CN201126228Y - 一种公交车空调设备控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种公交车空调设备控制器，该控制器包括一以单片机为核心配以外围辅助电路组成的操作与显示单元，其特征是它还包括主控单片机(U1)和以主控单片机(U1)为核心所配置的一多路PWM输出单元、一继电器驱动单元和一多路采样电路或者一多路分时采样处理单元。本实用新型所述的控制采用单片机分时采集空调压缩机工作压力、车外温度、车内温度和车内二氧化碳浓度的模拟信号进行处理，自动控制空调设备进行车内外的空气交换和温度调节，从而使公交车内的空气品质得到有效的改善，温度舒适度显著提高，同时可有效降低公交车空调系统运行能耗，并实现公交车空调系统自动运行，提高行车安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及车辆客室加热、冷却和通风设备的控制装置。
背景技术
公交车是城市居民的基本交通工具，由于具有温度调节功能的空调公交车在夏冬季节具有良好的舒适性，空调公交车正逐步取代普通公交车成为城市居民的主要交通工具；但空调公交车基本是一个封闭的环境空间，需要向车内输送新风才能使车箱内具有良好的空气环境。
据实际调查和相关资料显示，目前国内的空调公交车主要考虑满足车厢内的热舒适性，空调系统的控制一般采用简单的温度控制，车厢新风则采用定新风量和手动控制方式，车厢内的通风按照车辆定员人数进行设计，计算出固定的新风量，在公交车的空调运行期间保持固定的新风量不变；在冬季与过渡性季节的新风输送则由驾驶员手动控制，新风输送与否完全依赖于驾驶员的主观意识，新风输送量也固定不变，而且需要驾驶员在车辆行驶过程中，手动选择新风送风模式。设计和控制方式上的缺陷，不能保证空调公交车获得良好的空气环境，而且也不利于空调公交车的节能运行和安全行驶。具体表现说明如下：
目前的新风控制方式不能保证公交车车厢内具有良好的空气环境。在空调公交车车厢这样一个封闭的环境空间内，新风输送完全依靠驾驶员的主观意识和手动控制，缺乏相应的控制依据，无法使车箱内具有良好的空气品质，按我国相关国家标准规定，正常情况下室内空气中的CO2的含量不得超过1000PPM，如果超出，便会影响人体健康。
目前的新风输送方式不利于节能运行和保持公交车车厢内的舒适性。公交车内的乘员具有流动性和随机性，如果送风系统始终按照车辆定员设计的新风量运行，在车厢内乘员小于定员数时，则新风量大于实际需求，造成系统能源浪费，特别在非繁忙时段或夜间行车开启送风系统则将造成较大的能源浪费；而在车厢内乘员大于定员数时，则新风量不足，造成车厢内空气品质下降，影响公交车的舒适性，特别是在上下班高峰期间，车厢内的乘员远远超出定员数，车厢内CO2浓度过高，会使乘客产生不同程度的闷热甚至心烦焦躁，导致纠纷。
目前的空调送风系统和新风系统的控制方式不利于行车安全。目前空调公交车的空调送风系统和新风系统的控制基本采用手动控制方式，空调送风机的转速采用有级调速，而且是采用串联电阻的方式进行调速，不利节能；不仅需要依靠驾驶员的主观感觉启动送风系统，还需要驾驶员在车辆行驶过程中手动调节空调系统和送风系统的运行模式，例如选择空调系统风机的转速，送风系统的运行模式等，不仅不能保证车厢环境的舒适性，频繁的操作还存在影响驾驶安全的隐患。
随着人们对乘车舒适性的提高和健康意识、安全意识的加强，目前空调公交车的新风输送与控制方式的弊病正越来越引起市民和公交车驾驶员的重视，车厢内的空气品质将会受到越来越多的关注，空调公交车中的空气质量的现状不容忽视，已经有人大代表对空调公交车中的空气污染问题提出了议案，国家有关部门也在酝酿设置关于汽车室内空气质量的标准，因此，采取有效措施进一步改善空调公交车中的空气品质和热舒适性势在必行。
发明内容
