汽车单片机应用技术 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 主讲：向楠.

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1 汽车单片机应用技术 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 主讲：向楠

2 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 1.7汽车空调系统机电控制部分构成 汽车空调的功用 汽车空调是装备在汽车上的空调系统.其作用是调节车内的温度、湿度、空气清新度.用以提高车内驾乘人员的舒适性。现代汽车所配置的自动空调系统其功能较为完整，它包括了制冷、采暖、通风与空气沮度调节、空气净化及自动空气调节等功能。

3 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 (1)制冷功能通过制冷系统对车内空气或车外进人车内的新鲜空气进行冷却、除湿，使车内达到“凉爽”的舒适程度。 (2)采暖功能由采暖系统对车内空气或车外进人车内的新鲜空气进行加热、除湿.使车内达到“温暖’的舒适程度。 (3)通风与空气a度调节功能通风系统将车外的新鲜空气引进车内，以达到通风、换气的目的;空气温度调节功能是将冷风、热风、新鲜空气有机地混合.形成适宜

4 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 的气流供给 车内。 (4)空气净化功能通过空气净化装置除去进人车内空气中的尘埃、异味，使车内空气变得清洁，目前普通汽车上所用的空调系统通常不具备空气净化功能，或只是简单的除尘过滋，空气净化功能较为完备的空调系统在一些高级轿车或康华大客车上有较多的应用。

5 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 (5)自动控制功能现代汽车自动空调系统通过空调的电子控制系统可自动实现制冷、采暇和换气的有机组合，向车内提供冷暖适宜、风最与风向适当的空气.即具有自动对车内环境进行全季节、全方位、多功能的最佳控制功能。 1.7.2汽车空调的分类 （1）独立式空调：有专门的动力源（如第二台内燃机）驱动整个空调系统的运

6 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 行。一般用于长途货运、高地板大中巴等车上。独立式空调由于需要两台发动机，燃油消耗高，同时造成较高的成本，并且其维修及维护十分困难，需要十分熟练的发动机维修人员，而且发动机配件不易获得，尤其是进口发动机；另外设计和安装更容易导致系统质量问题的发生，而额外的驱动发动机更增加了发生故障的概率。 （2）非独立式空调：直接利用汽车的行驶动力（发动机）来运转的空调系统。

7 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 非独立式空调由主发动机带动压缩机运转，并由电磁离合器进行控制。接通电源时，离合器断开，压缩机停机，从而调节冷气的供给，达到控制车厢内温度的目的。其优点是结构简单、便于安装布置、噪音小。由于需要消耗主发动机10%-15%的动力，直接影响汽车的加速性能和爬坡能力。同时其制冷量受汽车行驶速度影响，如果汽车停止运行，其空调系统也停止运行。尽管如此，非独立式空调由于其较低的成本（相对独立

8 式空调），已逐渐成为市场的主导产品。 目前，绝大部分轿车、面包车、小巴都使用这种空调。目前非独立式空调。
学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 式空调），已逐渐成为市场的主导产品。 目前，绝大部分轿车、面包车、小巴都使用这种空调。目前非独立式空调。

9 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 1.7.3 汽车空调系统的工作原理 其实汽车空调和我们熟悉的家用空调制冷原理是一样的。可分为四个过程：压缩过程、冷凝过程、膨胀过程、蒸发过程。都是利用R12或是R134a压缩释放的瞬间体积急剧膨胀就要吸收大量热能的原理制冷。工作时从蒸发器出来的低压气态致冷剂流经压缩机变成高压高温气体，经过冷凝器散热管降温冷却变成高压低温的液体，再经过贮液干燥器除湿

10 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 与缓冲然后以较稳定的压力和流量流向膨胀阀，经节流和降压最后流向蒸发器。致冷剂一遇低压环境即蒸发，吸收大量热能。车厢内的空气不断流经蒸发器，车厢内温度也就因此降低。液态致冷剂流经蒸发器后再次变成低压气体，又重新被吸入压缩机进行下一个循环

11 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 1.7.4 汽车空调系统主要组成部分 汽车空调系统由制冷系统、取暖系统、配气系统、控制系统四大部分组成。 1. 制冷系统是由压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、冷凝器、散热风扇、制冷管道组成（如图1-15所示）。 图1-15 制冷系统

