基于STC单片机的电动客车空调控制系统设计

刘吉名，许文文，马 杏

（中国电子科技集团公司 第十六研究所，安徽 合肥 230043）

智能控制是控制领域一门边缘交叉学科。智能控制的定义为：应用人工智能的理论和技术及运筹学的优化方法同控制理论方法与技术结合，仿效人类智能，实现对系统的控制。本文采用DC/DC转换芯片LM7805为系统供电，以微控制器STA12C5A32AD为系统核心处理芯片，辅以模糊控制技术以及按键选择、LCD液晶屏显示，RS485通信，变频控制技术，并使整个控制系统具有电源欠压、过压，温度传感器断路，压缩机过热等保护功能，对智能控制系统的设计和实现进行研究。

1 电动客车空调系统设计

电动客车空调系统硬件部分结构图如图1所示，空调控制系统由按键扫描、温度检测、风机控制、新风控制，电磁阀控制，压缩机控制、LCD液晶显示、记忆功能电路，蜂鸣器报警电路和单片机组成。包含顶置控制器和车头显示控制两个单元，采用双单片机设计，通信模式选择RS485方式实现两者互连。

图1 电动客车空调系统结构图Fig.1 Structure diagram of the electric bus air conditioning system

系统工作原理：系统采用双单片机工作，分为主机和从机。主机工作过程：主机首先完成键盘扫描，确定系统选择的制冷或者制热模式，以及相应的模式下的温度，蒸发风机、冷凝风机、压缩机的工作频率设定，实时时钟的设定，同时将上述各模块的工作状况输出至LCD液晶屏显示，每间隔200 ms发送获取从机上传的温度信息，采用模糊控制方式，计算车内温度和设定值之间的差值，在制冷或者制热模式下，发送指令开启的各个变频器和电磁阀开关，依次打开和关闭冷凝风机，蒸发风机，压缩机。

2 系统硬件设计

2.1 基于STC12C5A32AD的主控电路设计

主控电路是以STC12C5A32AD[1]为控制核心的处理器及其辅助电路的设计。在单片机的内部中具有32 kB的Flash程序存储器，1280 Bytes的数据存储器和2 kB的E2PROM用户数据存储器，8路10位精度可编程A/D转换电路，内部复位监视电路和看门狗电路。从实际设计要求出发，充分利用其内部的硬件电路，可以简化电路的复杂程度，提高系统的稳定性。

1）利用单片机的定时器、中断功能。空调系统实时性要求不高，为了节省单片机的工作时间，提高其工作效率，采用间隔的控制策略，即每间隔一段时间获取5个监控点温度信息。主控单片机利用定时器0产生200 ms的定时周期，循环发送获取温度指令至从机。

2）多路温度实时测量：分别是车内环境温度，车外环境温度，蒸发器温度，压缩机温度，除霜温度。五路温度测量使用NTC负温特性的热敏电阻，使用单片机5路A/D转换端口，依据硬件设计，选择P1.3～P1.7作为A/D转换端口。本系统采用10位精度A/D转换编程，因此，在没有采取温度补偿措施下仍能准确测出多路实际温度，满足系统控制要求。图2显示其中一路温度测量电路，TEM_I为热敏电阻输入，采用5.1 kΩ欧姆高精度组成分压电路，避免了超过单片机AD的参考电压5 V。当温度发生变化时，从机AD输入口得到0～5 V的模拟电压信号，经过A/D转换后的数字信号存放到从机的缓冲区。主机发出读取温度信号请求，从机应答并将采样信号数据经RS485总线送给主机并显示在液晶屏上。

图2 温度测量电路Fig.2 Electric circuit of the test temperature

从机在温度数据处理上，从软件角度增加了多次采样取平均值，中值滤波等方式，保证了采样的温度值更接近了实际值。

3）STC12C5A32AD的工作电压为3.4～5.5V。本系统单片机、传感器、辅助电路工作电压均为＋5 V。主电源取自电动客车的24 V蓄电池电源，稳压滤波后供给单片机、外围辅助和接口电路。满足各继电器以及电磁阀的开关电压为直流24 V，同时采用稳压芯片LM7805最大提供1 A电流，设计中采用NPN MOSFET功率管TIP122实现功率放大。在汽车上的干扰源比较严重，为确保系统稳定可靠工作，需要严格处理电源稳压和滤波。电源前端串接一高频扼流电感L，目的是阻碍汽车发动机工作时的电磁脉冲进入电源影响系统工作，＋24 V电源经高频扼流电感L后，经过电容C9，E1滤除其中低频和高频分量，再经三端稳压器件（LM7805）稳压输出＋5 V稳压电源，经过电容C8，E2滤波后供给系统工作电源，如图3所示。

