车用空调工作效能检测系统毕业设计.docx
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车用空调工作效能检测系统毕业设计
摘 要
近年来,随着我国工业技术的发展,汽车工业也飞速发展起来,并已逐渐成为我国的支柱性产业。
人们对于汽车的要求已不仅仅停留在驾驶性能上,而是希望在驾驶的同时更加舒适。
因此,车内的空调的性能现已成为衡量汽车舒适性的一项重要指标。
本设计以汽车空调为研究对象,在对汽车空调的性能、特点、安装形式进行分析后介绍了一种由51单片机为微控制器的汽车空调工作效能检测系统。
本设计主要包括信号采集部分,控制器部分,以及显示打印部分。
本设计说明对各种器件进行的选择,以及各部分的电路图和硬件接线进行了设计。
最终实现了对汽车空调的温度、湿度、风速的检测,测量数据可以通过RS232串口通讯将信号传送给PC机。
用51单片机完成的检测系统具有结构小,制造成本低廉的优点,而且在使用时也特别的方便。
非常适合用于各种场合下汽车空调的性能的检测。
关键词:
检测;信号采集;51单片机;串口;控制
ABSTRACT
Inrecentyears,withChina'sindustrialtechnology,automotiveindustryhasdevelopedrapidly,andhasgraduallybecomethepillarindustryinChina.Itistherequirementformotorvehicleshasnotonlyremaininthedrivingperformance,butatthesametimedrivingmorecomfortable.Asthecarwasdrivingintheoutdoorspecificity,therefore,whetherthecarair-conditioningoutdoorenvironmentwithchangesinregulationofthevehicleenvironmentinwhichthedriverhastofeelcomfortableisameasureofvehiclecomfortanimportantindicator.
Thedesignofautomotiveair-conditioningforthestudyofautomobileair-conditionerperformance,features,installtheformofanalysispresentsasinglechipfrom51micro-controllerforautomobileairconditioningsystemperformancetesting.Includingthedesignofthemainpartofsignalacquisition,thecontrollerpart,andshowssomeprint.Notethedesignonthechoiceofavarietyofdevices,aswellasthevariouspartsofthecircuitwiringandhardwaretocarryoutthedesign.Theeventualrealizationofautomotiveair-conditioningtemperature,humidity,windspeedofdetection,measurementdatathroughRS232serialcommunicationsignalstransmittedtothePC.
Completewith51single-chipdetectionsystemhasthestructureofsmall,low-costmanufacturingadvantages,butalsoparticularlyintheuseofconvenience.Verysuitableforavarietyofoccasionsfortheperformanceofautomotiveair-conditioningtest.
Keywords:
Detection;SignalAcquisition;51Single-ChipMicrocomputer;Serial;Control
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题的提出1
1.2选题目的和意义2
1.3汽车空调的发展方向2
1.4设计的主要内容3
第2章汽车空调及其性能测试简介5
