基于MC9S12HY64 的汽車雙溫區(qū)空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹以飛思卡爾S12 系列的16 位微處理器MC9S12HY64 為核心的雙溫區(qū)自動空調(diào)控制系統(tǒng)，包括控制裝置介紹、硬件電路設(shè)計(jì)、芯片選型和PCB 設(shè)計(jì)等。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制、LCD 顯示、傳感器采樣等功能。

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，汽車的各項(xiàng)配置向著個(gè)性化、娛樂化、安全化等方向發(fā)展。汽車空調(diào)裝置已成為衡量汽車功能是否齊全的標(biāo)志之一，是比較重要的設(shè)備。目前汽車空調(diào)控制系統(tǒng)多為單溫區(qū)系統(tǒng)，但由于車內(nèi)各乘坐位置的溫度場分布不一致，而且不同乘員對溫度也許有不同的需要，單溫區(qū)控制系統(tǒng)難以滿足乘員的個(gè)性化需求。

　　針對單溫區(qū)控制系統(tǒng)存在的缺陷，可以設(shè)計(jì)一種雙溫區(qū)自動控制系統(tǒng)，滿足人們對環(huán)境舒適度的不同需求。而本文將介紹的雙溫區(qū)自動空調(diào)系統(tǒng)，則擁有兩個(gè)溫區(qū)，在前排空間左右兩側(cè)的溫區(qū)可各自獨(dú)立對吹風(fēng)溫度、風(fēng)量和出風(fēng)模式進(jìn)行控制。成員可根據(jù)自己的認(rèn)為的環(huán)境舒適度進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到滿足個(gè)性化得需求。

　　1 芯片選擇及部分硬件電路設(shè)計(jì)

　　1.1 雙溫區(qū)空調(diào)控制系統(tǒng)硬件框圖

　　1.2 主控芯片 MC9S12HY64

　　MC9S12HY64 控制器集16 位的性能和許多專用的性能于一身，如HVAC 顯示、電機(jī)控制、LCD 驅(qū)動、車身控制等，同時(shí)具有CAN/LIN 通信功能，非常適合新興汽車市場經(jīng)濟(jì)高效儀表板的應(yīng)用。芯片資源和特性如下：

　　1）32MHz 總線頻率的HCS12 內(nèi)核

　　2）帶有64KB 片內(nèi)閃存、4KB 數(shù)據(jù)閃存、4KB 片內(nèi)SRAM

　　3）帶有4 個(gè)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)控制器

　　4）LCD 驅(qū)動，最多可配置40×4 段

　　5）8 通道、10 位分辨率逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器MC9S12HY64

　　6）2 個(gè)16 位定時(shí)器，可提供16 位輸入捕獲輸出比較等功能

　　7）MSCAN 模塊，支持CAN 協(xié)議2.0A/B ;SPI、SCI、IIC 模塊。

　　1.3 電源芯片UJA1076

　　電源芯片選用恩智浦半導(dǎo)體推出其第二代車載網(wǎng)絡(luò)CAN 核的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片UJA1076 產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了性能、功耗以及電子控制單元（ECU）成本的優(yōu)化，廣泛應(yīng)用于車載控制器中。UJA1076 支持車載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)應(yīng)用，這些應(yīng)用通過使用高速CAN 作為主網(wǎng)絡(luò)接口來控制電源和傳感器設(shè)備。

　　1）它集成有高速CAN 收發(fā)器，所以在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)不需要外接 CAN 芯片，節(jié)約成本；SPLIT 輸出管腳用來穩(wěn)定隱性總線電平；

　　2）可編程看門狗，帶有獨(dú)立的時(shí)鐘源；

　　3）串行外設(shè)接口SPI,用來與微控制器通信；

　　4）可輸出3.3V 和5V 兩種電壓，滿足系統(tǒng)的供電要求；

　　5）器件帶有喚醒源檢測，可通過CAN、LIN 總線或本地喚醒管腳來喚醒，2 個(gè)喚醒管腳WAKE1 和WAKE2 ;

