基于WIFI技術(shù)的汽車空調(diào)測控系統(tǒng)的研究

王濤， 龍志軍， 駱恒光

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車系，廣東 佛山 528137,；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州510642）

0 引言

汽車空調(diào)是汽車舒適性的關(guān)鍵設(shè)備之一，缺少空調(diào)或者空調(diào)制冷效果較差或不制冷，會惡化汽車內(nèi)部駕駛環(huán)境，使里面的乘客頭暈?zāi)酥敛皇娣?、駕駛員瞌睡等，嚴重的會導(dǎo)致車禍[1]，因此隨著我國社會的發(fā)展，空調(diào)得到了越來越多的重視。汽車空調(diào)在長期的使用過程中，由于磨損等各種原因?qū)е缕嚳照{(diào)不制冷或斷續(xù)的制冷，嚴重地影響了汽車的舒適性[2]。

1 汽車空調(diào)檢測面臨的問題

1.1 壓力檢測方面

汽車空調(diào)不制冷或制冷效果不佳的最大的原因是汽車空調(diào)內(nèi)部制冷劑泄漏，導(dǎo)致制冷劑過少從而影響制冷效果。汽車空調(diào)由于長期使用，會出現(xiàn)管路老化、部件磨損等各種問題，會使汽車空調(diào)制冷劑逐漸流失，因此需要對空調(diào)進行診斷進一步判斷汽車空調(diào)的問題所在[3]。汽車空調(diào)制冷劑的損失通常反映在汽車空調(diào)壓力上[4-6]，目前汽車空調(diào)自身系統(tǒng)中沒有壓力數(shù)值判斷設(shè)備，只有高、低壓開關(guān)，在壓力極端異常的情況下，斷開汽車空調(diào)的電路[7]。而常見的汽車診斷工具解碼器也不能讀取汽車空調(diào)的壓力數(shù)據(jù)，因此傳統(tǒng)的壓力讀取數(shù)據(jù)就是在汽車空調(diào)維修接口上連接汽車空調(diào)歧管壓力表，通過壓力表臨時讀取壓力數(shù)據(jù)來判斷空調(diào)壓力的狀況，而且只能在汽車靜止時使用，反映不出汽車行駛時真實的壓力數(shù)據(jù)[8]。

1.2 流量檢測方面

另外一種常見的故障就是汽車空調(diào)膨脹閥處發(fā)生冰堵或管路其他地方堵塞，從而使致制冷劑不能流動使汽車空調(diào)斷續(xù)制冷或完全不制冷。如果空調(diào)管路中進入空氣，會有少量的水蒸氣進入空調(diào)管路進行循環(huán)流動，流動到膨脹閥處，很容易導(dǎo)致其堵塞，另外如果系統(tǒng)有其他的異物也可能導(dǎo)致管路堵塞，判斷制冷劑是否流動往往通過安裝在汽車空調(diào)儲液干燥器上的視液窗來觀察，此時必須打開發(fā)動機艙在汽車靜止時短時間觀察，而往往觀察不確定，只能憑借經(jīng)驗進行大概的診斷，目前汽車空調(diào)的檢測診斷工具中沒有很明確的設(shè)備可以用來診斷汽車空調(diào)制冷劑的流動性，因此很多維修人員只是憑借經(jīng)驗進行大概的估計[9-10]。

1.3 制冷劑及機油添加方面

在汽車空調(diào)保養(yǎng)維修的過程中，由于制冷劑的缺失，通常只需要補充添加制冷劑R134a就可以了，而在汽車空調(diào)進行管路維修后需要重新加入制冷劑。大部分汽車發(fā)動機艙中都標有汽車空調(diào)使用的制冷劑的種類及添加的質(zhì)量。市場上銷售的汽車空調(diào)制冷劑R134a有瓶裝和罐裝2種，瓶裝制冷劑往往是個人簡單使用，汽車維修店一般使用罐裝制冷劑對汽車空調(diào)進行制冷劑的添加。制冷劑添加有一定量的要求，傳統(tǒng)的加注制冷劑是通過歧管壓力表進行加注[11-12]，通過觀測表頭的壓力，估算出大概的量，這就會造成添加量具有很大的不確定性，也就不能確保汽車空調(diào)保持在一個最佳的工作范圍。當汽車空調(diào)運行時，也要適時補充冷凍機油，冷凍機油傳統(tǒng)的加注也是根據(jù)維修人員的經(jīng)驗大概加注，通常采用將機油倒入壓縮機或者將對系統(tǒng)抽真空后通過歧管壓力表吸入，吸入的過程中如果出現(xiàn)操作不當就會吸入空氣，進而影響空調(diào)的正常工作。所以，由于制冷劑及機油的添加不能給出一個準確具體的數(shù)值，就會影響汽車空調(diào)的最佳運作。

