在这个线性关系，加之步进电机只有周期性的误差而无累积误差的特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机的控制变得非常的简单方便。图3-10调温门节点实物图鼓风机节点作为汽车空调控制系统的一个执行机构，负责向驾驶室内送风。根据乘员对温度变化速度的要求不同，鼓风机的风速可以分为不同的几个档次：低速(LOW)，中速1(MIDl)，中速2〔MID2〕，高速(HIGH)以及停转(OFF)。这就需要主控节点将不同的输入封装成CAN数据帧通过网络传送给鼓风机节点，鼓风机节点根据数据帧的相应信息控制直流电机以不同的转速带动风扇送风。因此，鼓风机节点应该由CAN接口模块和直流电机驱动模块组成。图3-11鼓风机节点硬件电路原理图鼓风机节点设计首先要确定可以调节送风速度的设备，本系统选择直流电机带动风扇作为调节送风速度的设备。首先选择直流电机驱动芯片，然后为指定驱动芯片设计驱动电路，以实现微控制器控制直流电调节转速。由于鼓风机节点需要实现的是风速的调节，也就是控制直流电机的转速。要实现这个功能，可以通过对直流电机进行脉宽调制(PWM)的方式来实现。而与传统汽车空调鼓风机控制逻辑不同的是：传统空调是通过串联不同的电位器，以增加或减少直流电机串联电阻的方法来调节流经鼓风机电机的电流，从而到达控制鼓风机转速的目的。本系统的控制方法减少了不必要的器件，减轻了系统负重，节约了本钱；而且将手动调节鼓风机电位器的操作进行了彻底的改变：通过按键即可实现鼓风机风速的调节，这也为汽车空调的自动控制奠定了理论和实践的根底。由于微控制器AT89C52本身具备一定的驱动能力，I/0口的电流在lOmA左右，像驱动发光二极管就不需要额外的驱动电路。但是对于直流电机这类负载较大的器件，微控制器的输出功率相对来说就显得微缺乏道，所以需要外加驱动电路来提供足够大的驱动电流。本系统中直流电机的驱动芯片仍选择前文中介绍过的SGS公司生产的智能功放集成芯片L298N，但是这里仅仅使用其内部的一组H桥驱动电路对直流电机进行驱动，这与驱动步进电机时使用两组H桥驱动电路是不同的。图3-12鼓风机节点实物图L298N驱动直流电机韵驱动电路与驱动步进电机的驱动电路类似：将INI、IN2引脚作为控制信号的输入端；ENA为使能端；OUT1、OUT2为连接电机的输出端。同样在电路中参加续流二极管为电机中可能的大电流提供一条释放的通路，从而起到保护作用，防止了电机过热而引起的烧毁。内外循环风门是控制车内空气和车外新鲜空气混合的执行机构。通过控制直流电机带动内外循环风门处的挡板，来控制新鲜空气的进气量，保证车内乘员的身体健康。内外循环风门节点是由CAN接口模块和直流电机驱动模块组成的。这里的直流电机带动的负载仅仅是风门挡板，驱动电流远小于鼓风机节点的驱动电流。因此为实现硬件设计和电器元件的复用，我们使用与鼓风机相同的驱动芯片以及相应的驱动电路，只是在软件设计上采用不同的策略使两个电机按照不同的要求执行相应的动作，实现不同的功能。这种设计方法在设计上和具体的实际应用中，都会在很大程度上节约开发和生产的本钱，降低系统的复杂性。送风口节点同样是通过直流电机带动挡板运动，实现送风不同的控制，其主要的硬件实现可以采用与内外循环风门相同的策略。即使用相同的CAN接口电路和相同的驱动电路实现与内外循环风门相同的控功能。因此在这里就不再做重复性的工作了，而是使用LED来代替系统中运转的电机，这样可以在不改变控制逻辑的根底上减少驱动芯片、驱动电路等器件的使用，从而降低了开发和研究的本钱。如图3-13所示：图3-13中央风口节点电路原理图送风口节点主要包括：中央风口节点和除霜／吹脚风口节点，而中央风口节点又由左风口、中风口和右风口组成。使用三种颜色的LED代表三个风口的状态：绿色LED代表左风口；黄色LED代表中风口；红色LED代表右风口。LED亮代表该风口为翻开状态，该风口可以送风；相反，那么代表关闭该风口，禁止该风口出风。根据同样的原那么，除霜／吹脚风口节点的状态使用两种颜色的LED表示：绿色LED亮表示除霜风口开启；红色LED亮表示吹脚风口开启。由于除霜／吹脚风口节点的电路原理与中央风口节点大致相同，所以仅给出中央风口节点的电路原理图。