12 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 （1）空调压缩机 它是制冷系统的制冷剂循环动力源。压缩机工作时可把制冷剂气体压缩成高压液态，并可持续不断推进制冷剂循环，完成吸热、放热过程。汽车空调压缩机通常由发动机带动，通过空调皮带轮后面的电磁离合器的吸合与打开来控制， 根据工作原理的不同，空调压缩机可以分为定排量压缩机和排量压缩机。 1）定排量压缩机的排气量是随着发动机的转速的提高而成比例的提高，它不能根据制冷的需求而自动改变功率输出，而且对发动机油耗的影响比较大。它的控制一般通过采集蒸发器出风口的温度信号，当温度达到设定的温度，压缩机电磁离合器松开，压缩机停止工作。当温度升高后，电磁离合器结合，压缩机开始工作。定排量压缩机也受空调系统压力的控制，当管路内压力过高时，压缩机停止工作。

13 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 2)变排量压缩机可以根据设定的温度自动调节功率输出。空调控制系统不采集蒸发器出风口的温度信号，而是根据空调管路内压力的变化信号控制压缩机的压缩比来自动调节出风口温度。在制冷的全过程中，压缩机始终是工作的，制冷强度的调节完全依赖装在压缩机内部的压力调节阀来控制。当空调管路内高压端的压力过高时，压力调节阀缩短压缩机内活塞行程以减小压缩比，这样就会降低制冷强度。当高压端压力下降到一定程度，低压端压力上一定程度时，压力调节阀则增大活塞行程以提高制冷强度。 根据工作方式的不同，压缩机一般可以分为往复式和旋转式，常见的往复式压缩机有曲轴连杆式和轴向活塞式，常见的旋转式压缩机有旋转叶片式和涡旋式。 1) 曲柄连杆式压缩机的工作过程可以分为4个，即压缩、排气、膨胀、吸气。曲轴旋转时，通过连杆带动活塞往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面构成的工作容积便会发生周期性变化，从而在制冷系统中起到压缩和输送制冷剂的作用。

14 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 曲轴连杆式压缩机是第1代压缩机，它应用比较广泛，制造技术成熟，结构简单，而且加工材料和加工工艺要求较低，造价比较低。适应性强，能适应广阔的压力范围和制冷量要求，可维修性强。 但是曲轴连杆式压缩机也有一些明显的缺点，例如无法实现较高转速，机器大而重，不容易实现轻量化。排气不连续，气流容易出现波动，而且工作时有较大的振动。 由于曲轴连杆式压缩机的上述特点，已经很少有小排量压缩机采用这种结构形式，曲轴杆式压缩机目前大多应用在客车和卡车的大排量空调系统中。 2）轴向活塞式压缩机可以称为第2代压缩机，常见的有摇板式或斜板式压缩机，这是汽车空调压缩机中的主流产品。 斜板式压缩机的主要部件是主轴和斜板。各气缸以压缩机主轴为中心圆周布置，活塞运动方向与压缩机的主轴平行。大多数斜板式压缩机的活塞被制成双头活塞，例如轴向6缸压缩机，则3缸在压缩机前部，另外3缸在压缩机后部。双头活塞在相对的气缸中一前

15 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 一后的滑动，一端活塞在前缸中压缩制冷剂蒸气时，另一端活塞就在后缸中吸入制冷剂蒸气。各缸均配有高低压气阀，另有一根高压管，用于连接前后高压腔。斜板与压缩机主轴固定在一起，斜板的边缘装合在活塞中部的槽中，活塞槽与斜板边缘通过钢球轴承支承。当主轴旋转时，斜板也随着旋转，斜板边缘推动活塞作轴向往复运动。如果斜板转动一周，前后2个活塞各完成压缩、排气、膨胀、吸气一个循环，相当于2个气缸工作。如果是轴向6缸压缩机，缸体截面上均匀分布３个气缸和3个双头活塞，当主轴旋转一周，相当于6个气缸的作用。 斜板式压缩机比较容易实现小型化和轻量化，而且可以实现高转速工作。它的结构紧凑，效率高，性能可靠，在实现了可变排量控制之后，目前广泛应用于汽车空调。 3）旋转叶片式压缩机的气缸形状有圆形和椭圆形２种。在圆形气缸中，转子的主轴与气缸的圆心有一个偏心距，使转子紧贴在气缸内表面的吸、排气孔之间。在椭圆形气缸中，转子的主轴和椭圆中心重合。

