基于CAN总线的车内恒温与测控系统

一．概述

1.目前国内外车内仪表发展情况

国内外车内仪表发展十分迅速，车内仪表形式各种各样，功能十分庞大。系统控制向自动微调智能化方向发展。基于这方面的市场需求，汽车改装市场出现了一种全新的汽车改装部件——室内恒温空调系统。目前，美国，欧洲，日本等汽车工业发达国家的汽车公司已经相继开发出各自的自动空调系统。我国轿车保有量己经超过1200万辆，轿车年产量约110万辆，轿车空调市场有着广阔前景。而现在进口轿车空调控制器的价格较高，而实际的生产成本较低，随着人民生活水平的提高和轿车工业的发展，全自动控制的空调轿车由于具有较好的舒适性和节能性以及方便驾驶员操作等优点将会越来越受到人们喜爱，因而我们必须不失时机地抓住这个机遇，自主开发研制先进的轿车空调控制系统，不仅会产生巨大的经济效益，而且对我国的经济建设，轿车工业的发展都具有促进作用. 国内汽车空调生产企业如何利用电子技术提升传统空调产品的技术含量走上专业化、规模化经营之路，将成为我国未来几年汽车空调业迫切需要解决的问题。

2.开发的内容

随着汽车电子技术的不断发展，汽车上各种电子控制单元的数目不断增加，连接导线显著增加，因而提高控制单元间通讯可靠性和降低导线成本已成为迫切需要解决的问题。本次设计利用新型集成温度传感器件AD590结合NE555时基电路，设计了一个可调温度控制器，实现了温度调节方便、温控范围准确、仪表运行安全可靠的目的。

二．CAN现场总线介绍

1989年，Intel公司率先开发出CAN-BUS协议控制器芯片，到目前为止，世界上已经拥有20多家CAN-BUS控制器芯片生产商，110多种CAN-BUS协议控制器芯片和集成CAN-BUS协议控制器的微处理器芯片。我国的汽车CAN-BUS技术起步较晚，但随着现代汽车电子的不断进步发展，其研究和应用正如火如荼的进行中。CAN-BUS是一种串行多主站控制器局域网总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN-BUS的通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps/40m，通信距离可达10km/40Kbps。由于其通信速率高，可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工具电气系统中。CAN 总线具有着强大的生命力, 作为刚刚在国内兴起的新型技术手段, 我们期盼随着现代科技的发展, 它将以其独到之处, 成为现场测控网络, 甚至更广范围内控制网络的明智选择。

三．设计的目标

本次设计利用新型集成温度传感器件AD590结合NE555时基电路，设计了一个可调温度控制器，实现了温度调节方便、温控范围准确、仪表运行安全可靠的目的。设计过程通过测量控制仪表的数据，通过智能仪器的分析与处理，可实现自动调温，是车内的温度维持在人体舒适的范围之内。用程序分析, 确定智能温度变送器数据结构的具体数值, 并把该数据结构中的参数通过CAN 总线送到智能温度变送器中。该智能温度变送器用高精度电子电位差计和标准电阻箱进行标定, 本次设计的转换精度达0.12% , 在计算机测控网络中应用, 具有很高的性能价格比。鉴于车内仪表发展的状况，该功能的实现的市场前景十分广阔。

四．硬件设计

1.AD590用于半导体致冷器的温度控制

本文只用了一个温度传感元件即线性度极好的AD590。AD590是热敏电流源两端集成电路。由于芯片内部采用温敏三极管作为感温器件，并辅以差分对管等线性化技术，因而其输出电流大小与温度成线性比例关系，基本特性为温度每升高1摄氏度，输出电流就增大1微安。因温度变化引起AD590的电流变化，该电流流经R1、RP2与R2产生的电压降也随之变化，即NE555的26脚电位V2、V6的大小与温度有关。RP1为温度调节电位器，其滑臂电位V5决定了NE555的触发电位。RP2为温差调节电位器，通过调节RP1与RP2，使NE555的V5、V6、V2之间满足一定关系，V3输出电平即可按设计要求发生改变，使继电器JQX－4得以吸合或释放，从而启闭致冷器工作电源，使其温度保持在预定的范围内，实现自动温控。按图中各元件数值，致冷器温度可在－10℃至55℃内调整，温差值可为2至7℃（RP1向上调温度升高，RP2向上调温差增大）。AD590一般为TO－52型封装，其外形与管脚排列如同常见的3DG6，三只脚依次为正极、负极、接地或悬空。安装时，先在致冷器的储冷器金属块上钻一直径5mm、深6mm的小孔，并灌入少量导热脂，再将AD590管帽塞入并固定即可。如用该温控器替代普通压缩式冰箱中的感温管式温控器，可有效地减少因环境温度的变化而引起冷冻冷藏温度的波动。此时，只需注意选择好AD590的安装位置就行了。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。 AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成电路温度传感器。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。[性能特点]：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。 3、AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 4、输出电阻为710MW。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

