劉吉名，許文文，馬 杏

（中國電子科技集團(tuán)公司 第十六研究所，安徽 合肥 230043）

智能控制是控制領(lǐng)域一門邊緣交叉學(xué)科。智能控制的定義為：應(yīng)用人工智能的理論和技術(shù)及運(yùn)籌學(xué)的優(yōu)化方法同控制理論方法與技術(shù)結(jié)合，仿效人類智能，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。本文采用DC/DC轉(zhuǎn)換芯片LM7805為系統(tǒng)供電，以微控制器STA12C5A32AD為系統(tǒng)核心處理芯片，輔以模糊控制技術(shù)以及按鍵選擇、LCD液晶屏顯示，RS485通信，變頻控制技術(shù)，并使整個(gè)控制系統(tǒng)具有電源欠壓、過壓，溫度傳感器斷路，壓縮機(jī)過熱等保護(hù)功能，對智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

1 電動客車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動客車空調(diào)系統(tǒng)硬件部分結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，空調(diào)控制系統(tǒng)由按鍵掃描、溫度檢測、風(fēng)機(jī)控制、新風(fēng)控制，電磁閥控制，壓縮機(jī)控制、LCD液晶顯示、記憶功能電路，蜂鳴器報(bào)警電路和單片機(jī)組成。包含頂置控制器和車頭顯示控制兩個(gè)單元，采用雙單片機(jī)設(shè)計(jì)，通信模式選擇RS485方式實(shí)現(xiàn)兩者互連。

圖1 電動客車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the electric bus air conditioning system

系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)采用雙單片機(jī)工作，分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)工作過程：主機(jī)首先完成鍵盤掃描，確定系統(tǒng)選擇的制冷或者制熱模式，以及相應(yīng)的模式下的溫度，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的工作頻率設(shè)定，實(shí)時(shí)時(shí)鐘的設(shè)定，同時(shí)將上述各模塊的工作狀況輸出至LCD液晶屏顯示，每間隔200 ms發(fā)送獲取從機(jī)上傳的溫度信息，采用模糊控制方式，計(jì)算車內(nèi)溫度和設(shè)定值之間的差值，在制冷或者制熱模式下，發(fā)送指令開啟的各個(gè)變頻器和電磁閥開關(guān)，依次打開和關(guān)閉冷凝風(fēng)機(jī)，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于STC12C5A32AD的主控電路設(shè)計(jì)

主控電路是以STC12C5A32AD[1]為控制核心的處理器及其輔助電路的設(shè)計(jì)。在單片機(jī)的內(nèi)部中具有32 kB的Flash程序存儲器，1280 Bytes的數(shù)據(jù)存儲器和2 kB的E2PROM用戶數(shù)據(jù)存儲器，8路10位精度可編程A/D轉(zhuǎn)換電路，內(nèi)部復(fù)位監(jiān)視電路和看門狗電路。從實(shí)際設(shè)計(jì)要求出發(fā)，充分利用其內(nèi)部的硬件電路，可以簡化電路的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1）利用單片機(jī)的定時(shí)器、中斷功能。空調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求不高，為了節(jié)省單片機(jī)的工作時(shí)間，提高其工作效率，采用間隔的控制策略，即每間隔一段時(shí)間獲取5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)溫度信息。主控單片機(jī)利用定時(shí)器0產(chǎn)生200 ms的定時(shí)周期，循環(huán)發(fā)送獲取溫度指令至從機(jī)。