2.1汽车空调系统的组成及基本工作原理5
2.2汽车空调的特点6
2.3整车空调性能测试简述7
2.4汽车空调工作效能检测系统的性能要求7
2.5本章小结8
第3章检测系统的总体方案确定9
3.1检测技术基础9
3.1.1检测系统的基本组成9
3.1.2检测技术的发展方向10
3.2系统总体方案的确定11
3.3本章小结12
第4章处理控制装置设计13
4.1单片机13
4.251系列单片机13
4.389C51的功能13
4.4外部引脚说明14
4.5本章小结17
第5章传感器及其它硬件的选择18
5.1传感器的选择18
5.1.1风速传感器的选择18
5.1.2温度传感器的选择18
5.1.3湿度传感器的选择20
5.2显示装置的选择20
5.3微型打印机21
5.4电源开关的选择22
5.5本章小结23
第6章控制系统硬件组成及原理24
6.1A/D转换电路25
6.2液晶显示电路26
6.3键盘电路27
6.4PC与单片机连接RS-232串口电路27
6.4.1串口通讯简介27
6.4.2单片机与PC机间的串口接线28
6.5看门狗电路29
6.6DS18B20温度传感器与单片机接线29
6.7控制系统30
6.8本章小结32
结论33
参考文献34
致谢36
附录37
第1章绪论
1.1课题的提出
1886年,德国的戈特利布·戴姆勒和卡尔·本茨各自于同年发明了汽车以后的100多年来,汽车工业经过汽车技术,生产方式的几次大飞跃,已经成为人类文明的基本要素。
现今,随着我国汽车工业的发展和人们生活水平的提高,汽车已成为人们用来代步的最主要的交通工具。
人们对汽车的要求已不仅是驾驶的安全性,还要求能够保证在驾驶过程中驾驶员和乘车人员的舒适性。
在舒适性中最主要的一项是能够使车内的环境始终让人感到舒服。
随着空调的产生,人们想到了在汽车中也装入空调来调节车内的环境,以达使车内环境保持舒适性的要求。
汽车空调是汽车空气调节器的简称,即通过一些设备,对汽车内空气的温度、湿度、空气质量及空气流动进行控制,为驾驶员或乘员创造清新舒适的车内环境。
随着对汽车舒适性要求的增加,汽车空调的应用也日益普及。
目前,工业发达国家汽车空调装着率达80%-90%,其中轿车的装着率高达100%,长途客车和旅游客车的装着率高达95%以上,城市客车的装着率也超过60%以上。
国产轿车中已有约80%装有空调,在工程车、旅游车及城市公交车上也开始大量采用空调[2]。
有了汽车空调,才能全天舒适地将乘员长途运送,也才有现代的旅游事业,才有数千里跨省、跨地区的长途汽车客运事业。
有了汽车空调,才能将活鲜的农副产品进行长途贩运,农业商品的国际化贸易才能加速扩大。
所以说,汽车空调是农业商品化生产的重要技术保障之一。
汽车空调能极大提高汽车的安全性能。
虽然汽车空调本身并不能提高安全性,但是汽车安装了空调后,实现了“头凉脚暖”,驾驶汽车的司机能头脑冷静,精神集中,手脚灵活。
特别是炎热的夏天,能极大的减少司机的劳动疲劳,降低交通事故的发生。
根据统计资料,汽车安装空调后,交通事故可以降低12%-15%,而劳动生产率可以提高20%-25%。
汽车空调检测是研究、开发、改进和鉴定空调装置性能及汽车空调匹配性能,保证汽车舒适性的重要环节,也是使汽车空调发挥出最大功用的重要保证。
因此,对汽车空调性能的检测是非常必要的[3]。
本文中所设计的汽车空调检测系统是主要对轿车作整车空调性能测试,即指空调安装在汽车上后测定车厢内的降温、采暖、保温性能,测定车内气流分布,了解空调机组的运行情况以及空调机组对汽车基本性能的影响。
由于要检测汽车空调,这里首先介绍汽车空调的工作原理及特点。
1.2选题目的和意义
汽车空调调节车内环境能力的好坏,越来越成为评价汽车舒适性的重要标准,因此检测汽车空调的性能,降低空调使用中的维修率,也成为各大汽车生产厂家的迫切要求。
本设计目的为满足生产实际中空调性能检测的要求,针对车辆空调性能的检测进行了研究,研制了一套实时快速测量空调温度、湿度、风速等性能指标的系统。
随着国内汽车行业的高速发展,汽车空调越来越受到汽车制造商的重视。
现在国产汽车的汽车空调控制器也越来越好,这也需要相应的检测系统与之想适应,虽然国内技术现在大大落后于国际水平,限制了汽车工业的发展,但随着国家的研究会缩小这样的差距。
本文针对实现汽车空调的制冷工作效能等问题进行了一系列研究。
以保证现代车辆的舒适性。
1.3汽车空调的发展方向
汽车空调经过多年的研究、发展,至今已达到全自动控制的水平。
为了提高汽车空调的控制性能,随着微电脑的普及,今后汽车空调普及应用电脑控制将是毫无疑问的。