2.温度信号采集电路

采用AD590作为车厢内部的温度传感器，AD59O及其接口电路把温度转换成模拟电压，再经由ADC0809转换成数字信号，如（图5一2）所示。AD59O集成温度传感器的测温范围在一55~+l50℃之间，温度系数为1Au/℃，并具有相当于绝对零度时输出电量为零的特性。该传感器属于电流型，其输入量为温度，输出则为电流，体积很小，且具有互换性好、线性度好、信号可长线传输、抗电压干扰能力强、长期稳定性高、配用电路简单等优点，因而已成为工业应用中测温范围在一55~+150℃的首选温度传感器。另外，AD590是绝对温度与电流的转换器件，只适用于直流电源工作，不需要进行线性补偿，接口也很简单。其基本工作原理是利用电路能产生一个与绝对温度成正比的电流输出，实现温度一电流的转换。有关AD59O的测温电路在参考文献中都有介绍。当温度变化时，AD59O会产生变化的电流，

而且AD590的输出是与绝对温度(K)成正比的，其在0℃时输出电流为273.7uA，为了使AD590的输出与摄氏温度(℃)成比例关系，作如下处理。经OPAI将电流转换成电压，再由OPAZ做零位调整，最后由OPA3反向放大10倍。第一个步骤:先调AD59O的可变电阻器VRI。如以0℃为参考值，则应使电压输出为2.73V;第二个步骤:调整VRZ，使0℃时OPAZ的输出为2.73一2.73二OV(反相，零位调整);第三个步骤:调VR3，使此时的OPA3放大10倍。

3. 利用带CAN 控制器的高性能位单片机80592

测温元件输入的带现场总线接口的新型智能温度变送器并对该变送器的软硬件组成和使用带CAN 总线的智能温度变送器的研制，现场总线是安装在生产现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线, 它的最大优点是可以大幅度节约连接导线、降低安装和维护的费用; 具有精度高、能传送多个过程变量, 包括仪表的自诊断信息等 。因此用现场总线仪表代替模拟信号传送的过程仪表是一种发展趋势 。本文应用PH IL IP 公司生产的带CAN 总线通信控制器的高性能8 位单片机80C592, 研制了一种用于分布式计算机控制网络的新型智能温度变送器。

4.硬件组成

如（图2-1） 所示, 智能温度变送器由测量通道、控制电路、80C592 应用系统以及CAN 总线接口电路等组成。测量通道由输入电路(U 1～ U5: 8 选1 多路开关CD4051)、2 个3mA 的恒流源( I0, I1)、程控仪用放大器(U 10 和U 11, 分别为CD4051 和仪用运放AD620) 和12 位串行输出的A .D 转换器(U 16: MA X187) 组成。CAN 总线接口电路由80C592 内部的CAN 控制器、CAN 总线驱动器80C250 组成, 阻抗匹配电阻和通信总线(一对双绞线) 组成。根据80C250 的驱动特性, 通信总线上最多可

挂接110 个节点。输入端开路和短路的故障判别是借助于1 个10M 8 的上拉电阻R0 来实现的。输入端接有热电偶或热电阻, 当正常工作时, 由于R0 的阻值很大, 对测量电路几乎没有影响; 当输入断开时, 测量结果为5V; 而当输入短路时, 则测量结果为电路的零漂值, 这样可以区分出2 种故障状态。