图3 系统电源设计Fig.3 Power design of the system

2.2 辅助电路设计

系统还有报警，参数记忆，实时时钟，液晶显示，RS485通信等功能，其辅助电路包括：

蜂鸣器报警电路采用NPN三极管放大电路，由单片机IO口发送高低电平，控制导通关闭。

系统记忆功能电路采用EEPROM 24C02存储设定的温度，风机工作频率，以及时钟参数。

实时时钟电路[3]：采用PCF8563芯片，低功耗的CMOS实时时钟／日历芯片，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。

键盘和显示电路：液晶显示电路采用128*64的低功耗点阵图形式LCD，多指令功能。键盘采用独立式按键，分别为开关、模式设置、温度增减、风量增减、温度增减等功能。可以设置日历时钟，空调系统工作状态查询。

RS485通信电路[2]：系统中双单片机采用MAX485实现数据通信，采用3个变频器完成直流到交流逆变，控制压缩机，冷凝风机，蒸发风机，设计中将变频器和其中一个单片机视为从机，采用7 N 1 for ASCII的数据通信格式，Modbus Networks通信协议实现各模块通信。图4是微处理器和MAX487的接口电路，A、B为RS485总线接口，D为发送端，R为接收端，分别和单片机串行口的RXD和TXD连接，MAX487的RE、DE为收发使能信号，由单片机IO控制实现半双工通信，当控制口为高电平时，MAX485处于发送状态处理器TXD的数据经过A、B差分送到总线上，反之MAX485处于接收状态。本系统对RS485通信应用设计中，A端和B端之间连接有匹配电阻，根据实际电路需要，匹配电阻需要针对从机的更改。

图4 RS485通信电路Fig.4 ElectriccircuitoftheRS485conmunication

3 系统软件设计

3.1 程序设计可分为两大部分：主程序和中断服务程序

电动车空调系统软件分为主机控制软件和从机部分。

1）主机主程序包括设定定时器，间隔时间获取温度数据：

串口初始化，遵循通信协议发送指令，并接收从机回传的温度数据；

完成LCD液晶显示控制：包括液晶驱动、初始化，亮度、对比度调节；

键盘扫描[3]，变频器控制，风量档位切换，制冷、制热温度设定，空调工作模式选择，新风送风时间设定等。

工作过程：主程序完成串口初始化、LCD初始化并显示空调工作模式、实时时钟、风量大小、环境温度，扫描按键获取相应键值，根据键值执行相应的指令动作，如选择工作模式，温度设定，当前时钟调整，打开、关闭空调系统等。

2）从机主程序包括串口通信中断控制、ADC模块初始化[4]，温度信号采集等。

主程序初始化后，系统完成ADC、串口、单片机IO口初始化后，根据主机发送的指令，完成温度电压信号的采集，并转换成温度信号，上传到主机，同时接收主机发送的变频器控制打开、关闭压缩机、冷凝风机、蒸发风机，电磁阀指令。

3.2 中断服务程序

中断服务程序[5]包括定时器T0、定时器T1[6]，串口中断服务程序。定时器T0定时时间为50ms，每次进入中断子程序变量增加1，达到设定值，设置标志位，主程序根据标志位发送温度获取指令到从单片机，从单片机根据指令启动ADC得到数据，并上传。定时器T1定时时间为3s，主要用于压缩机、冷凝风机间的延时，压缩机保护延时，根据压缩机使用指南，要求两次启动间隔不能小于3s，避免了由于误操作导致压缩机故障。

4 结 论

本控制器采用STC12C5A32AD单片机设计，电路性能稳定、功能强、可靠性高、成本较低。控制器抗干扰能力强，能在低温和高温地区长久稳定工作，由于采用的是Flash工艺的单片机，方便在线升级，可用于大巴客车空调控制，根据系统需要，设计中充分考虑了压缩机高低压保护，温度过高保护等因素。

[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列单片机器件手册.[EB/OL]（2011－11）.http：//www.mcu－memory.com/datasheet/stc/STCAD－PDF/STC12C5A60S2.pdf.

[2]MaximIntegratedProducts.MAX485Datasheet[EB/OL].[2010－01－10].http：//www.maxim－ic.com/pdfserv/en/ds/MAX485.pdf.

[3]何立民.I2C总线应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1995

[4]丁向荣.STC系列增强型8051单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版，2010.

[5]陈桂友.增强型8051单片机实用开发技术[M].北京：电子工业出版，2009.

[6]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京：清华大学出版社，2004.