2）多路溫度實(shí)時(shí)測量：分別是車內(nèi)環(huán)境溫度，車外環(huán)境溫度，蒸發(fā)器溫度，壓縮機(jī)溫度，除霜溫度。五路溫度測量使用NTC負(fù)溫特性的熱敏電阻，使用單片機(jī)5路A/D轉(zhuǎn)換端口，依據(jù)硬件設(shè)計(jì)，選擇P1.3～P1.7作為A/D轉(zhuǎn)換端口。本系統(tǒng)采用10位精度A/D轉(zhuǎn)換編程，因此，在沒有采取溫度補(bǔ)償措施下仍能準(zhǔn)確測出多路實(shí)際溫度，滿足系統(tǒng)控制要求。圖2顯示其中一路溫度測量電路，TEM_I為熱敏電阻輸入，采用5.1 kΩ歐姆高精度組成分壓電路，避免了超過單片機(jī)AD的參考電壓5 V。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，從機(jī)AD輸入口得到0～5 V的模擬電壓信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號存放到從機(jī)的緩沖區(qū)。主機(jī)發(fā)出讀取溫度信號請求，從機(jī)應(yīng)答并將采樣信號數(shù)據(jù)經(jīng)RS485總線送給主機(jī)并顯示在液晶屏上。

圖2 溫度測量電路Fig.2 Electric circuit of the test temperature

從機(jī)在溫度數(shù)據(jù)處理上，從軟件角度增加了多次采樣取平均值，中值濾波等方式，保證了采樣的溫度值更接近了實(shí)際值。

3）STC12C5A32AD的工作電壓為3.4～5.5V。本系統(tǒng)單片機(jī)、傳感器、輔助電路工作電壓均為＋5 V。主電源取自電動客車的24 V蓄電池電源，穩(wěn)壓濾波后供給單片機(jī)、外圍輔助和接口電路。滿足各繼電器以及電磁閥的開關(guān)電壓為直流24 V，同時(shí)采用穩(wěn)壓芯片LM7805最大提供1 A電流，設(shè)計(jì)中采用NPN MOSFET功率管TIP122實(shí)現(xiàn)功率放大。在汽車上的干擾源比較嚴(yán)重，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，需要嚴(yán)格處理電源穩(wěn)壓和濾波。電源前端串接一高頻扼流電感L，目的是阻礙汽車發(fā)動機(jī)工作時(shí)的電磁脈沖進(jìn)入電源影響系統(tǒng)工作，＋24 V電源經(jīng)高頻扼流電感L后，經(jīng)過電容C9，E1濾除其中低頻和高頻分量，再經(jīng)三端穩(wěn)壓器件（LM7805）穩(wěn)壓輸出＋5 V穩(wěn)壓電源，經(jīng)過電容C8，E2濾波后供給系統(tǒng)工作電源，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)Fig.3 Power design of the system

2.2 輔助電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)還有報(bào)警，參數(shù)記憶，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，液晶顯示，RS485通信等功能，其輔助電路包括：

蜂鳴器報(bào)警電路采用NPN三極管放大電路，由單片機(jī)IO口發(fā)送高低電平，控制導(dǎo)通關(guān)閉。

系統(tǒng)記憶功能電路采用EEPROM 24C02存儲設(shè)定的溫度，風(fēng)機(jī)工作頻率，以及時(shí)鐘參數(shù)。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路[3]：采用PCF8563芯片，低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞。每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。

鍵盤和顯示電路：液晶顯示電路采用128*64的低功耗點(diǎn)陣圖形式LCD，多指令功能。鍵盤采用獨(dú)立式按鍵，分別為開關(guān)、模式設(shè)置、溫度增減、風(fēng)量增減、溫度增減等功能?？梢栽O(shè)置日歷時(shí)鐘，空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)查詢。

RS485通信電路[2]：系統(tǒng)中雙單片機(jī)采用MAX485實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，采用3個(gè)變頻器完成直流到交流逆變，控制壓縮機(jī)，冷凝風(fēng)機(jī)，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)中將變頻器和其中一個(gè)單片機(jī)視為從機(jī)，采用7 N 1 for ASCII的數(shù)據(jù)通信格式，Modbus Networks通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)各模塊通信。圖4是微處理器和MAX487的接口電路，A、B為RS485總線接口，D為發(fā)送端，R為接收端，分別和單片機(jī)串行口的RXD和TXD連接，MAX487的RE、DE為收發(fā)使能信號，由單片機(jī)IO控制實(shí)現(xiàn)半雙工通信，當(dāng)控制口為高電平時(shí)，MAX485處于發(fā)送狀態(tài)處理器TXD的數(shù)據(jù)經(jīng)過A、B差分送到總線上，反之MAX485處于接收狀態(tài)。本系統(tǒng)對RS485通信應(yīng)用設(shè)計(jì)中，A端和B端之間連接有匹配電阻，根據(jù)實(shí)際電路需要，匹配電阻需要針對從機(jī)的更改。

