Система климат-контроля для автомобиля на ATtiny84

Устройство под названием Climatic II используется для автоматического управления системой вентиляции и кондиционирования воздуха автомобиля, оборудованного штатным кондиционером, таким образом реализуя систему автоматического климат-контроля. Кроме того, использование системы Climatic II позволяет исключить нагрузочные резисторы в системе приточного вентилятора, которые являются частым источником проблем в оригинальных контроллерах (из-за достаточно высокой потери мощности они часто выходят из строя).

Основные параметры:

• автоматическое или ручное управление скоростью нагнетательного вентилятора и компрессора ручной системы кондиционирования воздуха;
• максимальный ток исполнительных контактов реле REL: 1А;
• максимальный ток нагнетательного вентилятора: 30 А (в зависимости от используемого радиатора);
• напряжение питания: 10…15 В;
• максимальный ток питания: 50 мА (включая ток реле REL).

Задачей системы Climatic II является автоматическое управление скоростью вентилятора подачи воздуха и компрессора ручной системы кондиционирования воздуха(в цикле включения/выключения). В задачи водителя входит установка требуемой температуры (в системе Climatic II) и обеспечение правильной установки ручки температуры системы вентиляции (тепло/холод) в зависимости от требуемого режима работы (охлаждение/обогрев). Как видите, это компромиссное решение, представляющее собой баланс между расширением системы и глубиной вмешательства в электрооборудование автомобиля.

В готовых решениях типа Climatronic используются сложные микропроцессорные системы, самостоятельно и автоматически определяющие скорость вращения вентилятора (или вентиляторов), направление потока воздуха (с участием сервоприводов, встроенных в тоннели вентиляционных каналов) и интенсивность охлаждения или обогрева салона. Все эти регулировки выполняются с помощью ряда датчиков температуры, датчиков солнечного излучения и взаимодействия системы управления кондиционером с блоком управления двигателем и блоками управления автомобиля. Как нетрудно заметить, построение такой продвинутой системы было бы крайне затруднительно хотя бы из-за необходимости глубоко вмешиваться в конструкцию системы вентиляции автомобиля, не говоря уже о реализации электронной части устройства. Однако ничто не мешает построить систему, которая во многом будет соответствовать задачам, выполняемым штатными системами климат-контроля.

Конструкция устройства

В связи с необходимостью управления достаточно мощным двигателем постоянного тока (вентилятором) (100 Вт и более) система Climatic II разделена на два функциональных модуля: управляющий и исполнительный. Принципиальная схема контроллера Climatic II показана на рисунке 1.

Была построена достаточно простая микропроцессорная система, сердцем которой является микроконтроллер ATtiny84 фирмы Microchip(ранее Atmel), реализующий весь функционал устройства. Этот микроконтроллер управляет работой популярного графического OLED-дисплея с разрешением 128*64 пикселей и диагональю экрана 0,96", являющегося элементом графического пользовательского интерфейса, с помощью программной реализации последовательного интерфейса SPI. Контроллер отслеживает работу функциональных кнопок, задействуя для этого прерывание счетчика Timer0, срабатывающее каждые 10 мс. Благодаря этому реализован эффективный механизм устранения дребезга контактов и работы кнопок без остановки работы основного цикла программы (включая работу длинных и коротких нажатий). Микроконтроллер также отвечает за программную реализацию интерфейса 1-Wire, необходимого для связи со встроенным термометром DS1820, и управляет работой двух выходных каскадов(выводы PA2 и PA6 микроконтроллера), элементы которых расположены на исполнительном модуле.

Исполнительный модуль устройства Climatic II показан на рисунке 2. Как видите, он состоит из двух выходных каскадов. Первый — типичный транзисторный ключ NPN (T1), отвечающий за управление реле REL(вывод PA2 микроконтроллера), а второй — выходной каскад ШИМ-драйвера (вывод PA6 микроконтроллера), построенный с использованием специализированного драйвера IGBT/MOSFET в виде чипа TLP251F от Toshiba.