1.4 教育教學(xué)問題

在汽車空調(diào)檢測維修教學(xué)實踐中，常見的教法是:老師對著一臺汽車空調(diào)臺架，通過一臺連接設(shè)備進行講述，一群學(xué)生圍觀。由于學(xué)生人數(shù)比較多，每個人不能詳細觀看這些數(shù)據(jù)，就會出現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)空調(diào)似懂非懂的現(xiàn)象，降低學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，以至于影響教學(xué)的效果。

2 汽車空調(diào)測控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計的特點

基于對以上問題的現(xiàn)狀分析，本系統(tǒng)設(shè)計一套基于WIFI技術(shù)的汽車空調(diào)測控系統(tǒng)，將其安裝在汽車空調(diào)的高、低壓管路中，對汽車空調(diào)的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控[13]。該系統(tǒng)具有以下特點：

1）汽車無論在靜止或運行時都能對汽車空調(diào)的高壓管路壓力、低壓管路壓力進行測控，當壓力出現(xiàn)異常時進行提醒，并能實時保存記錄數(shù)據(jù)，方便車主或維修人員查詢。

2）只要汽車空調(diào)運行，都能在空調(diào)運行時對空調(diào)流量進行實時測控，檢測汽車空調(diào)系統(tǒng)在運行時制冷管路是否堵塞，如果有堵塞可以通過警示提醒裝置提示汽車使用者或維修人員。

3）當汽車空調(diào)管制冷系統(tǒng)出現(xiàn)異常，制冷劑或冷凍機油需要添加時，可以通過維修接口進行添加，有溫度傳感器及壓力傳感器作為修正值，可以準確記錄某時間段添加的制冷劑的質(zhì)量，為空調(diào)制冷劑及冷凍機油添加提供較為準確的數(shù)據(jù)，使汽車空調(diào)可以運行在最佳的工作狀態(tài)，產(chǎn)生較為理想的制冷效果，且避免常規(guī)加注時往往會帶進系統(tǒng)部分空氣，避免由于進入空氣產(chǎn)生冰堵。

4）成本低廉，使用方便。該系統(tǒng)采用WIFI進行數(shù)據(jù)傳輸，在智能手機普及的今天，可以使系統(tǒng)簡單化，省去了傳統(tǒng)檢測儀器的顯示部分，就會降低成本，通過WIFI系統(tǒng)可以方便進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)的讀取工作，且系統(tǒng)檢測到空調(diào)運行異常時可以進行故障提醒。

5）可隨時讀取數(shù)據(jù)。通過該系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)，可以方便維修人員進行故障的判斷及維修工作，也有利于檢控汽車空調(diào)運行的數(shù)據(jù)參數(shù)，為研發(fā)廠家提供數(shù)據(jù)支持，便于改進產(chǎn)品工藝，提高質(zhì)量。

6）有利于教學(xué)質(zhì)量的提高。本系統(tǒng)通過WIFI進行數(shù)據(jù)傳輸，使系統(tǒng)可以同時連接數(shù)臺手機進行數(shù)據(jù)的讀取工作。方便教師在講述汽車空調(diào)的檢測維修課程時，避免出現(xiàn)教師一人講，一群學(xué)生圍觀一臺設(shè)備觀看數(shù)據(jù)變化的現(xiàn)象，保證每一位學(xué)生都可以利用各自的手機，通過WIFI進行數(shù)據(jù)連接，觀察數(shù)據(jù)的變化，有利于提高汽車空調(diào)的教學(xué)效果。在制冷劑及冷凍機油的添加過程中，學(xué)生可以通過數(shù)據(jù)觀察，準確地掌握加注的量及加注流程，可以很快適應(yīng)汽車空調(diào)的維修崗位。所有這些都可以提高教學(xué)的質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣[14]。