　　6）芯片的LIMP 引腳，具有跛行回家輸出的功能。

　　1.4 雙溫區(qū)空調(diào)控制系統(tǒng)介紹

　　本文所設(shè)計(jì)的雙溫區(qū)空調(diào)控制系統(tǒng)裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該雙溫區(qū)空調(diào)自動控制器，由以下幾部分組成：雙溫區(qū)空調(diào)控制器、電源、鼓風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊、模式電機(jī)、左右區(qū)風(fēng)門執(zhí)行器、內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門、溫度傳感器、陽光傳感器、CAN 總線等構(gòu)成。

主控制器MC9S12HY64 根據(jù)車內(nèi)外環(huán)境溫度、太陽照射強(qiáng)大和人工設(shè)定要求，有傳感器采集溫度、光照等與主駕、副駕的設(shè)定溫度進(jìn)行對比分析，通過FUZZY 控制算法 給出相應(yīng)的控制值，綜合控制鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速、左右風(fēng)門開度、模式以及內(nèi)外循環(huán)等，使它們協(xié)調(diào)工作，共同完成對車內(nèi)溫度的控制作用。

　　下面以溫度翻板控制為例，對其控制算法進(jìn)行簡要描述：

　　1）左右車內(nèi)溫度T_in_r/l 由控制器內(nèi)置溫度T_in 和當(dāng)前出風(fēng)左右出風(fēng)口溫度T_blow_r/l 計(jì)算得出；

　　2）出風(fēng)口的所需溫度T_blow_value_r/l 由算法公式根據(jù)左右設(shè)置溫度T_set_r/l、 室外溫度T_amb 、車內(nèi)溫度T_in_r/l 計(jì)算得出，T_blow_value_r/l 同時(shí)受光輻射強(qiáng)度V_Lux_r/l以及舒適度溫度點(diǎn)T_comf ;

　　3）根據(jù)T_blow_value_r/l 對應(yīng)出溫度翻板的邏輯位置值L_sys_valu.

　　2 PCB 布線設(shè)計(jì)

　　在PCB 布線時(shí)之前先在AUTOCAD 中繪制出空調(diào)控制器的外觀圖，以及按鍵、LCD 和LED 燈、接插件在板子上的固定位置。

　　繪制完成之后保存為。dxf 格式，導(dǎo)入到PCB 中作為禁止布線層（Keep-Out Layer）。對于有些要加上logo 的電路板，可以采用這兩種方法：一：在AUTOCAD 中將logo 繪制出來，在導(dǎo)入到PCB 板子中；二：將logo 作為一個(gè)元件，先在器件庫中將其繪制出來，在將其作為一個(gè)元件導(dǎo)入到PCB 板中。

　　對于電路板的板層設(shè)置，則要根據(jù)板子的要求和經(jīng)濟(jì)型綜合考慮。對于此雙溫區(qū)空調(diào)的電路板采用兩層布板即可滿足要求，這里采用兩層布板。

　　布線注意事項(xiàng)

　　1）首先擺放固定器件如按鍵、LCD 和LED 燈、接插件等并用Locked 功能將其鎖住，以免在布線時(shí)將其移動。

　　2）對于其他器件則按電路模塊進(jìn)行布局，實(shí)現(xiàn)同一功能的相關(guān)電路稱為一個(gè)模塊，電路模塊中的元件應(yīng)采用就近集中原則，分布于主控芯片MC9S12HY64 的周圍。

　　3）貼片焊盤上不能有通孔，以免焊膏流失造成元件虛焊。

　　4）電源芯片UJA1076 和電機(jī)驅(qū)動芯片ULQ2003A 均屬于發(fā)熱芯片，在PCB 布局是應(yīng)盡量分布在板子的邊緣，并且在中心大GND 焊盤上加過孔，便于芯片的扇熱。

　　5）電源與GND 之間加的電容應(yīng)分布于該電源的周圍。

　　6）在板子的邊緣放置一些多余的接地過孔。