柳州城市职业学院 广西柳州 545036
摘要：针对某品牌卡车的驻车空调电路在欠压与安全保护功能上的不足之处，在不改变原有电路的基础上，设计一款以单片机为核心控制的嵌入式保护装置，实现对原线路功能的补充与改进。该电路装置安装简便，响应灵敏度高，性能稳定可靠，具有一定的实用性。
关键词：驻车空调；单片机；欠压保护；过流保护
0引言
驻车空调无需依靠车辆引擎动力，直接使用车载电瓶让空调可持续运行，即经济节能又环保，还减少了发动机长时间怠速运转磨损，因此已经成为了越来越多的卡车车载空调首选配置[1]。但是驻车空调由于在运行过程中需要车载电瓶来进行供电，所以在使用空调的时候增加了电量的损耗，倘若过量消耗电能，造成电瓶电压过低，就会影响汽车的正常启动，以及出现电瓶的使用周期减少的问题。
本文以国内市场上的某品牌卡车驻车空调为对象，针对原空调电路在欠压与安全保护功能上的不足之处，设计出一款简单实用的欠压、过流保护嵌入式保护装置。当电瓶电压下降至设定值的时候，自动切断驻车空调的供电线路，提高汽车的使用性能和电瓶的使用周期；当驻车空调的电动压缩机主回路电流超过预设值时候，出现过载过流现象，自动进入相应的报警和制动处理模式。该电路在仿真和实物测试过程中，获得的实验数据与预测值相符合，有效的修补了缺失的保护功能，且不会改变原有的电路，具备一定的实用性。
1.整体设计方案及原理图
所设计的是基于单片机控制的欠压和过流保护电路，可以通过监控车载电瓶电压值和电动压缩机的过流状况来实现对空调供电线路的通断控制。根据设计的要求，该电路包括以下几个部分：单片机、电压分压采样电路、过流数据采集电路、执行电路、报警电路、LED显示电路和DC-DC电源部分。电路结构框图如图1所示。
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图1电路结构框图
基于单片机的欠压和过流保护控制电路的工作原理：
车载电瓶直流电源接到分压电路，采样电路对分压电路中采样电阻两端的电压进行采样后送到单片机，单片机根据采样电压值判断电瓶是否出现欠压情况。当电压低于预设值的时候，控制执行器件（继电器）动作，切断主控线路的供电，从而起到限制电瓶电量过度使用目的。待电瓶电压回升到正常值后，单片机控制执行器件（继电器）释放，主控线路重新得电，驻车空调恢复正常使用。
电动机在发生过载、堵转等故障时候，绕组内的电流迅速增大，温度也会急剧升高。温度传感器持续从电动压缩机的外壳上采集温度数据后送到单片机，由单片机对温度数据进行识别，判断是否存在过流等故障。当温升过高的时候，控制执行器件（继电器）动作，切断主控线路的供电，以达到保护电动压缩机的目的。待电动压缩机的温度降低到复位温度时，单片机控制执行器件（继电器）释放，主控线路重新得电，压缩机又可正常操作。
2.硬件电路设计
（1）单片机电路设计
宏晶科技STC8系列单片机是宽电压/高可靠/低功耗/强抗静电/较强抗干扰的新一代8051单片机，提供了丰富的数字外设，包括4个串口、5个定时器、4组PCA和12位*15路超高速ADC，可满足设计的需求。选用型号为STC8A8K64S4A12的单片机作为核心控制系统，电路原理如图2所示。
（2）电压分压采样与过流数据采集电路设计
图3所示为电压分压采样与过流数据采集电路。图中R11、R12构成电压分压电路。分压电路将电瓶电压降压到单片机能够检测的范围，然后通过检测采样电阻R12两端的采样电压来判断是否存在欠压。当电瓶电压降至为22V时候，采样电阻两端的电压为2.2V，单片机检测并判断为欠压状态，就发出信号控制执行器件（继电器）动作，断开空调主控电路的供电线路，使得驻车空调停止运转，从而起到欠压保护的作用。
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图2单片机电路图
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图3电压分压采样与过流数据采集电路图
DS18B20是数字温度传感器，测量范围从-55℃～+125℃，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。封装后的DS18B20耐磨耐碰，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域[2]。
选用DS18B20、上拉电阻R4和单片机的P1.2端口组成过流数据采集电路。DS18B20固定紧贴着电动压缩机的外壳，持续采集压缩机绕组的温度数据，然后送至单片机的P1.2端口，由单片机对温度数据进行识别，判断是否存在过流、堵转等故障。当压缩机外壳温度一旦超过93度的时候，单片机就发出信号控制执行器件（继电器）动作，切断主控线路的供电，从而到保护电动压缩机的目的。待电动压缩机的温度降低到92度时，单片机控制执行器件（继电器）释放，主控线路重新得电，压缩机又可正常操作。
（3）执行控制电路设计
图4所示为执行控制电路图。图中晶体管Q7、限流电阻R14和上拉电阻R15为继电器驱动电路，与继电器RL1共同构成执行控制电路，用于发生故障时，切断空调主控线路的供电，保护车载电瓶因欠压或者过流而造成受损。
（4）LED显示电路的设计
从配置布局和制作成本方面考虑，要实现3位的电压数值和3位温度数值的信息显示，选择了两个3位共阳数码管并采用动态显示连接方式来设计显示电路。使用单片机的P2端口作为多位数码管的数据输入端，连接至8位LED数码管显示器的段选控制端口；使用P3端口通过PNP三极管来控制需要显示的LED数码管位。
（5）DC-DC电源电路的设计
LM2596-5.0是德州仪器生产的3A电流输出的DC-DC降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器（150KHZ）和基准稳压器（1.23v），并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路，为单片机及其外围设备提供供电。电源电路原理图如图5所示。
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图5DC-DC电源电路图
3.系统软件设计
主程序需要实现的函数功能有系统初始化、ADC功能、欠压处理功能、温度读取和处理功能、显示功能、继电器控制功能和报警功能。本程序流程图如图6所示。
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图4执行控制电路图 图6软件设计流程图
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图7电路实物图
系统上电开始工作，首先是对ADC、定时器和DS18B20进行初始化，接着是检测继电器的情况，判断是当前继电器是处于释放还是吸合的状态，针对不同的状态进行相应的检测、判断和识别。继电器释放状态下有三种情况，分别是欠压预设值等级为①级，此时电压回升到正常；电压低于欠压预设值电压；温度高于93度，处于过流的状态。继电器吸合状态下有两种情况，分别是温度异常，电压正常；温度异常、电压异常。程序根据上述五种可能出现的情况，会调用相应的处理函数进行处理。
4.系统调试
完成硬件和软件的设计后，对各模块进行实物焊接，然后针对电路系统进行了整体功能测试，测试结果符合预期值，能够实现系统设计方案的基本目标和逻辑功能要求。保护电路实物如图7所示。
5.小结
本设计基于单片机的欠压和过流保护控制电路装置，不仅安装简便，成本不高，而且通过运行和检验，能够达到实际使用的要求和目标。在工作运行中装置反应灵活，性能稳定，检测精度高，报警灵敏度高。另外再模块还可以添加更多的功能，比如短路保护、过压保护等，根据不同的需求增加不同的功能。
参考文献
[1]朱元成，熊伟国，吕恒勇.电动空调在重卡和工程车上的应用[J].时代汽车，2017，（02），53-54.
[2]雷学梅.数字温度传感器DS18B20的结构及应用简介[J].科技创新与应用，2017，（02）：62.
作者简介
郭伟（1976-），男，本科，研究方向：电气自动化技术。