五．软件设计

5.0设计的思想

热电偶的自由端补偿由半导体测温元件AD 590 测量自由端的温度, 80592 自动检索分度表得到自由端补偿电势因此热电偶在使用时仍需要补偿导线但不需要自由端补偿器热电阻则采用三在使用该温度变送器前需要在上位机进8 项, 3 制码的初值和分度表首地址由上位机确定控制码线制接法。行设置填写一张数据表格确定个输入端连接测温元件的型号和量程。表格共有每一项都由其计算而得到。温度变送器通过采样、测量程序测量程序的主要功能是通过对输入点的数据结构进行操作, 完成信号采样和温度值的计算。数据通过CAN 总线送到智能温度变送器中。该智能温度变送器用高精度电子电位差计和标准电阻箱进行标定, 转换精度达0.12% , 在计算机测控网络中应用, 具有很高的性能价格比。需要在测量过程中使用的A/D转换器的位数为12位。随后需要选择与此匹配的单片机。

5.1本次设计的程序流程图(图3-1)

5.2 结束语

通过介绍AD590芯片实现可编程放大的A/D转换，用C51作为编程语言来控制AD590

芯片的工作过程，使用三线RTD作为温度传感器，用AT89C52作为测量控制核心，可使整个电路简单、实用，该温度信号采集电路部分在二路温度测量的发热量上得到很好的应用，也可应用于其他测温场合上，如果辅助控制电路可实现较为精确的温度控制。实际的模拟.数字混合系统都是不满足或不完全满足取样定理的条件的, 频率混迭是不可免的。因此,D FT (FFT) 分析必然存在误差。对于K 次谐波X (K ), 不是所有高次谐波都对它有影响, 仅N -K , N + K , 2N -K , 2N + K . 次谐波对它有影响。其中主要的是N -K 和N + K 两项。根据实际需要, 甚至可只考虑N -K 项。

六．本次设计总结

1．设计感想

本次设计的系统，会有很广阔的市场前景，作为一名学生，通过这次设计学到了许多知识。本次设计方案在车内温度的测量与控制方面的精度还不够，技术方面存在着缺陷。要把该系统设计为智能型恒温控制系统需要作进一步的研究。研究在主机上利用VB开发智能温控系统的模拟测试平台，并通过串口通讯的方式与智能温控器进行数据交换，模拟在智能温控系统控制下的车厢温度变化情况，以测试智能温控器的实际工作性能是否达到预期的设计要求。当然本次设计会有一些缺陷，比如测量精度达不到，测量后该怎样控制，如何实现智能控制都是需要进一步考虑的。

2.设计展望与思考

（2.0）对轿车空调智能温控系统的控制策略研究

PID控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。然而PID控制往往需要在了解受控系统的函数特性才能得到有效的控制，对于那些很复杂，非线性的系统它需要花太多时间进行拟合。

而近年来日益流行的模糊控制，其作为其中一种最广泛应用的智能控制技术，具有鲁棒性好，不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适于具有大滞后和非线性时变系统等优点，但容易因控制规则的粗糙而引起稳态误差。所以，对于空调车厢采用单纯的模糊控制方法也很难达到满意的结果。本文提出将复合Fuzz--yPID控制这一新型的智能控制方法，应用到全合一空气混合型的轿车空调系统的温度自动控制中。把模糊控制与PID控制两者结合起来后，能扬长避短，既具有模糊控制的灵活、响应速度快和适应性强的优点，又具有PID控制精度高，克服稳态误差能力强的特点。其主要思想是:设计一种模糊控制器，当系统处于过渡过程时采用模糊控制:进入稳态过程后，如有稳态误差则切换到PID控制。这样，当滞后和参数变化比较大及有干扰时，复合Fuzzy一PID控制方法仍能取得较好的控制效果。

(2.1)轿车空调智能温控系统的模糊控制

自动控制包括传统的控制技术和智能控制技术，智能控制是控制理论发展的高级阶段。由于人体舒适感的模糊性和轿车空调系统的复杂性，人们难于建立关于轿车空调自动控制的控制目标和控制对象精确的数学模型。这样，以精确数学模型为必要条件的传统控制理论应用于轿车空调系统存在许多不能解决的问题。轿车空调智能温控系统的控制策略研究制作为一种最广泛应用智能的控制技术之一，具有不需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适于具有大滞后和非线性时变系统等优点而被人们广泛关注。

(2.2)模糊控制理论基础

模糊控制系统基本原理在实际生产过程中，有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或被控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好地完成控制过程。这里人的经验可以用一系列的具有模糊性的语言来表达，这就是模糊条件语句。再用模糊推理对系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制决策，这就是模糊控制。

 

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