圖4 RS485通信電路Fig.4 ElectriccircuitoftheRS485conmunication

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)可分為兩大部分：主程序和中斷服務(wù)程序

電動車空調(diào)系統(tǒng)軟件分為主機(jī)控制軟件和從機(jī)部分。

1）主機(jī)主程序包括設(shè)定定時(shí)器，間隔時(shí)間獲取溫度數(shù)據(jù)：

串口初始化，遵循通信協(xié)議發(fā)送指令，并接收從機(jī)回傳的溫度數(shù)據(jù)；

完成LCD液晶顯示控制：包括液晶驅(qū)動、初始化，亮度、對比度調(diào)節(jié)；

鍵盤掃描[3]，變頻器控制，風(fēng)量檔位切換，制冷、制熱溫度設(shè)定，空調(diào)工作模式選擇，新風(fēng)送風(fēng)時(shí)間設(shè)定等。

工作過程：主程序完成串口初始化、LCD初始化并顯示空調(diào)工作模式、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、風(fēng)量大小、環(huán)境溫度，掃描按鍵獲取相應(yīng)鍵值，根據(jù)鍵值執(zhí)行相應(yīng)的指令動作，如選擇工作模式，溫度設(shè)定，當(dāng)前時(shí)鐘調(diào)整，打開、關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)等。

2）從機(jī)主程序包括串口通信中斷控制、ADC模塊初始化[4]，溫度信號采集等。

主程序初始化后，系統(tǒng)完成ADC、串口、單片機(jī)IO口初始化后，根據(jù)主機(jī)發(fā)送的指令，完成溫度電壓信號的采集，并轉(zhuǎn)換成溫度信號，上傳到主機(jī)，同時(shí)接收主機(jī)發(fā)送的變頻器控制打開、關(guān)閉壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、蒸發(fā)風(fēng)機(jī)，電磁閥指令。

3.2 中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序[5]包括定時(shí)器T0、定時(shí)器T1[6]，串口中斷服務(wù)程序。定時(shí)器T0定時(shí)時(shí)間為50ms，每次進(jìn)入中斷子程序變量增加1，達(dá)到設(shè)定值，設(shè)置標(biāo)志位，主程序根據(jù)標(biāo)志位發(fā)送溫度獲取指令到從單片機(jī)，從單片機(jī)根據(jù)指令啟動ADC得到數(shù)據(jù)，并上傳。定時(shí)器T1定時(shí)時(shí)間為3s，主要用于壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)間的延時(shí)，壓縮機(jī)保護(hù)延時(shí)，根據(jù)壓縮機(jī)使用指南，要求兩次啟動間隔不能小于3s，避免了由于誤操作導(dǎo)致壓縮機(jī)故障。

4 結(jié) 論

本控制器采用STC12C5A32AD單片機(jī)設(shè)計(jì)，電路性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)、可靠性高、成本較低?？刂破骺垢蓴_能力強(qiáng)，能在低溫和高溫地區(qū)長久穩(wěn)定工作，由于采用的是Flash工藝的單片機(jī)，方便在線升級，可用于大巴客車空調(diào)控制，根據(jù)系統(tǒng)需要，設(shè)計(jì)中充分考慮了壓縮機(jī)高低壓保護(hù)，溫度過高保護(hù)等因素。

[1]宏晶科技.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊.[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總線應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995

[4]丁向榮.STC系列增強(qiáng)型8051單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版，2010.

[5]陳桂友.增強(qiáng)型8051單片機(jī)實(shí)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版，2009.

[6]邵貝貝.單片機(jī)嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.