鉴于现有技术存在上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是一步改善空调公交车中的空气品质和热舒适度。
本实用新型解决上述问题的技术方案是：
一种公交车空调设备控制器，该控制器包括一以单片机为核心配以外围辅助电路组成的操作与显示单元，其特征是它还包括主控单片机(CPU)和以主控单片机为核心所配置的外围单元电路；所述的操作与显示单元的数据线接主控单片机的串行输入口和串行输出口上，接受主控单片机的读/写操作；所述的外围单元电路主要由下列单元电路组成：
一多路PWM输出单元，该单元由多路电子开关组成，其中每一路电子开关的输入端都接在主控单片机的一I/O口上，将主控单片机输出的PWM信号放大，驱动公交车空调设备中的新风机和蒸发器风机；
一继电器驱动单元，该单元也是由多路电子开关和串联在电子开关主回路中的继电器线圈组成，其中每一路电子开关的输入端都接在主控单片机的一I/O口上，将主控单片机输出的控制信号放大分别控制公交车空调设备的压缩机、四通阀、冷凝器风机、冷凝器风机、新风阀和灭菌装置；
一多路采样电路或者一多路分时采样处理单元；所述的多路采样电路的每一路均为一串连电阻构成的分压电路，每一路的分压点均与主控单片机的一具有A/D转换功能的I/O口连接，主控单片机分时扫描每一分压点，采集空调压缩机的工作压力、车外温度、车内温度或车内二氧化碳浓度的模拟信号，进行A/D转换后控制所述的继电器驱动单元和多路PWM输出单元；所述的多路分时采样处理单元由所述的多路采样电路、分时采样控制电路和A/D转换器依次连接组成，其中所述的分时采样控制电路由一多选一模拟开关连接构成，构成该电路的每一模拟开关的信号输入端分别接在多路采样电路的分压点上，选择控制端分别接在主控单片机的一I/O口上，由主控单片机控制多选一模拟开关选通，采集空调压缩机工作压力、车外温度、车内温度或车内二氧化碳浓度的模拟信号，所述的A/D转换器的输入端与多选一模拟开关的输出端连接，输出端与主控单片机的一I/O口连接，将多选一模拟开关选通所采集到的模拟信号进行A/D转换后送入主控单片机的I/O口，经主控单片机处理后控制所述的继电器驱动单元和多路PWM输出单元。
本实用新型所述的控制器，其中所述的主控单片机可以的常用的51系列单片机或增强的52系列单片机，其内部具有模/数转换模块(如PIC16F87X单片机芯片)或不具有模/数转换模块。如果所述的主控单片机的内部具有模/数转换模块，所述的控制器可采用多路采样电路的方案，如果为后者如果所述的主控单片机的内部不具有模/数转换模块，所述的控制器就得采用多路分时采样处理单元的方案。采用多路分时采样处理单元的方案还有一个优点是，当单片机内部的模/数转换模块的转换精度不能满足需要时，可选用转换精度高的外设A/D转换器，以提高控制精度。
本实用新型所述的控制器还包括一随机存储单元，该单元由一片RAM存储器接成I2C总线方式，其数据交换口分别与主控单片机的一I/O口连接，RET端与主控单片机的复位端连接，以扩展主控单片机的内部存储空间，便于采用存储空间小的廉价单片机芯片。
本实用新型所述的控制器，其中主控单片机的串行输入口和串行输出口与操作与显示单元之间还设有RS收发器，以进一步提升信号的传送距离。
本实用新型所述的控制采用单片机分时采集空调压缩机工作压力、车外温度、车内温度和车内二氧化碳浓度的模拟信号进行处理，自动控制空调设备进行车内外的空气交换和温度调节，从而使公交车内的空气品质得到有效的改善，温度舒适度显著提高。本实用新型还引入了温度舒适度的概念，既提高了乘客的舒适度，也节约了能耗。其次是本实用新型将由司机人为控制的主要手动操作完全自动化，有效地提高了行车安全。
附图说明
图1～7是本实用新型的一个具体实施例的电原理图，其中图1为主控单元的电原理图，图2为多路PWM输出单元的电原理图，图3为继电器驱动单元的电原理图，图4为多路分时采样处理单元的电原理图，图5为随机存储单元的电原理图，图6为RS收发器的电原理图，图7为稳压电源电路的电原理图。