16 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 转子上的叶片将气缸分成几个空间，当主轴带动转子旋转一周时，这些空间的容积不断发生变化，制冷剂蒸气在这些空间内也发生体积和温度上的变化。旋转叶式压缩机没有吸气阀，因为叶片能完成吸入和压缩制冷剂的任务。如果有2个叶片，则主轴旋转一周有２次排气过程。叶片越多，压缩机的排气波动就越小。 作为第3代压缩机，由于旋转叶片式压缩机的体积和重量可以做到很小，易于在狭小的发动机舱内进行布置，加之噪声和振动小以及容积效率高等优点，在汽车空调系统中也得到了一定的应用。但是旋转叶片式压缩机对加工精度要求很高，制造成本较高。 4）涡旋式压缩机可以称为第4代压缩机。涡旋压缩机结构主要分为动静式和双公转式2种。目前动静式应用最为普遍，它的工作部件主要由动涡轮与静涡轮组成，动、静涡轮的结构十分相似，都是由端板和由端板上伸出的渐开线型涡旋齿组成，两者偏心配置且相差180°，静涡轮静止不动，而动涡轮在专门的防转机构的约束下，由曲柄轴带动作偏心回转平动，即无自转，只有公转。

17 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 涡旋式压缩机具有很多优点。例如压缩机体积小、重量轻，驱动动涡轮运动的偏心轴可以高速旋转。因为没有了吸气阀和排气阀，涡旋压缩机运转可靠，而且容易实现变转速运动和变排量技术。多个压缩腔同时工作，相邻压缩腔之间的气体压差小，气体泄漏量少，容积效率高。涡旋式压缩机以其结构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作可靠性等优点，在小型制冷领域获得越来越广泛的应用，也因此成为压缩机技术发展的主要方向之一。 （2）冷凝器 冷凝器是一种散热器，类似于发动机水箱，主要由翅片与排管组成。冷凝器安装在冷却水箱前面，与冷却水箱共用一个冷却风扇，通过流动的空气带走冷凝器中制冷剂的热量。 冷凝器的功能是把由压缩机排出的高温高压制冷剂气体冷凝成液体，把制冷剂在蒸发器中

18 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 吸收的热量（即制冷量）与压缩机耗功率相当的热量之和排入周围环境中。因此，冷凝器 是制冷装置的放热设备，其传热能力将直接影响到整台制冷设备的性能和运行。 （3）蒸发器 空调蒸发器的作用是利用液态低温制冷剂在低压下易蒸发，转变为蒸气并吸收被冷却介质的热量，达到制冷目的。当空调制冷系统开关打开时，空调压缩机开始运行并将制冷剂送到蒸发器，蒸发器被制冷剂冷却，它再冷却来自鼓风机的空气，根据被冷却介质的种类不同，蒸发器可分为两大类： 1)冷却液体载冷剂的蒸发器。用于冷却液体载冷剂——水、盐水或乙二醇水溶液等。这类蒸发器常用的有卧式蒸发器、立管式蒸发器和螺旋管式蒸发器等。 2)冷却空气的蒸发器。这类蒸发器有冷却排管和冷风机。

19 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 （4）汽车空调干燥器 贮液干燥器是保证压缩机和制冷系统正常运行的必要设备。它起着三个方面的作用。 1）贮液作用：贮液是用来贮存和供应制冷系统内的液体制冷剂，以便工况变动时能补偿和调剂液体制冷剂的盈亏。一般说来，空调系统开始工作时的负荷量大，要求制冷剂的循环量也大，当工作一段时间后，负荷将减小下来，这时所需的制冷剂量相应地减少。因此，荷大时，贮液器中的液体制冷剂补充进来，而负荷小时又可将液体制冷剂贮存起来。同时，由于开启式压缩机和橡胶连接软管，总有一定的制冷剂泄漏，贮液器还可弥补系统中制冷剂的微量渗漏。 2）过滤作用：制冷系统中的各个部件在出厂前应进行严格的清洗和干燥，但是在安装管路时，有可能不注意将污物带入，管道中也可能生产污物，如氧化皮之类，制冷剂本身也不那么干净，压缩机运行时的粉末磨屑等等。通过过滤清除掉这些机械杂质和污物。保证制冷剂顺利流通，不致因堵塞影响正常工作。

