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1 引言 制冷系統已成為的現代汽車重要配置,制冷系統內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損傷。 作者完成的汽車制冷系統維護的自動化設備研制,有效地提高了維修效率和維護質量,實現了汽車制冷系統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,并實現了外存數據加密,整機功能完備、可靠性高。 2 系統結構及控制流程 全自動冷媒加注系統結構主要由嵌入式控制系統、電子秤、真空泵、壓縮機、多個狀態檢測傳感器、執行開關和電磁閥等組成。如圖1所示。 圖1 冷媒加注系統結構圖 冷媒加注系統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、加冷媒及結果打印八項內容,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正確連接之后,操作員通過操作面板鍵盤輸入車輛的生產廠家、車輛型號和年月信息等參數。 （2）加注信息查詢 控制系統根據輸入的車輛信息,在車輛加注信息數據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。 （3）冷媒識別 發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,識別結果提交控制系統。要求冷媒加注系統儲存罐內與被加注車輛的冷媒類型相同,否則系統給出報警提示,調換與之相同類型的冷媒儲罐后,繼續下一步工作。 （4）冷媒回收控制相應的執行機構,依靠車輛冷媒管路內自身的壓力進行冷媒回收,回收的冷媒經凈化處理后,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,真空傳感器監測車輛冷媒儲存室壓力。以確定的時間內壓力值得變化,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）打印加注結果系統配置的微型打印機打印本次"加注工作"的有關項目和參數,提交用戶和存檔。至此,完成冷媒加注的全過程。 依據上述的系統結構和控制流程,全自動汽車冷媒加注控制系統設計重點研究和解決了四個問題：第一,系統工作穩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,實現嵌入式車輛冷媒加注信息數據庫系統;第四,研制高精度電子秤,保證冷媒重量的精確計量,實現冷媒加注量的準確控制。 3 硬件系統設計 冷媒加注系統屬于"汽保"設備,工作環境比較惡劣,電磁干擾較大。本著穩定可靠、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的硬件系統結構如圖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 MSP430F149是全自動汽車冷媒加注系統的控制中心,完成傳感器數據結果處理,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,內置60KB+256字節 FLASH,2KB RAM。冷媒加注系統采用液晶顯示界面,程序中含有大量的界面和菜單、動畫數據,MSP430F149中60KB的FLASH ROM滿足系統程序對存儲空間的需求;2KB的內部RAM保證了數據采集、處理、顯示等臨時數據和大量的系統全局變量需求;豐富的I/O資源實現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據庫。8路固態繼電器發出驅動輸出信號,控制各個執行機構。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的端口驅動能力滿足了固態繼電器對驅動電流的要求;實現了單片機口線的擴展,精簡了電路;EPF10K10A內部含有6144 Bits RAM,可實現加注信息數據庫的數據加密。 （3）壓力傳感器及其調理電路冷媒加注系統采用應變式壓力傳感器實現電子秤功能。傳感器檢測平臺上冷媒罐及其內部冷媒的重量,據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,經過放大、調零、濾波等調理后,送至模數轉換芯片ICL7135進行A/D轉換,輸出的數字信號送單片機,完成壓力信號的檢測。單片機根據處理結果的值域范圍,進行查表,實現分段線性化,將傳感器信號同冷媒重量對應。冷媒加注系統實現的電子秤量程為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。P1 、P2口具有中斷功能,能夠實時的捕捉觸發事件。 4 軟件系統設計 全自動汽車冷媒加注控制系統軟件包括監控程序、中斷程序以及數據處理程序等。監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系設備,并在系統出故障時,提供相應的處理信息。主要有：系統初始化管理、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。 冷媒加注控制系統實現的功能主要有：自動加注、手動加注、電子秤計量、加注信息數據庫管理、系統設置,如圖4所示。 （1）自動加注模式下冷媒加注系統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量;（4）數據管理功能實現對車輛加注信息數據庫的維護,包括數據查詢、數據瀏覽、記錄的增加、修改和刪除,另外,冷媒加注系統還提供了數據庫更新功能,利用控制系統同上位機通信實現,在單片機控制下寫入存儲芯片X28C512;（5）系統設置功能包括設備信息設定、用戶信息設定、冷媒信息設定、運行參數設定等。 冷媒加注系統人機接口控制中,軟件實現了各個液晶顯示函數模塊和輸入法程序,能夠進行數字、英文和漢字的輸入,這些基本模塊在人機接口操作中被調用。 5 結論 本文研制的冷媒加注控制系統實現了汽車冷媒加注的全自動控制,提高了汽車制冷系統維護效率和維修質量,控制系統完成各項功能并達到各項精度指標,性能穩定,可靠性高,設備操作簡單方便。 |
