基于Arduino 平台的太阳能汽车空调控制器研究

王全辉，李鹏飞，刘忠艳，陈文霞，和晓念

（1.岭南师范学院信息工程学院，湛江524000；2.陆军炮兵防空兵学院郑州校区，郑州450052；3.深圳市理邦精密仪器股份有限公司，深圳518000）

0 引言

随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的迅速增加，人们对汽车的舒适性要求是越来越高，其中一个很重要的要求就是汽车空调的性能。传统汽车空调的采用汽车发动机为动力来源，存在以下几点问题：汽车发动机转速不稳定，必须使用大排量压缩机来满足低转速时的制冷，导致能耗大，制冷效率低下；在汽车熄火时，空调系统无法工作，于司乘人员为极大的不便；同时，汽车静止时发动机运转会产生有毒气体，在密闭空间使用易造成安全事故[1]。随着太阳能光伏技术和直流永磁无刷电机技术的快速发展，汽车空调采用清洁无污染的太阳能作为动力来源成为可能，太阳能产生的电力可以驱动电动机来带动汽车空调压缩机工作[2]。本文设计的汽车空调控制器采用的电动机能够保持低速、持续的运行状态，使得车厢温度可以维持，其节能原理与家用变频空调相同。与此同时，可以在发动机熄火状态下使用且无燃油消耗的特点，极大地提高了汽车的舒适度和安全性[3]。

汽车作为一个运动性物体，充电点匮乏是电动空调在使用中最大的问题。本文设计的太阳能汽车控制器可在汽车行驶或停放过程中利用其含有的太阳能光伏电池为储能锂电池充电；实现在所需时可利储存的电能为车辆进行制冷或制热。此举不仅可以节约能源，还能极大提高空调的使用效率。该空调器控制器整合控制原有空调功能部分和新增加电动机驱动部分，实现太阳能系统和原有系统的整合工作。

本文设计的空调器控制器采用Arduino 开源电子开发平台设计。该平台是一款易于使用的硬件和开源电子平台，它在软件和硬件上是开放的[4]。Arduino 能够读取输入（传感器、按钮等）并将其转换为输出（串口输出、启动电动机、打开LED 等）。开发者可以通过编写C 语言程序来告诉一个8 位AVR 单片机如何工作。Arduino 作为一个完全开源的平台，开发资源也正是通过全球用户的贡献而不断发展壮大。Arduino 主要的优点在于使用户能够独立构建应用，并最终使其适应特定需求，因而能够适应本太阳能空调控制器快速开发的需求。这种开发平台不仅极大降低了开发成本，还加快了新产品的开发。在硬件开发上，本控制器选用已成熟模块进行模块化开发，以设计出更加成熟稳定且易于调试的硬件电路。在软件开发上，可以利用开源社区的开源模块，像搭积木一样迅速完成系统的开发[5]。

1 系统硬件实现

太阳能空调系统主要包括以下部件：太阳能电池、锂电池、直流无刷电动机、压缩机、离合器、蒸发器、加热器、鼓风机、风道风门控制装置等。太阳能空调控制器必须使各部件协调工作以达到控制车内温度的目的。同时汽车空调原有的常用功能：制热、通风、过压自动保护、除雾、蒸发风机三级调节、除霜等都具备。

1.1 空调控制器系统设计

本文中的太阳能汽车空调控制器，其控制核心是Arduino 开源电子开发平台。该控制器通过采样环境温度以及操作者的设定温度调节电动机的输出使车内温度保持恒定。控制器硬件框图设计如图1 所示。该控制器采用的具体型号是Arduino Mini 板，是Arduino系列的最简洁微型版本，适用于对尺寸要求严苛的场合。Arduino Mini 的处理器核心是ATmega-328 单片机，同时具有14 路数字输入/输出口（其中6 路可作为PWM 输出），8 路模拟输入。Arduino Mini 必须外接扩展板才能够下载程序。该板的主要优势就是具有和常规Arduino 具有相同的功能，因体积比较小，只有0.7 英寸×1.3 英寸大，非常适合空间要求高的空调控制器[6]。

图1 控制器硬件框图

1.2 电池电压采集模块设计

本控制器要求实时采集电动机电源电压，电源为DC+72V 磷酸铁锂电池，采集电路与控制系统电路不共地共地。为避免太阳能空调的磷酸铁锂电池和汽车上的铅酸电池的线路相连接出现的问题，此模块对以上两电池进行隔离。同时为降低采用线性隔离电路的成本，本文采用电动机电源提供给A/D 芯片电源，A/D 转换完后用光电耦合隔离后接入控制系统，已达到不共地的情况下采集电池电压的目的，具体设计如图2 所示。电压采集的模数转换芯片采用的是TLC548C 芯片，其+5V 供电是采用经过TL783C 和LM7805 两级降压得到的。TL783C 芯片可以把近百伏的电压降到较低的电压，然后由LM7805 进一步降压到+5V[7]。TLC548C 芯片对电池电压进行测量后经过光电耦合TLP521 隔离后传输至Arduino 平台中，其电路如图2所示。

