基于MSP430單片機(jī)的冷媒中心控制系統(tǒng)的研制

1 引言

制冷系統(tǒng)已成為的現(xiàn)代汽車重要配置，制冷系統(tǒng)內(nèi)的冷媒量和冷媒純度都是影響制冷效果的關(guān)鍵因素，需要按期進(jìn)行系統(tǒng)檢測和冷媒更換。冷媒的更換過程分為冷媒回收、抽真空、注冷凍油和冷媒加注四個(gè)步驟。目前我國的汽車制冷系統(tǒng)的維修和維護(hù)的手段，大多仍是人工操作，其工作過程繁雜，效率低下，常因操作不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)損傷。

作者完成的汽車制冷系統(tǒng)維護(hù)的自動(dòng)化設(shè)備研制，有效地提高了維修效率和維護(hù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了汽車制冷系統(tǒng)冷媒更換的全自動(dòng)操作，使用簡便，界面友好。

全自動(dòng)冷媒加注控制系統(tǒng)采用16位單片機(jī)MSP430F149為核心控制器，采用了ATERA公司新型CPLD器件EPF10K10A，并實(shí)現(xiàn)了外存數(shù)據(jù)加密，整機(jī)功能完備、可靠性高。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制流程

全自動(dòng)冷媒加注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由嵌入式控制系統(tǒng)、電子秤、真空泵、壓縮機(jī)、多個(gè)狀態(tài)檢測傳感器、執(zhí)行開關(guān)和電磁閥等組成。如圖1所示。

             圖1 冷媒加注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

冷媒加注系統(tǒng)自動(dòng)控制的工作流程有：車輛信息輸入、加注信息查詢、冷媒識(shí)別和回收、抽真空、加冷凍油、加冷媒及結(jié)果打印八項(xiàng)內(nèi)容，如圖2所示。

（1）車輛信息輸入

在將被檢修車輛的冷媒管道同冷媒加注系統(tǒng)正確連接之后，操作員通過操作面板鍵盤輸入車輛的生產(chǎn)廠家、車輛型號(hào)和年月信息等參數(shù)。

（2）加注信息查詢

控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的車輛信息，在車輛加注信息數(shù)據(jù)庫中查找對應(yīng)該車的冷媒類型、冷凍油加注量、冷媒加注量及其它控制參數(shù)。

（3）冷媒識(shí)別

發(fā)控制信號(hào)啟動(dòng)冷媒分析儀，冷媒分析儀提取車輛冷媒試樣進(jìn)行類型分析，識(shí)別結(jié)果提交控制系統(tǒng)。要求冷媒加注系統(tǒng)儲(chǔ)存罐內(nèi)與被加注車輛的冷媒類型相同，否則系統(tǒng)給出報(bào)警提示，調(diào)換與之相同類型的冷媒儲(chǔ)罐后，繼續(xù)下一步工作。

（4）冷媒回收

控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，依靠車輛冷媒管路內(nèi)自身的壓力進(jìn)行冷媒回收，回收的冷媒經(jīng)凈化處理后，導(dǎo)入冷媒儲(chǔ)罐。

（5）抽真空

回收壓力平衡后，控制打開真空泵，抽取車輛冷媒管路中殘余的冷媒氣體，直至接近零壓。關(guān)閉真空泵，真空傳感器監(jiān)測車輛冷媒儲(chǔ)存室壓力。以確定的時(shí)間內(nèi)壓力值得變化，檢測冷媒管路是否存在泄漏。若無泄漏，進(jìn)入下一步工作，否則需先對冷媒管路進(jìn)行維修，確保冷媒管路密封良好。

（6）加冷凍油

按照控制流程，向車輛制冷系統(tǒng)加入對應(yīng)該車的定量冷凍油。

（7）冷媒加注

向車輛加入相應(yīng)量的同類型冷媒。

（8）打印加注結(jié)果

系統(tǒng)配置的微型打印機(jī)打印本次"加注工作"的有關(guān)項(xiàng)目和參數(shù)，提交用戶和存檔。至此，完成冷媒加注的全過程。

依據(jù)上述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程，全自動(dòng)汽車?yán)涿郊幼⒖刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究和解決了四個(gè)問題：第一，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠和較強(qiáng)的抗干擾能力；第二，人機(jī)接口設(shè)計(jì)友好、直觀和操作方便；第三，實(shí)現(xiàn)嵌入式車輛冷媒加注信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；第四，研制高精度電子秤，保證冷媒重量的精確計(jì)量，實(shí)現(xiàn)冷媒加注量的準(zhǔn)確控制。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷媒加注系統(tǒng)屬于"汽保"設(shè)備，工作環(huán)境比較惡劣，電磁干擾較大。本著穩(wěn)定可靠、線路簡單，同時(shí)要求功能完備、技術(shù)新穎的設(shè)計(jì)目標(biāo)，全自動(dòng)汽車?yán)涿郊幼⒖刂葡到y(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

主要組成部件有：MSP430F149單片機(jī)、復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）、壓力傳感器及其調(diào)理電路、串行接口的液晶顯示器和冷媒分析儀、鍵盤、微型打印機(jī)、開關(guān)量輸入輸出控制、并口E2PROM等組成。

（1） MSP430F149單片機(jī)