Использование этого специализированного оптоизолированного драйвера обусловлено, во-первых, необходимостью развязки напряжения питания контроллера Climatic II от цепи вывода питания вентилятора, а во-вторых, что наиболее важно, необходимостью обеспечения соответствующей формы управляющего сигнала затвора выходного транзистора Т2 с целью ограничения рассеиваемой на нем мощности и ограничения уровня излучаемых помех. Дополнительно параллельно клеммам управляемого двигателя постоянного тока(вентилятора) подключен быстродействующий диод Шоттки(D2), отвечающий за снижение наведенных перенапряжений при управлении индуктивной нагрузки с помощью ШИМ-сигнала.

Для формирования сигнала ШИМ использовался встроенный в структуру микроконтроллера таймер-счетчик Timer1, работающий в достаточно интересном режиме ШИМ, а именно в режиме коррекции фазы и частоты, для которого выходная частота определяется регистром ICR1 таймера, а заполнение регистром OCR1A. В случае с нашим устройством частота ШИМ-сигнала была установлена равной 10 кГц, что предотвращает возникновение нежелательных звуковых эффектов(писков) при работе двигателя постоянного тока.

Алгоритм регулирования

В представленной системе используются два независимых автомата управления: автомат управления нагнетательным вентилятором (обозначен как AUTO) и автомат системы кондиционирования воздуха (обозначен как AC). Первый отвечает за автоматическое управление скоростью вращения вентилятора при помощи 9-ти запрограммированных ступеней, текущая ступень выбирается исходя из разницы между заданной температурой и измеренной температурой, где на каждые 1,5°С разницы происходит изменение на одну ступень. Второй автомат отвечает за управление (с помощью реле REL) выключателем ручной системы кондиционирования, вызывая при необходимости включение или выключение системы для поддержания заданной температуры внутри автомобиля.

Такой тип управления выбран не случайно. Для компрессора системы кондиционирования это просто безопасно, т.к. оригинальный выключатель системы кондиционирования лишь подает управляющий сигнал на контроллер компрессора (или двигателя), а последний «решает» о моменте и возможности включения компрессора исходя из параметров работы двигателя и предотвращения неблагоприятных условий работы компрессора. Кроме того, правильно подобранный гистерезис управления сводит к минимуму частоту циклов включения/выключения компрессора. Гистерезис был определен таким образом, что, например: чтобы установить желаемую температуру внутри автомобиля на 21°C, система Climatic II включит компрессор кондиционера при температуре 22°C внутри автомобиля и охладит салон до температуры 20,5°С, при которой отключился компрессор.

Оба автомата могут включаться независимо, а в случае отключения автомата нагнетательного вентилятора текущая ступень скорости может быть выбрана вручную с помощью функциональных кнопок FAN+/AUTO и FAN–. Для корректной работы системы автоматики необходимо обеспечить оптимальные условия измерения датчика температуры U2, т.е. места его установки. Место его установки должно быть выбрано экспериментально, чтобы отразить среднюю температуру внутри автомобиля и избежать ненужных действий вышеуказанного автомата. Стандартно этот датчик находится на плате контроллера, но при необходимости его можно подключить 3-х жильным кабелем.

Монтаж и наладка

Сборка устройства начинается с изготовления платы контроллера Climatic II, внешний вид которой показан на рисунке 3.

Сборку платы драйвера начинаем с верхнего слоя, куда предварительно припаиваем все полупроводниковые элементы.

Затем припаиваем пассивные элементы и в самом конце четыре кнопки, которые являются частью пользовательского интерфейса. Затем переходим к нижнему слою, на котором сначала монтируем компоненты SMD, затем оставшиеся пассивные компоненты и, наконец, разъемы PWR и CON. В этот момент мы возвращаемся к верхнему слою, где с помощью штыревых контактов модуля дисплея OLED припаиваем его к печатной плате устройства, следя за его правильным положением по отношению к плоскости функциональных кнопок. Стоит отметить, что в случае используемого дисплейного модуля OLED его разъем в то же время обеспечивает ему достаточно надежную фиксацию.