当前,从市场需求方面看,汽车空调装置应进一步降低成本,提高燃油经济性;从车身制造方面看,随着车厢地板的降低以及车辆向大型化、高级化发展,需进一步提高汽车空调各组成装置的紧凑性和效率;从乘客和驾驶员方面看,车内温度要合理分布,设备操作要简便,空调装置应向全季节型性发展。
1、向全自动化方向发展早期的汽车空调系统,其进出风系统中的冷气系统和暖气系统彼此间互相独立,因而它们的控制系统也自成一体,且汽车空调都是手动控制,仅凭人的感觉来调节开关,因而温度、湿度及风量很难控制。
近年来,随着电子计算机的普及并逐步应用到汽车空调系统中,使得空调系统的控制效果日趋完善,空调设备的性能也越来越高。
运用这种空调系统能进行全天候的空气调节,集制冷、采暖、通风于一体,在人为设定的最佳温度、温度及风量的情况下,该系统可根据车室内人员的数量及其它情况的变化进行多档位、多模式的微调,从而达到设定的最佳值,使车内始终保持舒适的人工气候环境。
同时还可进行故障自动诊断和数字显示,缩短检修和准备时间。
2、提高舒适性当前不少汽车空调系统的制冷和采暖都是各自独立的系统。
每当梅雨季节时,车窗玻璃上常常蒙上雾气,若要去掉雾气,必须起动冷气装置,但这样一来将会使车厢内太冷。
为了克服此缺点,目前正在开发一种全季节型的空调系统。
此系统具有换气、采暖、除湿、制冷等所有功能,夏天由发动机驱动制冷系统,冬天由加热器制热采暖,过渡季节(如梅雨季节)则采用制冷与采暖混合吹出的温和风进行除湿,使车厢内换气情况达到最佳状态。
3、高效节能、小型轻量化要进一步降低空调装置的重量和外形尺寸,必须提高各组成装置的结构紧凑性和效率。
为此各国正致力于改进各部件的结构,完善各部件的制造工艺,改进空调装置的布局,提高空调装置的性能。
4、向环保型汽车空调发展目前所使用的汽车空调制冷工质R12对大气臭氧层有一定的破坏作用,根据《蒙特利尔协议》,2000年已开始禁止使用R12,因此世界各国都在积极地研制一种更适合于环境保护的新工质。
目前一致公认R134a是汽车空调Rl2的首选替代物,并基本上解决了空调系统的匹配和材料等一系列问题。
我国目前正在开发研制这种R134a汽车空调系统,其系统需要作适当改进[2]。
1.4设计的主要内容
检测系统中可测量的影响人体舒适条件的因素很多,但温度、湿度、风速却是最重要的三要素。
在汽车空调指标中,第一个指标是温度。
人感到最舒服的温度是20-28℃。
温度超过28℃,人就会觉得燥热,温度越高,越觉得头昏脑胀,精神集中不起来,思维迟钝;温度低于14℃,人就会感觉到“冷”,温度越低,越觉得手脚动作僵硬,不能灵活操作机器。
汽车空调可使夏天车内温度保持在25℃左右,而冬天在18℃以上,保障了司机的正常操作,防止事故发生,也保证乘员在舒适的温度下旅行。
汽车空调的第二个指标是湿度,湿度的指标是用相对湿度来表示,人觉得最舒适的相对湿度在50%-70%。
湿度过高,人会觉得闷;相反湿度太小,人的皮肤会痒,所以汽车空调要求车内的湿度参数控制在50%-70%的范围内。
汽车空调的第三个指标是风速。
出风口风速的大小直接影响车内温湿度达到规定范围的时间。
本文中所设计的系统就是要检测出空调的这三个重要参数。
1、确定检测系统信号采集及通信方案
包括测量各性能指标的传感器的选择,处理采集信号的控制机的选择,最终检测结果处理机的选择,信号间通信方式的选择等。
针对空调需测试的风速、湿度、温度三个性能指标,选择好相应的传感器、控制器,要求使用稳定,精度符合要求。
2、检测系统硬件结构的搭建
在传感器、控制器等硬件选择好以后,需要将其按功能连接起来,实现测量信号和传输信号的能力。
从系统的硬件着手,阐述系统硬件的连接原理。
3、检测系统软件程序的编制的介绍
在硬件搭建好了以后,最终还需要通过软件的编程来实现预先设计的各种功能。
4、整体的布置情况
系统的硬件连线以及原理设计好后,对系统的硬件布置进行总体的设计并绘制出相应的图装配图。
第2章汽车空调及其性能测试简介
2.1汽车空调系统的组成及基本工作原理
为了获得车内要求的空气环境,消除车内外的热、湿干扰,必须对车内空气进行调节。
构成空气调节系统的设备有如下四个方面:
1、预先对空气(车外空气及一部分车内回风)进行加热、加湿(一般在冬季),冷却、干燥(一般在夏季)和净化等处理设备;称为空气处理设备;
2、处理后的空气进入车内,需要有输送和分布空气的设备、部件,如风机、风道,送回风口等;
3、供热、供冷系统(热源和冷源);
4、控制系统,如电器设备等。
每个循环的基本过程:
1、压缩过程:
压缩机吸入蒸发器出口处的低温抵压的制冷剂气体,把它压缩成高温高压的气体排除压缩机。
2、放热过程:
高温高压的过热制冷剂气体进入冷凝器,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。
3、节流过程:
温度和压力较高的制冷剂液体通过膨胀装置后体积变大,压力和温度急剧下降,以雾状(细小液滴)排除膨胀装置。
4、吸热过程:
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,故制冷剂液体蒸发成气体。
在蒸发过程中大量吸收周围的热量,而后低温低压的制冷剂蒸气又进入压缩机。
上述过程周而复始的进行下去,便可达到降低蒸发器周围空气温度的目的。
汽车空调系统采用的是蒸汽压缩式制冷循环,图2.1为轿车空调的制冷原理图。
汽车空调系统尽管设备型号不同,结构布置各异,但其工作原理却基本相同。
其制冷系统大多以R-12(CF2Cl2——二氟二氯甲烷)为制冷剂的蒸汽压缩制冷,与室内空气调节设备的制冷系统大致相同。
经压缩机压缩后的高温高压制冷剂蒸汽,经高压管路进入冷凝器冷却后,以液态形式进入贮液干燥过滤器,滤去杂质,除去水分,高压高温的液体制冷剂经膨胀阀减压节流,以雾状进入到蒸发器进行热交换,吸收车内空气的热量,吸热后的制冷剂变成低压蒸汽,被重新吸回压缩机压缩。
如此循环,制冷剂不断吸收车内空气的热量而使车内降温,从而保证舒适的乘车环境。
空气中所含水分和微尘,经过蒸发器而降温使水分析出,凝结在蒸发器上,连同微尘附着于蒸发器管片流入排水管排出车外,以保证进入车内的空气干燥、清新和洁净[6]。
1.制冷压缩机2.高压排气管3.冷凝器4.储液器5.高压管路6.前膨胀阀
7.前通风机8.分高压管路9.后低压管路10后蒸发器11.左后通风电机
12.左后风道13.左后出风口14后冷风开关15前冷风中出风口16.前蒸发器具
17.前冷风开关18.前冷风做风挡开关19.前冷风左出风口20.管路系统连接
21.前低压管路
图2.1轿车空调制冷原理图
2.2汽车空调的特点
汽车空调是以消耗发动机的动力来调节控制车辆内的环境为目的,与房间空调相比较,汽车空调主要有如下特点:
1、汽车空调安装在运动中的车辆上,承受剧烈和频繁的振功和冲击。
汽车空调的各个零部件应有足够的强度和抗震能力,接头牢固并防漏。
2、空调系统所需的动力来自于发动机,轿车、轻型汽车、中小型客车及工程机械中的空调所需的动力和驱动汽车的动力都来自同一发动机,这种空调系统叫非独立式空调系统。
汽车安装了非独立式空调后,耗油量平均增加10%-20%(和汽车的速度有关),发动机的输出功率减少10%-12%。
3、要求汽车的制冷制热能力大。
其原因在于:
(1)车内乘员密度大,产生热量多,热负荷大,而冬天人体所需的热量也大;
(2)汽车为了减轻自重,隔热层薄,汽车的门窗多,面积大,所以汽车隔热性能差,热量流失严重;
(3)汽车都在野外工作,直接接受太阳的热,霜雪的冷,风雨的潮湿,环境险恶,千变万化。
要使汽车空调能迅速的降温,在最短的时间里达到舒适的环境,要求制冷量就特别大;
(4)汽车空调结构紧凑,质轻。
由于汽车本身的特点,要求汽车空调结构紧凑,能在有限的空间进行安装,而且安装了空调后,不至于使汽车增重太多,影响其他性能。
2.3整车空调性能测试简述
由于汽车空调系统的工作条件比一般建筑空调系统恶劣很多,因此,无论是全系统还是各个部件都应该进行各种条件下的可靠性试验和寿命试验,即使这样,仍然解决不了空调系统在实际装车条件下运行的可靠性。
汽车空调作为汽车的一个部分,它无法离开汽车而单独远行,同时它又对整车的动力性能、加速性能、发动机冷却系及噪声等方面产生影响。
因此,评价汽车空调性能不能离开实车进行单独评价,而是整车性能试验的一个组成部分。
目前,整车空调性能测试方法有道路试验,室内模拟试验,以及对成品车的停车检查三种:
1、成品车的空调性能测试
在规定的发动机转速下,空调风速开到最大档,打开全部出风口,并关车窗,在规定时间内测定出风口风温及风速并且检查风速。
2、汽车空调道路试验
道路试验包括汽车空调系统舒适性道路试验;汽车空调系统可靠性道路试验;空调系统对整车动力性能影响的道路试验;空调系统对整车燃油经济性影响的道路试验;空调系统对发动机冷却系统影响的道路试验;空调系统对车内噪声影响的道路试验六大类。
3、汽车空调室内模拟试验
汽车空调环境模拟试验,通过人为地创造一个汽车空调要求的各种气候环境条件和模拟汽车运行状态,对整车空调系统性能进行试验和考核评估。
汽车空调环境模拟试验室应能模拟汽车不同行驶速度、道路阻力状况,以及车辆运行时所处的太阳辐射、高低温环境、路面辐射和迎面风速等条件。
