汽车空调的电气控制器件与技术分析

张磊

【摘 要】文章首先对汽车空调的电气控制器件进行简要介绍，在此基础上对汽车空调电气控制系统的设计进行论述。期望通过本文的研究能够对汽车空调电气控制水平的提升有所帮助。

【关键词】汽车空调；电气控制；系统设计

1 汽车空调的电气控制器件

1.1 汽车空调的功能

空调是汽车不可或缺的组成部分之一，几乎所有的汽车上都装有空调系统，其最为基本的功能是通过调节温度，让车厢内的环境达到使人舒适的程度。随着汽车工业的不断发展，一些高档的汽车随之出现，它们的空调系统除了能够对车厢内的温度进行调节和控制之外，还可以对车内的空气进行净化。常规的汽车空调一般都是由两个系统构成，即制冷系统和采暖系统，前者由冷凝器、压缩机、蒸发器以及管路等器件组成，后者则是由热水阀、加热器以及鼓风机等器件组成[1]。

1.2 汽车空调的控制器件

为实现上文中提到的各种功能，需要采用各种控制器件组成一个控制系统，对汽车空调进行控制，从而使车厢内的环境达到设定的温度。这些器件包括单片机、电源、传感器、执行器、驱动电路、按键及显示模块等。

2 汽车空调电气控制系统的设计

2.1 控制系统硬件设计

2.1.1 单片机。为达到通用性的要求，在单片机的选择上，应当以通用型的单片机，经过比较后，决定选用美国爱特梅尔公司研发的AVR单片机ATmega32作为主控制器。这是一款低功耗、高性能的8位微处理器，其具有先进的RISC结构和32个8位通用工作寄存器。ATmega32采用的是全静态的工作方式，处于16MHz下，其工作性能可以达到16MIPS。不仅如此，它的可擦写寿命高达10000次，具有独立锁定位的可选Boot代码区，可同时进行读写操作。接口为JTAG，可与IEEE1149.1标准相兼容，支持扩展的片内调试功能。

2.1.2 电源电路。通常情况下，汽车上安装的蓄电池，能够提供的电源一般都是12V，这个电源可用于继电器、风机和步进电机的驱动。然而，由于AVR单片机必须使用5V的电源进行驱动，所以，需要将12V的电源转换为5V电源，因此设计了一个电源转换芯片，以此来完成电压的转换。本次设计中，选用了美国国家半导体公司生产的LM2576系列集成稳压电路实现电压转换，它的最大输出电流为3A，转换效率可以达到75-88%，控制方式为PWM，分为正常和低功耗两种工作模式。

2.1.3 温度采集电路。在温度传感器的选择上，经过比较后，决定选用DS18B20，这是一款数字式温度传感器，低功耗、体积小、高可靠性是其较为突出的特点，它与AVR单元机的双向通信只需要I/O接口便可实现。由于该传感器采用了当前较为先进的寄生电源技术，因此无需外接电源设备。

2.1.4 继电器控制电路。本文所设计的汽车空调电气控制系统当中，继电器电路的主要作用是对热水阀和压缩机进行控制，为确保继电器的运行稳定性和可靠性，选用了一款电磁型继电器，其特点是动作响应速度快、体积小。由于该继电器的最大工作电流仅有3A，从而使得AVR单片机无法对其进行直接驱动，所以需要外加驱动电路。虽然这样增加了设计的工作量，但继电器的运行稳定性却得到了保障。同时，为对电磁干扰进行有效抑制，在信号输入端增加了光电耦合电路。

2.1.5 风机转速控制。本次设计中，采用PWM对汽车空调的风机转速进行控制。在全速运行状态下，风机的电压为12V，借助驱动芯片，对风机两端的电压值进行改变，由此便可达到对风机转速进行有效控制的目的。驱动芯片可对直流电机进行驱动，其最大工作电流为4.5A，具备温度和过流保护两大功能。按照电气控制系统的设计要求，将风机转速设计为5个等级，在最小风力等级的条件下，芯片输出脉冲的占空比为50%，在最大风力等级的条件下，输出脉冲的占空比为100%[2]。