2.2 系統(tǒng)硬件原理

在汽車空調(diào)的高壓管路中，在位于儲液干燥器與膨脹閥之間靠近膨脹閥的位置安裝流量傳感器1，在高壓維修管路上安裝流量傳感器2、高壓壓力傳感器及高壓溫度傳感器，具體如圖1所示，維修段設(shè)置為紅色，符合汽車空調(diào)歧管壓力表高壓段管路紅色的慣例。運用高壓流量傳感器1檢測汽車空調(diào)高壓管路液態(tài)制冷劑R134a的流動狀況，當檢測到A/C開關(guān)及電磁離合器運行時，如果流量傳感器1檢測數(shù)據(jù)為零或數(shù)值很小，可以初步判斷空調(diào)管路不通。

圖1 汽車空調(diào)的高壓維修管路

利用高壓壓力傳感器檢測空調(diào)的壓力。汽車空調(diào)由于長期運行會導(dǎo)致制冷劑量減少（正常情況和非正常制冷劑都會泄漏，只是泄漏量不同），因而使空調(diào)的壓力降低，影響制冷效果，因此可利用高壓壓力傳感器檢測空調(diào)的壓力，結(jié)合發(fā)動機轉(zhuǎn)速及溫度，判斷壓力是否處于正常值，如果檢測到壓力過低，提醒用戶進行維修及補充制冷劑工作。

利用汽車空調(diào)高壓管路流量傳感器2，檢測計算添加制冷劑或冷凍機油的流量。加注時可以根據(jù)以下公式計算出加注量，在一定時間段平均壓力ΔP及溫度參數(shù)ΔT修正下，分別在利用圖1維修接口進行加注，公式為

式中：Δm為所測應(yīng)加注物質(zhì)的質(zhì)量；ΔV為所加注時的流速，此流速為流量傳感器2檢測的值；Δt為系統(tǒng)檢測的單位時間段；Δρ為此時段的密度。

因此系統(tǒng)加注的總的質(zhì)量為

式中：M即為系統(tǒng)設(shè)計的每次檢控的加注質(zhì)量之和[15]。

在汽車空調(diào)低壓段處在汽車空調(diào)的蒸發(fā)器與壓縮機之間的位置安裝低壓流量傳感器1，以檢測空調(diào)低壓段流量的變化，從而輔助判斷空調(diào)管路有無堵塞。在低壓維修管路上安裝有檢測低壓段的壓力傳感器、流量傳感器2及低壓溫度傳感器。系統(tǒng)維修管路設(shè)計成藍色，符合空調(diào)維修顏色表示的慣例，具體如圖2所示。

圖2 汽車空調(diào)的低壓維修管路

通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速及低壓溫度、壓力傳感器，可判斷低壓力是否處在正常范圍，對汽車空調(diào)壓力變化進行預(yù)警檢測。利用低壓段流量傳感器2、低壓壓力傳感器及低壓溫度傳感器計算添加制冷劑及冷凍機油的質(zhì)量，具體加注量也是根據(jù)高壓段加注公式（式（1）、式（2））進行加注劑量計算，只是低壓管路中添加的制冷劑為氣態(tài)狀，所以在不同壓力及溫度下，密度變化較大。

系統(tǒng)設(shè)計各傳感器相互利用協(xié)同工作，利用高、低壓管路中流量傳感器1及壓力傳感器判斷系統(tǒng)是否正常，利用壓力傳感器及溫度傳感器作為修正添加制冷劑或冷凍機油的修正量，使高、低壓管路流量傳感器2能夠準確測量出添加的質(zhì)量。

2.3 系統(tǒng)電路及無線傳輸模塊

該模塊檢測各傳感器后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析計算保存等處理方式，把數(shù)據(jù)通過WIFI模式傳送出去，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳遞處理、預(yù)警提醒檢控等功能，具體如圖3所示。

圖3 信息數(shù)據(jù)傳遞流程

3 系統(tǒng)軟件的開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)分為2部分：一部分為單片機軟件編程，通過各傳感器采集數(shù)據(jù)傳遞給單片機，經(jīng)過單片機信號運算處理后進行數(shù)據(jù)保存；第二部分是開發(fā)移動設(shè)備終端設(shè)備使用的APP軟件，利用WIFI技術(shù)讀取單片機儲存及發(fā)送的信號，實現(xiàn)信號互通，方便數(shù)據(jù)讀取工作。在汽車空調(diào)出現(xiàn)故障時，APP軟件可以自動給移動終端發(fā)布故障提示信息。

