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鍵因素，需要按期進行系統(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步驟。目前我國的汽車制冷系統(tǒng)的維修和維護的手段，大多仍是人工操作，其工作過程繁雜，效率低下，常因操作不當導致系統(tǒng)損傷。
作者完成的汽車制冷系統(tǒng)維護的自動化設備研制，有效地提高了維修效率和維護質(zhì)量，實現(xiàn)了汽車制冷系統(tǒng)冷媒更換的全自動操作，使用簡便，界面友好。
全自動冷媒加注控制系統(tǒng)采用16位單片機MSP430F149為核心控制器，采用了ATERA公司新型CPLD器件EPF10K10A，并實現(xiàn)了外存數(shù)據(jù)加密，整機功能完備、可靠性高。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制流程
全自動冷媒加注系統(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、多個狀態(tài)檢測傳感器、執(zhí)行開關和電磁閥等組成。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)自動控制的工作流程有：車輛信息輸入、加注信息查詢、冷媒識別和回收、抽真空、加冷凍油、加冷媒及結(jié)果打印八項內(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)冷媒識別發(fā)控制信號啟動冷媒分析儀，冷媒分析儀提取車輛冷媒試樣進行類型分析，識別結(jié)果提交控制系統(tǒng)。要求冷媒加注系統(tǒng)儲存罐內(nèi)與被加注車輛的冷媒類型相同，否則系統(tǒng)給出報警提示，調(diào)換與之相同類型的冷媒儲罐后，繼續(xù)下一步工作。
(4)冷媒回收控制相應的執(zhí)行機構(gòu)，依靠車輛冷媒管路內(nèi)自身的壓力進行冷媒回收，回收的冷媒經(jīng)凈化處理后，導入冷媒儲罐。
(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。關閉真空泵，真空傳感器監(jiān)測車輛冷媒儲存室壓力。以確定的時間內(nèi)壓力值得變化，檢測冷媒管路是否存在泄漏。若無泄漏，進入下一步工作，否則需先對冷媒管路進行維修，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)加入對應該車的定量冷凍油。
(7)冷媒加注向車輛加入相應量的同類型冷媒。
(8)打印加注結(jié)果系統(tǒng)配置的微型打印機打印本次"加注工作"的有關項目和參數(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，全自動汽車冷媒加注控制系統(tǒng)設計重點研究和解決了四個問題：第一，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠和較強的抗干擾能力;第二，人機接口設計友好、直觀和操作方便;第三，實現(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量，實現(xiàn)冷媒加注量的準確控制。
3 硬件系統(tǒng)設計
冷媒加注系統(tǒng)屬于"汽保"設備，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，同時要求功能完備、技術新穎的設計目標，全自動汽車冷媒加注控制系統(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、復雜可編程邏輯器件(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、開關量輸入輸出控制、并口E2PROM等組成。
(1) MSP430F149單片機M，SP430F149是全自動汽車冷媒加注系統(tǒng)的控制中心，完成傳感器數(shù)據(jù)結(jié)果處理，開關量信號的檢測，鍵盤的識別，USART0和USART1兩個串口通信的管理,與CPLD器件的通信與控制。德州儀器(TI)公司的MSP430F149單片機是FLASH類型單片機，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、動畫數(shù)據(jù)，MSP430F149中60KB的FLASH ROM滿足系統(tǒng)程序?qū)Υ鎯臻g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資源實現(xiàn)了鍵盤的擴充和開關量信號的輸入檢測，以及CPLD器件的通信和控制。
(2) CPLD器件擴展單片機通過CPLD器件外接了存儲器X28C512，8路固態(tài)繼電器和微型打印機。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)動輸出信號，控制各個執(zhí)行機構(gòu)。CPLD器件選用ALTERA公司的EPF10K10A，解決了3V工作的單片機和5V工作器件的接口問題;EPF10K10A的端口驅(qū)動能力滿足了固態(tài)繼電器對驅(qū)動電流的要求;實現(xiàn)了單片機口線的擴展，精簡了電路;EPF10K10A內(nèi)部含有6144Bits RAM，可實現(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)采用應變式壓力傳感器實現(xiàn)電子秤功能。傳感器檢測平臺上冷媒罐及其內(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 當前冷媒重量。
傳感器輸出毫伏級應變信號，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進行A/D轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號送單片機，完成壓力信號的檢測。單片機根據(jù)處理結(jié)果的值域范圍，進行查表，實現(xiàn)分段線性化，將傳感器信號同冷媒重量對應。冷媒加注系統(tǒng)實現(xiàn)的電子秤量程為0～50千克，精度為10克。
(4) 串口通信MSP430F149單片機有USART0和USART1兩個串行通信口，冷媒加注系統(tǒng)外接了三個串口通信設備，串行接口的智能型LCD、冷媒分析儀和上位計算機。其中冷媒分析儀和上位機復用USART1通信口。RS232接口芯片選用了3V-5V兼容的MAX3232。
(5) 鍵盤和開關量檢測利用MSP430F149的P1、P2口實現(xiàn)。P1 、P2口具有中斷功能，能夠?qū)崟r的捕捉觸發(fā)事件。
4 軟件系統(tǒng)設計
全自動汽車冷媒加注控制系統(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的響應用戶的服務請求，有效地管理設備自身的軟硬件及人機一體化聯(lián)系設備，并在系統(tǒng)出故障時，提供相應的處理信息。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、軟件定時器中斷。 冷媒加注控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有：自動加注、手動加注、電子秤計量、加注信息數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)設置，如圖4所示。
(1)自動加注模式下冷媒加注系統(tǒng)自動地完成冷媒加注全過程;(2)手動加注模式下操作員可有選擇的完成冷媒識別、回收、抽真空、加冷凍油、加注冷媒中的一項或多項操作;(3)電子秤功能可以檢測稱重平臺上物體的質(zhì)量;(4)數(shù)據(jù)管理功能實現(xiàn)對車輛加注信息數(shù)據(jù)庫的維護，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)同上位機通信實現(xiàn)，在單片機控制下寫入存儲芯片X28C512;(5)系統(tǒng)設置功能包括設備信息設定、用戶信息設定、冷媒信息設定、運行參數(shù)設定等。
冷媒加注系統(tǒng)人機接口控制中，軟件實現(xiàn)了各個液晶顯示函數(shù)模塊和輸入法程序，能夠進行數(shù)字、英文和漢字的輸入，這些基本模塊在人機接口操作中被調(diào)用。
5 結(jié)論
本文研制的冷媒加注控制系統(tǒng)實現(xiàn)了汽車冷媒加注的全自動控制，提高了汽車制冷系統(tǒng)維護效率和維修質(zhì)量，控制系統(tǒng)完成各項功能并達到各項精度指標，性能穩(wěn)定，可靠性高，設備操作簡單方便。
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