4汽车空调控制系统的软件设计汽车空调控制系统的软件设计应该以高稳定性、易操作性、强可读性为设计目标，并在设计中严格遵守软件设计的需求分析、充分考虑到软件设计的技术要求和实际应用情况。本系统采用的微控制器是AT89C52,本系统采用星研集成开发环境作为软件开发平台。在星研集成开发环境上使用C语言作为开发语言。C语言作为高级语言，既具有汇编语言的功能，又在很大程度上提高了软件代码的可读性，而且不必将大量精力花在内存分配等底层工作上。在星研开发环境下开发软件系统的过程如下：启动星研开发环境，设置AT89C52目标板相关参数；根据系统需求，按照软件的系统设计方案，以模块为单位编写功能代码；经缟译器进行语法检查，无误后生成目标代码文件；利用ISP下载模块以及ISP下载软件将目标代码文件下载到AT89C52目标板；在AT89C52目标板上调试软件：在相应功能电路上是否能够起到相应的作用，如不成功，那么重新编写代码并重新下载。由于本系统中的各个节点都是连接在CAN网络上执行相应功能的独立模块，因此CAN通信模块在软件设计上是相类似的，只是不同节点根据通信协议的定义具有不同的节点地址。CAN通信主要包括三个局部：CAN初始化、CAN数据发送和CAN数据接收。CAN初始化。CAN初始化就是对SJAIOOO进行初始化并设置相应的通信参数。而SJAIOOO的初始化应在复位模式下进行，所以在SJAIOOO的初始化程序中首先要将工作方式置为复位模式；然后设置验收滤波方式和波特率参数；以及初始化相关的存放器：总线定时器0(BTRO)、总线定时器1(BTRI)、输出控制存放器(OCR)、接受代码存放器(ACR)、接受屏蔽存放器(AMR)。另外，只有当控制存放器(CR)中的复位要求位(CR．0)置为高时，上述存放器才可以被访问。CAN协议物理层中的同步跳转宽度和通信波特率的大小由总线定时器BTRO和BTRI的内容决定。这里需要注意的是：对于同一个CAN系统中的所有节点，这两个存放器的内容必须相同，否那么将无法进行通信。初始化设置完成后，将复位请求位置“0"，SJAIOOO就可以进入工作状态，执行正常的通信任务。CAN通信模块的初始化流程如图4-1所示：图4-1CAN通信模块初始化流程图CAN数据发送。数据从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的。发送程序只需把发送的信息帧送到CAN的发送缓冲区，启动发送命令即可。在发送报文时，发送缓冲区对写操作是锁定的，这样微控制器AT89C52必须查询状态存放器的发送缓冲区状态标志TBS，以确定是否可以将新的报文写入发送缓冲区。CAN报文的发送采取的是查询方式，程序流程图如图4-2所示：图4-2CAN数据发送程序流程图CAN数据接收。数据从CAN总线到CAN接收缓冲区是由CAN控制器自动完成的。接收程序只需从接收缓冲区读取要接收的信息帧即可。需要注意的是：读接收缓冲区内容后，微控制器AT89C52必须通过将释放接收缓冲位置高来释放缓冲区，使得下一报文可以被接收。在本系统中CAN报文的接收也是通过查询方式完成的，程序流程图如图4-3所示：图4-3CAN数据接收程序流程图主控节点的软件设计主要是完成人机交互的相关功能：通过键盘输入控制其它节点执行相应动作，因此主控节点的软件设计主要是监控并提取键盘操作，并根据不同的按键操作向相应的节点发送控制命令。主控节点程序流程图知图4-4所示：图4-4主控节点程序流程图温度采集节点软件设计实现的功能主要包括初始化相应参数和变量，采集车内温度，将温度值封装成CAN信息帧发送到CAN网络上。因此温度采集程序的设计和实现是温度采集节点软件设计的核心。ADC0804的转换子程序：首先将CS、WR置低从而启动转换，延时0.1ms等待转换完成，再将CS、RD置低即可读取转换的数据。为使采集的温度值更加精确，转换子程序采用了软件滤波，即连续读取10次转换结果，将最大值和最小值忽略，然后对剩余的8次数据取平均值。该温度平均值作为一次温度采集的结果。获得经软件滤波的采样数据后，将其保存在变量中，以供节点主程序使用。