20 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 3）干燥作用：用来吸收氟里昂中的水分。水分来源于制冷系统干燥不严格，或有空气进入，或制冷剂中溶解的水分。水分的存在有可能造成“水堵”。 在空调制冷系统中，干燥过滤器的作用是吸收制冷系统中的水分，阻挡系统中的杂质使其不能通过，防止制冷系统管路发生冰堵和脏堵。由于系统最容易堵塞的部位是毛细管(或膨胀阀)，因此，干燥过滤器通常安装在冷凝器与毛细管(或膨胀阀)之间。空调器使用的干燥过滤器比电冰箱使用的干燥过滤器粗而短。干燥过滤器简称干燥器，有干燥过滤器和过滤器两种。制冷剂冷凝后贮存在储液罐内，进行干燥吸湿处理，以去除制冷剂中的水分，滤掉杂质，通常这个罐也称作干燥罐。 （5）膨胀阀 膨胀阀用于控制高压液态制冷剂向气态的转变。膨胀阀是制冷系统中的一个重要部件，一般安装于储液筒和蒸发器之间。膨胀阀使中温高压的液体制冷剂通过其节流成为低温低压的湿蒸汽，然后制冷剂在蒸发器中吸收热量达到制冷效果，膨胀阀通过蒸发器末

21 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 端的过热度变化来控制阀门流量，防止出现蒸发器面积利用不足和敲缸现象。 1）膨胀阀的功能： 它主要起着节流降压和调节流量的作用。同时它还有防止湿压缩和液击及异常过热的功能。 2）膨胀阀的组成： 简单说，膨胀阀由阀体、感温包、平衡管三大部分组成。 a.感温包内充注的是处于气液平衡饱和状态的制冷剂，这部分制冷剂与系统内的制冷剂是不相通的。它一般是绑在蒸发器出气管上，与管子紧密接触以感受蒸发器出口的过热蒸气温度，由于它内部的制冷剂是饱和的，所以就根据温度传递温度下饱和状态的压力给阀体。 b.平衡管的一端接在蒸发器出口稍远离感温包的位置上，通过毛细管直接与阀体连接。作用是传递蒸发器出口的实际压力给阀体。阀体内有二膜片，膜片在压力作用下向上移动使通过膨胀阀的制冷剂流量减小，在动态中寻求平衡。

22 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 c.质量的判断，理想的膨胀阀工作状态应该是随着蒸发器荷的变化，实时改变开度，控制流量。但实际上，由于感温包感受的温度在热传递上存在迟滞，造成膨胀阀的反应总是慢半拍。假如我们描绘一幅膨胀阀的时间流量图，我们会发现它并不是圆滑的曲线，而是波折线。膨 胀阀的好坏反映在波折的幅度上，幅度越大说明该阀反应越慢，质量越差。 3）膨胀阀的分类： a.从平衡方式来看，膨胀阀可以分为内平衡式和外平衡式两种。 内平衡式的平衡压力在蒸发器入口处取，外平衡式的则在蒸发器的出口处取平衡压力。内平衡式膨胀阀一般用在家用空调上，汽车空调的冷量一般比较大，制冷剂在蒸发器里的压力损失也较大，因此只用外平衡式的。 b.从过热度的调节结构来看，膨胀阀分为内调式和外调式的。 内调式只能在空调系统安装之前调整，它的优点是尺寸较小，结构紧凑，适合于批量的定型产品。外调式的可在空调系统上根据情

23 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 况随时调节，具有很大的灵活性，但零件的增加使得尺寸和重量都要大些。 4)膨胀阀的特点： a、膨胀阀采用结构先进的双流向平衡流口。 b、膨胀阀由于使用了双流向热力膨胀阀，使制冷系统省膨胀阀、逆止阀和电磁阀的数量。 c、膨胀阀双向的平衡流口，使静止过热度随着冷凝压力或通过阀口压降的变化而变化。 d、膨胀阀具有稳定的过热度，使系统运行稳定。 e、膨胀阀适用制冷，空调等各种工作需要。 f、膨胀阀蒸发温度范围：-40℃至+ 10℃。 g、膨胀阀适用于R12、R22、R134a等介质。

24 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 2.暖风系统 取暖系统是由加热器、水阀、水管、发动机冷却液组成（如图1-16所示）。 图1-16 暖风系统

25 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 汽车暖风系统主要分为两种：一种是以发动机冷却液为热源（目前绝大多数车辆使用）， 另外一种是以燃料为热源（少数中高档轿车采用）前者因其使用成本低廉取暖效率较高， 深受广大汽车厂商青睐，因此虽然目前的汽车技术较之过去已经发生了翻天覆地的变化，但这种传统的取暖技术依然如日中天。该系统由暖风小水箱、鼓风机、操控装置及风道组成。系统的工作原理是：当发动机冷却液温度较高时，冷却液流过暖风系统中的热交换器（一般称为暖风小水箱），将鼓风机送来的空气与发动机冷液进行热交换，空气加热后被鼓风机过 各出风口送入车内。这种系统装置简单而供热可靠，不另需燃料，只要发动机工作，便可产生热水。但也有其明显的缺点，即必须在发动机冷却液温度上升到大循环时才能供暖。