图8为图1～7所示实施例的电原理框图；
图9为图1～7所示实施例控制方法的流程图。
具体实施方式
参见图8，本实施例由主控单片机(CPU)U1、多路PWM输出单元、继电器驱动单元、分时采样控制单元、A/D转换单元、随机存储单元、RS收发器和稳压电源电路组成，各单元电路的同名端相连。以下参照图1～7，分别叙述各单元电路的组成和工作原理。
参见图1，所述的主控单片机U1为增强型51系列单片机89C52。
参见图2，所述的多路PWM输出单元具有四路PWM信号输出，每一路均由六施密特反相触发器(U3)40106内部的一个单元和一基极接在触发器U3输出端上的开关三极管TIP41连接组成，其中所用的六施密特反相触发器40106中的四个单元(U3A～U3D)的输入端分别与单片机U1的四个静态通讯口(P1)连接，将主控单片机输出的PWM信号进行反相，再经三极管TIP41放大，驱动公交车空调设备中的一新风机和三个蒸发器风机。由于单片机89C52在上电的一瞬间，其I/O口会输出一高电平脉冲，若不采取反相措施，三极管Q01～Q04必然会产生误动作，因此必需要将单片机89C52输出的信号经U3反相再控制三极管Q01～Q04。本实施例采用触发器U3另一目的是对单片机89C52输出信号的隔离和整形，以进一步提高系统的可靠性。
参见图3，所述的继电器驱动单元是由达林顿电子开关模块(U01)2003和串联在其主回路中的继电器S1～S6的线圈组成六路驱动电路，U01中每一路的输入端都接在主控单片机U1的一双功能静态端口P3上，将主控单片机U1输出控制信号通过U01(2003)、继电器S1～S6分别控制公交车空调设备的压缩机、四通阀、两台冷凝器风机、新风阀和灭菌装置。同样，由单片机89C52在上电的一瞬间，其I/O口会输出一高电平脉冲，开机上电时就会导致继电器S1～S6的误动作，本实施例将所有继电器上端并联后再接一由三极管Q09构成的电子开关再与公交车蓄电池的正端连接，三极管Q09的基极与达林顿电子开关模块U01的out7(10脚)连接，达林顿电子开关模块U01的int7再与六施密特反相触发器U3一个单元U3E的输出端(10脚)连接，U3E的输入端与单片机U1的一个静态通讯口P1.71连接(见图2)，这样在上电时，单片机U1的P1.71口输出高电平，经U3反相后使达林顿电子开关模块U01内与之连接的达林顿管截止，三极管Q09也截止，所有继电器的电源被切断，待单片机U1复位后，静态通讯口P1.71便输出低电平，三极管Q09导通，接通继电器S1～S6的电源。
参见图4，所述的多路分时采样处理单元由所述的多路采样电路、分时采样控制电路和A/D转换器依次连接组成。其中所述的多路采样电路由八只电阻Ra1～Ra8两两串联组成四路，每一路的两电阻的连接结点为分压点；所述的分时采样控制电路由八选一模拟开关(Ua2)4051连接构成，Ua2的地址控制端(A、B、C)分别接在单片机U1的三个地址总线端口(P2.0、P2.1、P2.2)上，Ua2中四个开关单元的输入端(X1～X4)分别与多路采样电路中的一个分压点连接，Ua2的输出端与A/D转换器(Ua1)MCP3221的输入端连接；所述的A/D转换器输出端接在主控单片机U1的地址总线端口P2.3和P2.4上。工作时，由主控单片机U1控制八选一模拟开关Ua2选通，将空调压缩机工作压力、车外温度、车内温度或车内二氧化碳浓度的模拟信号进行A/D转换后送入主控单片机U1，经主控单片机U1处理后控制所述的继电器驱动单元和多路PWM输出单元。为了保证A/D转换器Ua1的稳定工作，进一步提高A/D转换精度，本实施例中A/D转换器Ua1配有专用精密稳压源MCP1341。
当系统的控制精度要求不高时，所述的主控单片机U1可选用PIC16F87X单片机芯片，并去掉上述多路分时采样处理单元中的分时采样控制电路和A/D转换器，只保留所述的多路采样电路，将该电路的分压点直接与PIC16F87X单片机芯片的具有A/D转换功能的I/O口连接，同样可完成本实用新型的发明任务。