AD转换子程序流程图如图4-5所示：图4-5AD转换子程序流程图显示节点的软件设计完成的主要功能是接收来自CAN网络上的信息帧，并且根据相应的信息内容在液晶显示模块显示这些信息。所以液晶显示模块的软件设计是该局部软件设计的重点。显示节点软件程序流程图如图4-6所示：图4-6显示节点程序流程图调温门节点的软件设计目标是通过编程来控制调温门的开度变化，改变冷热空气的混合比，从而实现对车内温度的调节。由于在硬件电设计中调温门是由步进电机带动的，所以如何编程驱动步进电机转动是该局部软件设计的重点。调温门节点接收到来自CAN网络的信息帧后，提取CAN信息帧中的相关数据，参照设计好的通讯协议对数据进行一一解释，然后调用步进电机驱动程序控制步进电机做出正转或反转等动作。调温门节点软件程序流程图如图5-7所示：图4-7调温门节点程序流程图步进电机的驱动程序一般有三种形式：单拍方式、双拍方式、半拍方式。单拍方式是每次仅给一个绕组通电，转子永磁体旋转到与相反极性的绕组对齐的方式。双拍方式是同时给两个绕组通电，转子永磁体旋转到两个通电绕组中间位置时到达平衡的方式。半拍方式那么是通过对单个绕组与两个绕组交替通电实现的。在三种驱动方式中双拍方式的输出力矩最大，因此本系统对步进电机的控制采取双拍方式。双拍方式的控制策略如表4-1所示：表4-1两相步进电机双拍方式控制策略鼓风机节点软件设计主要是根据接收到的CAN信息帧来控制鼓风电机的转速。鼓风电机属于直流电机，所以在该节点的软件设计中采用脉宽调制(PWM)的方法对直流电机的转速进行调节。不同的转速是通过软件PWM调速完成的，即调节电机转动和停转的比例，到达使电机平稳地以某一速度转动的目标。鼓风机节点软件程序流程图如图4-8所示：图4-8鼓风机节点程序流程图脉宽调制子程序采用的是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，它通过调制方波的占空比来对电机的驱动信号进行编码。在脉宽调制程序执行的任何时刻，编码后的方波信号可以使得对电机的直流供电要么完全有，要么完全无，有供电的时候电机正常转动，供电被断开的时候电机停止转动。不同时刻的供电断电可以使得电机的转速也不同。也就是给电机送“0”时电机停转，送“1”时电机转动，可以通过控制送“0”和送“1”的比例来控制电机转速。根据这个思想在鼓风机节点软件程序中设计了五个不同的脉宽调制子程序：OUTPWMO()：设置占空比为0，此时电机停转，鼓风机风速状态为OFF。OUTPWMI()：设置占空比为25%，在100个信号中有25个信号触发电机转动，电机转速为电机全速工作时的四分之一，此时鼓风机风速状态为LOW。设置占空比为50%，电机转速为电机全速工作时的半，此时鼓风机风速状态为为MIDI。OUTPWM3()：设置占空比为75%，电机转速为电机全速工作时的四分之三，此时鼓风机风速状态为为MID2。OUTPWM4()：设置占空比为100%，电机全速工作，此时鼓风机风速状态为HIGH。内外循环节点软件设计完成的主要功能是接收来自主控节点的CAN信息帧，并根据帧信息控制直流电机的正反转，从而带动内外循环风门的翻开或关闭。因此内外循环节点软件设计的重点是通过编程对直流电机的正反转进行控制。内外循环风门节点主程序软件流程图如图4-10所示：图4-10内外循环风门节点程序流程图对直流电机的正反转的控制一般采用正向供电和反向供电来实现。在前面的硬件电路设计中微控制器AT89C52的P1.0和P1.1与电机驱动芯片L298N的INI和IN2相连，P1.0和P1.1分别为0和1时，L298N内部H桥正向导通，对电机正向供电，电机正转。P1.0和P1.1分别为1和0时，L298N内部H桥反向导通，电机反转。可见通过设置P1.0P1.1的上下电平就可以控制电机正转或反转。在本节点软件程序中电机控制子程序nei()设置P1.0为0，P1.1为1，电机正转并带动循环风门到内循环的位置；电机控制子程序wai()设置P1.0为1，P1.1为0，电机反转并带动循环风门到外循环的位置。中央风口节点是由左风口、中风口和右风口组成。中央风口节点的功能主要是根据主控节点的输入进行出风模式的选择。在该节点的软件设计中首先接收来自主控节点的CAN信息帧，然