2.1.6 风门开度控制。在本次设计中，利用直流步进电机对风门的开度进行控制，汽车的蓄电池可为电机提供相應的工作电压，AVR单片机通过驱动控制器对步进电机进行控制。步进电机则利用连杆带动风门完成转动，当风门转至指定位置后，由可变电阻所产生的高电平信号会自动穿入到控制器，当控制器接收到电平信号后，则会发出断电指令，风门当前所处的位置会被连杆的齿轮卡口固定住，这样便可对风门的开度进行控制。

2.2 控制系统软件设计

2.2.1主控程序

在本系统中，主控制程序由计算机独立提供，其可以对所有的子程序进行调用，任何子程序都不能得以主控制程序进行调用，是核心程序，在整个控制系统当中，该程序具有如下作用：对程序运行时所需的各种变量和显示器所需的段码进行定义；对硬件系统资源进行分配，定期对系统进行自检；根据设计要求，在程序进入正常运行状态的前提下，依次对其它子程序进行调用，并在调用子程序时，对现场进行保护，从而保证程序可以顺利返回；对程序运行时的相关参数进行保存[3]。

2.2.2 温度采集程序。这是一个子程序，它的主要功能是使AVR单片机对温度传感器进行操作，并将获取的温度值传给显示器。依据温度传感器的通信协议，AVR控制传感器完成温度转换的具体步骤如下：在进行读写前，需要对传感器进行复位，并在成功复位后，发出一条ROM指令，最后发送RAM指令。AVR接收到传感器的响应信号之后，便会发出相应的操作指令。

2.2.3 转速控制程序。本次设计中，对风机转速的控制采用的是PWM。ATmega32上带有PWM输出端口，借助寄存器对PWM的工作周期和频率进行设定，当收到转速大小的调控指令后，便会通过输出PWM波形，对占空比进行改变，进而达到控制风机转速的效果[4]。

2.2.4 温度显示程序。汽车的驾驶人员在对空调系统进行控制时，通常都是依据显示器给出的数值，通过显示器显示出来的温度有两种，一种是实时温度，另一种是预先设定好的温度。本次设计选用的显示模块为LCD1602，与温度数值储存在寄存器当中，如果驾驶员有需要，在可通过调用显示程序，便可在显示器面板上呈现出温度数值。

2.3 抗干扰设计

由于本文所设计的电气控制系统需要安装在汽车上，而车辆处于行驶状态时，会因为路面不平或急刹车，对系统的主要器件造成干扰，所以，在进行系统开发，必须采取有效的抗干扰措施。采用电解电容滤波对电源输入和输出端进行设置，以维持电源的稳定性；对长期不使用的集成电路，要上拉和下拉电路端子，避免端子出现运行故障；对元件位置进行合理设置，有效消除传输通道的干扰，为了降低耦合，可将去耦合电容安装到集成电路芯片周围；在布置元件时，要遵循靠近原则放置有关元件，要求电感部件远离带有干扰特性的元件。

3 结论

综上所述，本文针对汽车空调的工作原理，提出了电气控制系统的设计思路，并对系统的硬件和软件设计进行分析，同时，该给出了系统抗干扰的措施。目前，本文所设计的系统已在国内某品牌的汽车上进行了试应用，结果表明，该系统运行稳定、可靠，并且具有良好的控制效果，可进行推广使用。

【参考文献】

[1]张锋.基于模糊控制的汽车空调控制系统的设计与仿真[J].工业控制计算机，2016（3）：38-39.

[2]胡勇.基于模糊控制技术的汽车空调半导体制冷片送风系统仿真研究[J].电子制作，2017（6）：76-77.

[3]严光.浅析基于单片机的汽车空调控制系统的设计[J].科技视界，2014（6）：54-55.

[4]沈阳，陈永军，刘湃.基于微控制器的汽车空调步进电机控制系统设计与实现[J].仪器仪表与分析监测，2017（5）：89-90.