MSP430F149是全自動(dòng)汽車?yán)涿郊幼⑾到y(tǒng)的控制中心，完成傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果處理，開關(guān)量信號(hào)的檢測，鍵盤的識(shí)別，USART0和USART1兩個(gè)串口通信的管理,與CPLD器件的通信與控制。德州儀器（TI）公司的MSP430F149單片機(jī)是 FLASH類型單片機(jī)，內(nèi)置60KB+256字節(jié)FLASH，2KB RAM。冷媒加注系統(tǒng)采用液晶顯示界面，程序中含有大量的界面和菜單、動(dòng)畫數(shù)據(jù)，MSP430F149中60KB的FLASH ROM滿足系統(tǒng)程序?qū)Υ鎯?chǔ)空間的需求；2KB的內(nèi)部RAM保證了數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等臨時(shí)數(shù)據(jù)和大量的系統(tǒng)全局變量需求；豐富的I/O資源實(shí)現(xiàn)了鍵盤的擴(kuò)充和開關(guān)量信號(hào)的輸入檢測，以及CPLD器件的通信和控制。

（2） CPLD器件擴(kuò)展

單片機(jī)通過CPLD器件外接了存儲(chǔ)器X28C512，8路固態(tài)繼電器和微型打印機(jī)。其中X28C512 為64K并口E2PROM，用來保存車輛加注信息數(shù)據(jù)庫。8路固態(tài)繼電器發(fā)出驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，控制各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。CPLD器件選用ALTERA公司的 EPF10K10A，解決了3V工作的單片機(jī)和5V工作器件的接口問題；EPF10K10A的端口驅(qū)動(dòng)能力滿足了固態(tài)繼電器對驅(qū)動(dòng)電流的要求；實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)口線的擴(kuò)展，精簡了電路；EPF10K10A內(nèi)部含有6144 Bits RAM，可實(shí)現(xiàn)加注信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)加密。

（3） 壓力傳感器及其調(diào)理電路

冷媒加注系統(tǒng)采用應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)電子秤功能。傳感器檢測平臺(tái)上冷媒罐及其內(nèi)部冷媒的重量，據(jù)此控制冷媒加注過程的進(jìn)行，由下式表示：

Q ＝ (q1＋q0) － (q2+q0)

式中：Q 已加注冷媒量，q0 冷媒罐重量，q1 加注前冷媒重量，q2 當(dāng)前冷媒重量。

傳感器輸出毫伏級(jí)應(yīng)變信號(hào)，經(jīng)過放大、調(diào)零、濾波等調(diào)理后，送至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ICL7135進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號(hào)送單片機(jī)，完成壓力信號(hào)的檢測。單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果的值域范圍，進(jìn)行查表，實(shí)現(xiàn)分段線性化，將傳感器信號(hào)同冷媒重量對應(yīng)。冷媒加注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的電子秤量程為0～50千克，精度為 10克。

（4） 串口通信

MSP430F149單片機(jī)有USART0和USART1兩個(gè)串行通信口，冷媒加注系統(tǒng)外接了三個(gè)串口通信設(shè)備，串行接口的智能型LCD、冷媒分析儀和上位計(jì)算機(jī)。其中冷媒分析儀和上位機(jī)復(fù)用USART1通信口。RS232接口芯片選用了3V-5V兼容的MAX3232。

（5） 鍵盤和開關(guān)量檢測

利用MSP430F149的P1、P2口實(shí)現(xiàn)。P1 、P2口具有中斷功能，能夠?qū)崟r(shí)的捕捉觸發(fā)事件。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全自動(dòng)汽車?yán)涿郊幼⒖刂葡到y(tǒng)軟件包括監(jiān)控程序、中斷程序以及數(shù)據(jù)處理程序等。監(jiān)控程序的主要作用是及時(shí)的響應(yīng)用戶的服務(wù)請求，有效地管理設(shè)備自身的軟硬件及人機(jī)一體化聯(lián)系設(shè)備，并在系統(tǒng)出故障時(shí)，提供相應(yīng)的處理信息。主要有：系統(tǒng)初始化管理、鍵盤管理、顯示管理、通信管理、儀器各個(gè)功能模塊的管理、中斷管理等。本系統(tǒng)用到的中斷源有：串行口中斷、外部中斷、軟件定時(shí)器中斷。

冷媒加注控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：自動(dòng)加注、手動(dòng)加注、電子秤計(jì)量、加注信息數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)設(shè)置，如圖4所示。

（1）自動(dòng)加注模式下冷媒加注系統(tǒng)自動(dòng)地完成冷媒加注全過程；（2）手動(dòng)加注模式下操作員可有選擇的完成冷媒識(shí)別、回收、抽真空、加冷凍油、加注冷媒中的一項(xiàng)或多項(xiàng)操作；（3）電子秤功能可以檢測稱重平臺(tái)上物體的質(zhì)量；（4）數(shù)據(jù)管理功能實(shí)現(xiàn)對車輛加注信息數(shù)據(jù)庫的維護(hù)，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)瀏覽、記錄的增加、修改和刪除，另外，冷媒加注系統(tǒng)還提供了數(shù)據(jù)庫更新功能，利用控制系統(tǒng)同上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)，在單片機(jī)控制下寫入存儲(chǔ)芯片 X28C512；（5）系統(tǒng)設(shè)置功能包括設(shè)備信息設(shè)定、用戶信息設(shè)定、冷媒信息設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)設(shè)定等。

冷媒加注系統(tǒng)人機(jī)接口控制中，軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)液晶顯示函數(shù)模塊和輸入法程序，能夠進(jìn)行數(shù)字、英文和漢字的輸入，這些基本模塊在人機(jī)接口操作中被調(diào)用。

5 結(jié)論

本文研制的冷媒加注控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了汽車?yán)涿郊幼⒌?strong>全自動(dòng)控制，提高了汽車制冷系統(tǒng)維護(hù)效率和維修質(zhì)量，控制系統(tǒng)完成各項(xiàng)功能并達(dá)到各項(xiàng)精度指標(biāo)，性能穩(wěn)定，可靠性高，設(shè)備操作簡單方便。

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