图2 电动机电源电压采集电路硬件设计图

1.3 控制器供电模块设计

本文中的空调控制器的电源采用汽车上的+12V电源，而控制电路需要稳定的+5V 供电，故采用LM2575 组成带反馈的5V 稳压电源。该电路转换效率比较高，其电路硬件设计如图3 所示。此电路硬件上采用现有模块构成。

图3 电源电路硬件设计图

1.4 接口模块设计

本空调控制器的接口模块包括：离合器的接口电路、空调压力传感器、风机控制器的等电路模块，如图4所示。

图4 接口模块设计

1.5 控制器PCB设计

依据以上我们设计的太阳能汽车空调控制器的电路，设计的PCB 板如图5 和图6 所示。

图5 主控电路板PCB图

图6 接口电路板PCB图

2 系统软件设计

2.1 控制器的工作过程

空调控制器的工作过程如下：

（1）空调控制器首先检测电池电压，当电压大于+78V 时启动直流电动机带动压缩机工作，小于+78V 则由发动机带动空调压缩机工作。电动机和驱动器的启动步骤是：电动机电源DC+72V 上电→间隔至少两秒→电动机控制器DC+12V 上电。

（2）当车厢内的温度小于等于设定温度时，电动机以最低速度800 转/分钟工作。当车厢内的温度小于设定温度3℃时，电动机停止工作。当车厢内的温度大于设定温度3℃时，当电动机带动压缩机工作时，电动机以最高速度1500 转/分钟工作。当车厢内的温度相差设定温度3℃之内时，当电动机带动压缩机工作时，电动机以在温度传感器的反馈下进行控制，其转速在800～1500 转/分钟之间。电动机工作中当电源电压低于60V 时，先停止电动机工作，然后切断电动机电源同时给出低压告警；当电压小于78V 时直接启动离合器让发动机带动压缩机工作，同时给出低压告警。发动机带动压缩机工作时，控制器面板上的温度传感和温度设定控制其工作，原有设定和温度传感信号无效。

（3）发动机带动压缩机工作时的控制过程：当车厢内的温度小于设定温度3℃时，离合器动作压缩机停止工作；当车厢内的温度大于设定温度3℃时，离合器动作发动机带动压缩机工作。压缩机动力可以在离合器和直流电动机之间切换。电动机工作中当电源电压小于60V 电动机停止工作切换至离合器（发动机）工作，当电源电压回升至78V 以上时，自动切换回电动机工作。控制器要给电动机电源出剩余电量指示和低压告警。电动机电源电压不可高于DC+90V。

2.2 控制器软件设计

按照上一节的空调工作过程和功能需求，本文中的太阳能空调控制器的软件流程图设计如图7 所示。

图7 软件系统设计图

3 实验样机界面

本文设计的太阳能空调控制器，面板上有多个功能按键，分别是：“温度设定”按键、“运行A/C”按键、“工作模式”按键等。系统正常运行时，每按一次按键，蜂鸣器发出一声提示音。按键功能详细介绍如下：

（1）“运行A/C”。当空调系统关闭时，此按键按下，开启空调控制系统；当空调系统开启时，此按键按下，系统关闭。

（2）“温度设定”。控制器的温度调节按键具体功能包括：温度设定范围为18-32℃，精度1℃；按动温度按键，车内设定温度增加或减少。

（3）“工作模式”。该按键调整汽车空调的工作模式，可以设定空调工作模式为制冷、制热、除湿、通风等。

控制器的显示功能包括：

（1）剩余电量的显示，采用多级柱状条显示锂电池剩余电量。实际操作中是测量电池端电压，通过电压估算剩余电量。

（2）电源低压报警指示，当电压接近设定值时，产生低压报警。

（3）空调动力为电动机还是发动机的状态指示标识，通过不同指示标识表示，让用户知道当前是使用电动机还是发动机带动空调工作。

（4）A/C 指示，指示A/C 开关是否按下，系统工作指示。

本文中太阳能空调控制器研制出的实验样机内部如图8 所示。该控制器开机工作时状态如图9 所示。

图8 样机内部电路展示

图9 样机开机界面展示

4 结语

本文设计了一种新型太阳能汽车空调控制器，以解决汽车空调控制器在实际应用中，存在空调的能耗大、污染大、发动机停机时空调不能工作等问题。该太阳能空调器控制器采用Arduino 开源电子开发平台开发，以提高开发效率，减小开发难度。该控制器整合控制原有空调器控制功能部分并新增加电动机驱动部分，以实现太阳能汽车空调的协调高效工作。本控制器解决了电池电源与汽车电源不共地的等设计难题。本文中的太阳能空调控制器功能较为简单，下一步的工作计划将该空调控制器和物联网进行结合，加入上网模块，接入互联网。接入物联网后，汽车便可在车辆使用前提前将车内温度调整到设定的温度，将使得司乘人员免受酷暑和严冬的伤害。同时依靠远程系统能够对太阳能空调的各项状态进行监控查询。