APP軟件顯示包括2部分：第一部分為數(shù)據(jù)顯示及故障診斷部分。系統(tǒng)通過檢測空調(diào)的A/C開關(guān)及電磁離合器參數(shù)，確定汽車空調(diào)是否處于運行狀態(tài)。當系統(tǒng)檢測到汽車空調(diào)運行時，將進行數(shù)據(jù)采集工作，通過把采集的數(shù)據(jù)進行運算處理，與系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)進行比對，判斷汽車空調(diào)的運行狀況，顯示汽車空調(diào)的制冷劑流動信息及壓力信息，并進行數(shù)據(jù)的記錄與保存工作。當檢測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)可自動開啟提醒功能，提醒空調(diào)數(shù)據(jù)異常，告知用戶汽車空調(diào)哪里出現(xiàn)問題。當檢測到汽車空調(diào)不工作時，系統(tǒng)保持在工作時最后的狀態(tài)。第二部分為維修處理系統(tǒng)。當汽車空調(diào)需要添加制冷劑或冷凍機油時，此系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，可以選擇添加的物質(zhì)是制冷劑還是冷凍機油，如選擇的是添加制冷劑R134a時，系統(tǒng)自動進行運算處理，直到添加的質(zhì)量符合系統(tǒng)所要求的質(zhì)量時，可關(guān)閉加注開關(guān)，達到準確加注的目的。冷凍機油也是采用同樣的加注計算方式，每次加注完成后系統(tǒng)會自動歸零，以方便下次的添加。

4 系統(tǒng)試驗

4.1 多人讀取數(shù)據(jù)

通過對本系統(tǒng)的試驗，多位學(xué)生在各自的手機上（目前開發(fā)的安卓手機）安裝一個APP軟件，當汽車空調(diào)處于工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)多位學(xué)生同時利于手機APP軟件讀取系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)，方便各種數(shù)據(jù)的觀察，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖4 空調(diào)正常運行時的數(shù)據(jù)讀取

圖5 空調(diào)壓力過低時的數(shù)據(jù)讀取

4.2 數(shù)據(jù)顯示及故障提醒

通過在汽車上安裝此系統(tǒng)，利用移動終端讀取數(shù)據(jù)，分別進行幾種比較典型的試驗:第一種情況是當空調(diào)正常運行時進行數(shù)據(jù)讀取的試驗，如圖4所示；第二種情況是放掉一部分制冷劑，當系統(tǒng)壓力過低時空調(diào)處于工作狀態(tài)時的讀取數(shù)據(jù)的試驗，如圖5所示；第三種情況是汽車空調(diào)出現(xiàn)故障，膨脹閥堵塞時運行的數(shù)據(jù)讀取的試驗，如圖6所示。

圖6 空調(diào)故障時的數(shù)據(jù)讀取

圖7 汽車空調(diào)加注選擇界面

4.3 加注工作試驗

當本系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，點擊加注按鈕，系統(tǒng)會顯示另一個界面，選擇加注制冷劑R134a或者冷凍機油，在加注時可以自動計算加注的劑量，為了避免誤操作，如加注制冷劑計算成冷凍機油的量，所以系統(tǒng)給出一個選擇按鈕，點擊R134a加注或機油加注，2個按鈕中只能有1個處于開啟狀態(tài)，或同時都處于關(guān)閉狀態(tài)，不能同時開啟2個按鈕。高、低壓加注或一端加注，系統(tǒng)都會自動相加，得出一個總的加注量，每加注一次完成后系統(tǒng)自動清零，為計算下次加注做準備，具體如圖7所示。

5 結(jié)論

通過試驗，本系統(tǒng)初步實現(xiàn)了設(shè)計的目標，尤其作為教學(xué)設(shè)備，多個學(xué)生同時讀取汽車空調(diào)的數(shù)據(jù)，方便了教學(xué)。壓力讀取時，通過與歧管壓力表讀取的數(shù)據(jù)基本相符，通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，基本誤差保持在低壓0.05 MPa、高壓0.3 MPa之間波動，但是在添加制冷劑時特別是氣態(tài)制冷劑，由于壓力及溫度的變化，需要做大量的試驗，目前誤差還比較大些，誤差率在3%～5%之間，在故障提醒等方面，系統(tǒng)基本符合設(shè)計的要求。