参见图6，为了以进一步提升信号的传送距离，本实施例在操作与显示单元与主控单片机U1之间设有RS-485收发器(U4)MAX485。本实施例中，所述的操作与显示单元由现有空调公交车中的操作与显示模块担任，该模块主要由另一单片机为核心配以外围辅助电路组成，其两数据线接在收发器MAX485的A和B口上，收发器MAX485的RO端直接与单片机U1的RXD(P3.0)连接，RE端通过六施密特反相触发器U3的一个单元U3F与单片机U1的TXD(P3.1)口连接。工作时，所述的操作与显示单元接受主控单片机U1的读/写操作，将车内的温度参数设定和空调设备的模式选择指令发送至主控单片机U1，同时接收主控单片机U1传来的车内外温度、车内CO2浓度、电源工作状态、空调系统的工作模式和故障报警信息并显示。
参见图5，所述的随机存储单元由一片RAM存储器(U2)CAT201接成I2C总线方式，RAM存储器U2的STA和SCL口与单片机U1静态通讯口P1.0和P1.1连接，以扩展单片机U1的内部存储空间。
参见图7，由于公交车大部分采用12V或24V蓄电池供电，因此本实施例选用常规的稳压模块LM7805CT为主控单片机U1和所有的外围单元电路供电。
以下结合附图简要说明本实用新型的控制流程，以便公众理解本实用新型所具有的优点和效果。参见图9，本实用新型的控制流程如下所述：
本装置的控制程序采用模块化方式编写，共包含参数设定、环境参数采样控制、故障处理、温度调节、新风调节、过渡季节运行等基本程序模块，主控单片机在上电或复位后首先进入初始化过程，由主控单片机根据来自操作与显示单元的参数进入相应的控制程序模块。
参数设定程序模块在参数设定状态下处理按键输入信息，用于设定控制所需要的压缩机工作压力、车外温度、车内温度、车内二氧化碳浓度的目标值和允许的误差范围。
环境参数采样控制程序模块用于处理采样控制，通过主控单片机U1的三个地址总线端口(P2.0、P2.1、P2.2)向八选一模拟开关Ua2输出控制信号，选择采样参数，并通过读取与A/D转换器Ua1输出连接的端口值，完成环境参数采样。
故障诊断与报警程序模块的功能主要根据实际检测参数和预先设定的正常运行时的参数进行比较，判别是否发生故障，若超出正常工作允许的范围，则向显示单元送出故障信息，并停止系统工作。例如在空调冷凝器出口压力检测值超出预先设定的允许压力范围时自动报警并自动停止空调系统运行；在启动空调系统运行后，如果在超过预先设定的时间范围，车厢内的温度仍无明显变化时自动报警；在启动新风系统运行后，如果在超过预先设定的时间范围，车厢内的CO2浓度仍无明显变化时自动报警。
所述的温度调节、新风调节、过渡季节程序模块的控制如下所述：
1、温度调节运行：
温度调节程序模块提供温度调节的PI运算。控制程序比较来自车箱内的温度传感器的实测参数值和设定的目标值，在车箱内的温度满足设定允许的范围时，自动关闭公交车空调系统，实现节能运行；在车箱内的温度超出设定允许的范围时时，自动启动公交车空调系统，满足车箱内热舒适性要求。
空调系统的冷凝器风机(多台风机运行于同一状态)具有高速和低速两种运行状态，主控单片机根据冷凝器的压力参数自动选择冷凝器风机电机的转速，实现节能运行。比较冷凝器风机出口压力参数和设定的压力参数，高于或等于设定值，选择高速运行；低于设定值，选择低速运行；超出允许的压力参数，启动故障报警程序。
空调系统的送风(蒸发器)风机(6台风机分3组控制)具有调速功能，主控单片机根据车厢内的实测温度和设定温度的差异，经过PI调节运算处理后，由主控单片机对应的I/O口输出相应的PWM信号，自动调节送风风机的转速，在保证车厢舒适性的前提下，实现节能运行(取代现在的串联电阻分级调速方式)。
上述调节过程在启动空调系统运行后，自动运行，不需要驾驶员手动调节。