26 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 3.通风系统 通风系统的作用是向车内提供温度适宜的干净空气，主要循环空气风门、鼓风机、中央风门、除霜/下出风风门、风道、各个出风口等 4.操纵控制系统 空调操控系统的功用是对制冷和加热系统进行控制，调节车内的空气温度、风量、流向、确保空调系统正常工作，一般由操控开关、机械传动、电气系统组成。 5.电气控制系统 电气控制系统是由：传感器、控制器、执行器三部分组成。 传感器包括车外温度传感器、阳光传感器、空气质量传感器、车内温度传感器、蒸发器温度传感器、水温传感器、烟雾传感器；空调控制器包括采用IC（集成电路）、空调器ECU。

27 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 （1）车外温度传感器 车外温度传感器也称环境温度传感器、外界空气温度传感器、大气温度传感器。是负热敏电阻，一般安装在前保险杠内或水箱之前，如图1-17所示。 图1-17 车外温度传感器的位置

28 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 车外温度传感器的作用 其作用如下。 ◆确定混合门的位置，从而决定了出风口的空气温度。 ◆确定鼓风机的转速，从而决定了车内的空气温度。 ◆确定进气门的位置，从而影响到车内的空气温度与新鲜度。 ◆确定模式门的位置。 ◆控制压缩机。 （2）阳光传感器 ①阳光传感器的作用 阳光传感器测量阳光的强弱，来修正混合门的位置与鼓风机的转速，如图1-18所示。 ②阳光传感器的安装位置 一般阳光传感器都是安装在仪表台的上面，靠近前挡风玻璃的底部。

29 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 ③阳光传感器的特性 阳光传感器的是光敏电阻，阳光越强，电阻越小；阳光越弱，电阻越大。 图1-18 阳光传感器的安装位置

30 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 （3）空气质量传感器 空气质量传感器（exhaust gas sensor）也称多功能传感器（multifunction sensor）。其主要是测量空气中的水份（空气湿度）、环境温度、外界空气污染程度（通过测量空气中的CO、CO2、NOX含量），空调电脑采用以上的测量结果，去控制压缩机的工作负荷与进气的位置，如图1-19所示。 图1-19 空气质量传感器的位置

31 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 ①控制进气门位置（车内空气质量控制） 控制条件： 环境温度大于7℃。 空调面板的指示灯点亮。 控制结果： 要是空气质量传感器测量出的外界空气质量比车内平均空气质量（估算）差，空调电脑就依此控制进气门处于100％内循环位置。 要是空气质量传感器测量出的外界空气质量比车内平均空气质量（估算）好，空调电脑就依此控制进气门处于外循环位置。 ②控制压缩机功能（车内空气湿度控制） 环境空气湿度高： 要是环境空气湿度高，空调压缩机处于满负载状态，也就是使蒸发器表面温度处于最冷（大约2℃）。由于空气流过蒸发器而被干燥（除湿）程度最好，若出风口温度过低，可使干燥后的空气通过热水芯加热来调节。

32 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 （4）车内温度传感器 车内温度传感器也称室内温度传感器，车内气温传感器。按强制导向型气流方式不同，可划分两种： a. 吸气器型车内温度传感器。（如图1-20所示） b. 电机型车内温度传感器。（如图1-21所示 图1-20 图1-21

33 学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 ①车内温度传感器的作用
学习情景1： 汽车空调系统的单片机控制 ①车内温度传感器的作用 　　车内温度传感器是自动空调的重要传感器之一。它能影响到出风口空气的温度，出风口风量，模式门的位置，进气门的位置。 　　a. 确定混合门的位置，从而决定了出风口的空气温度。 　　b. 确定鼓风机的转速，从而决定了车内的空气温度。 　　c. 确定进气门的位置，从而影响到车内的空气温度与空气的新鲜度。 　　d. 确定模式门的位置。 （5）蒸发器温度传感器 ①作用 　　蒸发器传感器如图1-22所示。 　　◆测量蒸发器表面温度，修正混合门位置。 图1-22 蒸发器温度传感器 ◆测量蒸发器表面温度，控制压缩机，在蒸发器表面温度低于0℃时，使压缩机不工作，防止蒸发器表面结霜。