Плата исполнительного модуля, устройства Climatic II, показана на рисунке 4. Сборка начинается с пайки всех полупроводников. Затем припаиваем пассивные элементы и, в самом конце, разъемы AC, FAN и CON. Силовые дорожки покрываем дополнительным слоем олова (для этого их не покрывали паяльной маской). В случае управления работой вентилятора большей мощности может потребоваться оснащение элементов D2 и T2 радиатором. Система-прототип управляла нагнетательным вентилятором от автомобиля Fiat Punto II, потреблявшего при работе ток 8 А, при этом отсутствовала необходимость реализации радиатора охлаждения. На рисунке 5 показан пример чертежа радиатора.

Обе платы устройства (контроллер и исполнительный модуль) соединяются многожильным кабелем с 6-контактными разъемами IDC. Собранные модули показаны на заглавном фото.

Установку и подключение контроллера должен выполнять опытный автоэлектрик. Устройство следует монтировать в сухом месте, вдали от всех видов электронных блоков, которые могут мешать работе контроллера (таких как ЭБУ двигателя, блок управления электрооборудованием BCM или сигнализация), снабдив его соответствующим, максимально защищенным корпусом, который защищает от короткого замыкания, влаги, механических повреждений и электромагнитных помех. Из-за способа подключения систему Climatic II лучше всего монтировать рядом с разъемом автомагнитолы, так как здесь доступно большинство сигналов подключения.

Система подключается к следующим «модулям» автомобиля:

• Разъем автомагнитолы - позволяют запитать устройство (разъем PWR), после включения зажигания;
• Панель управления подачей и кондиционированием воздуха - позволяет автоматически управлять ручной системой кондиционирования воздуха (разъем AC) и приточным вентилятором (разъем FAN) - важно сечение проводов из-за больших токов, мин. 1,5 мм.кв.

Если конфигурация контактов ручного выключателя системы кондиционирования на данном типе автомобиля отличается от реле REL, следует использовать другое реле, подходящее для этой конфигурации, с номинальным напряжением катушки 12 В.

Устройство Climatic II для регулирования скорости вращения вентилятора использует метод ШИМ, обеспечивающую 9 предустановленных скоростей вращения, что делает излишним использование нагрузочных резисторов, стандартно устанавливаемых на старых автомобилях. Способ подключения нашего контроллера к электросистеме автомобиля показан на рисунке 6.

Использование

Устройство оснащено графическим дисплеем, выполненным по технологии OLED, и 4 функциональными кнопками, дающими прямой доступ к выполняемым ими функциям. Кнопки с обозначениями FAN+/AUTO и FAN– служат, во-первых, для регулировки скорости вращения вентилятора при работе автомата вентилятора в ручном режиме, а во-вторых, для включения этого автомата долгим нажатием на кнопку FAN+/AUTO, о чем сигнализирует появление слова «AUTO» в графическом пользовательском интерфейсе. В таком случае очевидно, что ступени нагнетательного вентилятора не могут регулироваться вручную.

Кнопки, обозначенные как, T+/AC и T–, служат для регулировки желаемой температуры внутри автомобиля (в диапазоне 15…30°C, с шагом 0,5°C), при этом длительное нажатие кнопки T+/AC используется для включения автоматической системы кондиционирования воздуха, о чем сигнализирует появление слова «AC» в графическом пользовательском интерфейсе.

Для повышения привлекательности графического пользовательского интерфейса были введены эффективные анимации, сопровождающие каждое изменение желаемой температуры внутри автомобиля. Рассматриваемые анимации состоят из вертикальной «прокрутки» символов на экране, благодаря чему мы можем легко получить эффект, аналогичный работе старых механических счетчиков, где смена знака сопровождалась перемещением одного символа вверх/вниз. и «перескакивание» на его место следующего символа. Достигнутый эффект выглядит на удивление хорошо!

Внешний вид графического пользовательского интерфейса устройства Climatic II со всеми отмеченными опциями показан на рисунке 7. При ручной настройке скорости вращения вентилятора поле, обозначающее текущую скорость вращения вентилятора, увеличивается для удобства чтения, как показано на рисунке 8.

Настройки битов конфигурации:

CKSEL3… 0: 0010
SUT1… 0: 10
CKDIV8: 0
CKOUT: 1
DWEN: 1
EESAVE: 0