2、新风调节运行：
新风调节程序模块提供新风机PWM控制算法和控制输出。新风调节运行以满足车厢空气品质为目标，控制程序比较来自车箱内的CO2浓度实测值与设定的CO2浓度目标值，计算实测的CO2浓度与设定值之间的误差以及误差变化率，按一定的调节算法，由主控单片机对应的I/O口输出相应的PWM信号，控制公交车新风机的转速，向车厢送入适量的新风；即新风调节程序可以根据车箱内CO2变化(相当于车厢人数的变化)改变送入车厢的新风量，使提供的新风量与实际所需要的新风量相一致，在保证车厢内的空气品质的前提下，避免送入的新风量过大，浪费能源，进而实现节能运行。
3、空调与新风系统过渡季节运行：
过渡季节程序模块提供空调与新风系统在过渡季节的控制算法和控制输出。过渡季节运行以节能为控制目标，在启动过渡季节运行模式后，自动启动过渡季节运行算法，充分利用实际检测得到的车箱内、外的温度和设定参数，自动控制空调与新风系统的运行。基本控制原则如下：
控制程序比较来自车箱内的CO2浓度实测值与设定的CO2浓度目标值，比较来自车箱内的温度传感器的实测参数值和设定的目标值，在车厢内温度和车厢内CO2浓度均不超过允许误差时，关闭空调系统、关闭新风系统，减少能源消耗。
在车厢内CO2浓度不满足要求时，无论车厢内温度是否满足要求，自动启动新风系统运行，满足车厢内空气品质要求；新风系统运行控制运算与新风调节方式相同。
在车厢内温度不满足要求时，充分考虑车厢内、外温度的差，如果车厢内温度高于车厢外温度，例如过渡季节室外气温低、车厢内乘员多的情况，只启动新风系统，充分利用自然通风，满足车厢内温度舒适性要求，实现节能运行；如果车厢内温度低于车厢外温度，例如过渡季节室外气温高时，则自动启动空调系统，运行控制运算与温度控制运算相同，此时，新风系统只根据车厢内CO2浓度进行控制，在车厢内乘员少，车厢内CO2浓度满足空气品质要求时，不启动新风运行；在车厢内乘员多，车厢内CO2浓度不满足空气品质要求时，才启动新风运行。
Claims (3)
1、一种公交车空调设备控制器，该控制器包括一以单片机为核心配以外围辅助电路组成的操作与显示单元，其特征是它还包括主控单片机(U1)和以主控单片机(U1)为核心所配置的外围单元电路；所述的操作与显示单元的数据线接主控单片机(U1)的串行输入口和串行输出口上，接受主控单片机(U1)的读/写操作；所述的外围单元电路主要由下列单元电路组成：
一多路PWM输出单元，该单元由多路电子开关(Q01～Q04)组成，其中每一路电子开关的输入端都接在主控单片机(U1)的一I/O口上；
一继电器驱动单元，该单元也是由多路电子开关(U01)和串联在电子开关主回路中的继电器(S1～S6)的线圈组成，其中每一路电子开关(U01)的输入端都接在主控单片机(U1)的一I/O口上；
一多路采样电路或者一多路分时采样处理单元；所述的多路采样电路的每一路均为一串连电阻构成的分压电路，每一路的分压点均与主控单片机(U1)的一具有A/D转换功能的I/O口连接；所述的多路分时采样处理单元由所述的多路采样电路、分时采样控制电路和A/D转换器依次连接组成，其中所述的分时采样控制电路由一多选一模拟开关(Ua2)连接构成，构成该电路的每一模拟开关的信号输入端分别接在多路采样电路的分压点上，控制端分别接在主控单片机(U1)的一I/O口上，所述的A/D转换器的输入端与多选一模拟开关的输出端连接，输出端与主控单片机的一I/O口连接。
2、根据权利要求1所述的一种公交车空调设备控制器，其特征是还包括一随机存储单元，该单元由一片RAM存储器接成I2C总线方式。
3、根据权利要求1或2所述的一种公交车空调设备控制器，其特征是所述的主控单片机(U1)的串行输入口和串行输出口与操作与显示单元之间还设有RS收发器(U4)。
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