汽车空调环境模拟试验室通常可分为高温气候模拟试验室、低温气候模拟试验室和全天恢模拟试验室三种。
根据试验车型的类别,可以确定环境模拟试验室的规模,然后相应地确定环境模拟的主要性能指标[8]。
2.4汽车空调工作效能检测系统的性能要求
为了检测汽车空调的工作效能根据《汽车用空调器》GB/T21361-2008可知对仪器的设计应该达到一定得精度:
1、温度仪表的精度,根据标准可得:
(1)用于测量空气温度的仪表准确度为±0.2℃分辨率不大于0.1℃;
(2)用于测量制冷剂的仪表准确度为±0.5℃分辨率不大于0.2℃。
2、风速测量仪表可以采用热线式风速仪或皮托管进行测量,精度为1%。
3、时间测量仪表可以采用秒表、电子计时器等精度1%。
此外还有没有写明的都按照《汽车用空调器》GB/T21361-2008执行。
2.5本章小结
本章主要介绍了空调的基本组成原理和特点,整车空调性能测试简述以及汽车空调工作效能检测系统的性能要求,让我们对空调的概念以及所需研究的内容有一个初步的了解。
第3章检测系统的总体方案确定
3.1检测技术基础
检测技术是主要研究自动检测系统中的信息提取、信息转换以及信号处理的理论和技术。
从信息科学的角度考察,检测技术的任务为:
寻找与自然信息具有对应关系的种种表现形式的信号,以及确定二者间的定性、定量关系;从反映某一信息的多种信号表现中挑选出在所处条件下为合适的表现形式,以及寻求最佳的采集、变换、处理、传输、存贮、显示等的方法和相应的设备。
信息采集是指从自然界诸多被检查与测量(物理量、化学量、生物量与社会量)中提取有用的信息。
信息变换是将所提取出的有用信息进行电量形式、幅值、功率等的转换。
信息处理的任务,视输出环节的需要,可将变换后的电信号进行数值运算(求均值、极值等)、模拟量—数字量变换等处理。
信息传递的任务是在排除干扰的情况下,经济地、准确无误地把信息进行远、近距离的传递。
自动检测系统是自动测量、自动计量、自动保护、自动诊断、自动信号等诸系统的总称。
3.1.1检测系统的基本组成
检测系统,它既可以是一般的检测装置,也可以是一个复杂的自动检测系统。
图3.1为检测系统的原理结构框图。
它由下列功能环节组成:
图3.1检测系统的原理结构框图
1、被测对象
被测对象有两种基本形式:
一种是模拟的,另一种是数字的。
模拟数据信号(如某些物理量的测量结果,模拟计算机的输出)是在某一数值范围内可以连续取值的信号。
数字数据信号(如数字计算机的输出,数字仪表的测量结果)是只取有限个离散值的数字序列。
数字量同模拟量相比,更便于存储、处理和传送。
而模拟量要经过取样、量化和编码,才可以转换成数字量,因此数字量得到了更为广泛的应用。
而在具体的传输问题上,我们常常把数据限定为数字计算机和其他数字设备输出的二进制代码。
2、传感器
传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量(如电量)的测量部件或装置。
它处于被测对象与测试系统的接口位置,是一个能量变换器。
它直接从对象中提取被测量的信息,感受其变化并变换成便于测量的其他量。
例如将速度变换成电压,将应变变换成电阻,将流量变换成压力等。
无疑传感器的优劣,直接影响检测装置的质量,它是检测系统的重要部件。
检测技术中使用的传感器种类繁多,分类的方法也各不相同。
从传感器应用的目的出发,可以按被测量的性质将传感器分为:
机械量传感器,如位移传感器、力传惑器、速度传感器、加速度传感器等;热工量传感器,如温度传感器、压力传感器、流量传感器等;化学量传感器;生物量传感器等。
着眼于传感器变换过程的特征,可以将传感器按输出量的性质分为:
(1)参量型传感器
它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量,相应的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。
发电型传感器
(2)它的输出是电压或电流,相应的有热电偶传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器等。
(3)信号调理器
信号调理器又称中间转换器,它的作用是将传感器的输出信号进行传输、放大和转换等。
使其适合于显示、记录、数据处理或控制。
例如桥接电路、电子放大器、调制与解调器及模数转换器等。
(4)输出环节
输出环节包含显示和打印记录装置、数据处理和控制装置等,它们不仅可以实时检测,而且可以实现对检测对象的控制。
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