基于WIFI技术的汽车空调测控系统的研究

王涛， 龙志军， 骆恒光

（1.佛山职业技术学院汽车系，广东 佛山 528137,；2.华南农业大学工程学院，广州510642）

0 引言

汽车空调是汽车舒适性的关键设备之一，缺少空调或者空调制冷效果较差或不制冷，会恶化汽车内部驾驶环境，使里面的乘客头晕乃至不舒服、驾驶员瞌睡等，严重的会导致车祸[1]，因此随着我国社会的发展，空调得到了越来越多的重视。汽车空调在长期的使用过程中，由于磨损等各种原因导致汽车空调不制冷或断续的制冷，严重地影响了汽车的舒适性[2]。

1 汽车空调检测面临的问题

1.1 压力检测方面

汽车空调不制冷或制冷效果不佳的最大的原因是汽车空调内部制冷剂泄漏，导致制冷剂过少从而影响制冷效果。汽车空调由于长期使用，会出现管路老化、部件磨损等各种问题，会使汽车空调制冷剂逐渐流失，因此需要对空调进行诊断进一步判断汽车空调的问题所在[3]。汽车空调制冷剂的损失通常反映在汽车空调压力上[4-6]，目前汽车空调自身系统中没有压力数值判断设备，只有高、低压开关，在压力极端异常的情况下，断开汽车空调的电路[7]。而常见的汽车诊断工具解码器也不能读取汽车空调的压力数据，因此传统的压力读取数据就是在汽车空调维修接口上连接汽车空调歧管压力表，通过压力表临时读取压力数据来判断空调压力的状况，而且只能在汽车静止时使用，反映不出汽车行驶时真实的压力数据[8]。

1.2 流量检测方面

另外一种常见的故障就是汽车空调膨胀阀处发生冰堵或管路其他地方堵塞，从而使致制冷剂不能流动使汽车空调断续制冷或完全不制冷。如果空调管路中进入空气，会有少量的水蒸气进入空调管路进行循环流动，流动到膨胀阀处，很容易导致其堵塞，另外如果系统有其他的异物也可能导致管路堵塞，判断制冷剂是否流动往往通过安装在汽车空调储液干燥器上的视液窗来观察，此时必须打开发动机舱在汽车静止时短时间观察，而往往观察不确定，只能凭借经验进行大概的诊断，目前汽车空调的检测诊断工具中没有很明确的设备可以用来诊断汽车空调制冷剂的流动性，因此很多维修人员只是凭借经验进行大概的估计[9-10]。

1.3 制冷剂及机油添加方面

在汽车空调保养维修的过程中，由于制冷剂的缺失，通常只需要补充添加制冷剂R134a就可以了，而在汽车空调进行管路维修后需要重新加入制冷剂。大部分汽车发动机舱中都标有汽车空调使用的制冷剂的种类及添加的质量。市场上销售的汽车空调制冷剂R134a有瓶装和罐装2种，瓶装制冷剂往往是个人简单使用，汽车维修店一般使用罐装制冷剂对汽车空调进行制冷剂的添加。制冷剂添加有一定量的要求，传统的加注制冷剂是通过歧管压力表进行加注[11-12]，通过观测表头的压力，估算出大概的量，这就会造成添加量具有很大的不确定性，也就不能确保汽车空调保持在一个最佳的工作范围。当汽车空调运行时，也要适时补充冷冻机油，冷冻机油传统的加注也是根据维修人员的经验大概加注，通常采用将机油倒入压缩机或者将对系统抽真空后通过歧管压力表吸入，吸入的过程中如果出现操作不当就会吸入空气，进而影响空调的正常工作。所以，由于制冷剂及机油的添加不能给出一个准确具体的数值，就会影响汽车空调的最佳运作。

1.4 教育教学问题

在汽车空调检测维修教学实践中，常见的教法是:老师对着一台汽车空调台架，通过一台连接设备进行讲述，一群学生围观。由于学生人数比较多，每个人不能详细观看这些数据，就会出现学生学习空调似懂非懂的现象，降低学生学习的兴趣，以至于影响教学的效果。

2 汽车空调测控系统设计

2.1 系统设计的特点

基于对以上问题的现状分析，本系统设计一套基于WIFI技术的汽车空调测控系统，将其安装在汽车空调的高、低压管路中，对汽车空调的数据实时监控[13]。该系统具有以下特点：

1）汽车无论在静止或运行时都能对汽车空调的高压管路压力、低压管路压力进行测控，当压力出现异常时进行提醒，并能实时保存记录数据，方便车主或维修人员查询。

2）只要汽车空调运行，都能在空调运行时对空调流量进行实时测控，检测汽车空调系统在运行时制冷管路是否堵塞，如果有堵塞可以通过警示提醒装置提示汽车使用者或维修人员。

3）当汽车空调管制冷系统出现异常，制冷剂或冷冻机油需要添加时，可以通过维修接口进行添加，有温度传感器及压力传感器作为修正值，可以准确记录某时间段添加的制冷剂的质量，为空调制冷剂及冷冻机油添加提供较为准确的数据，使汽车空调可以运行在最佳的工作状态，产生较为理想的制冷效果，且避免常规加注时往往会带进系统部分空气，避免由于进入空气产生冰堵。

4）成本低廉，使用方便。该系统采用WIFI进行数据传输，在智能手机普及的今天，可以使系统简单化，省去了传统检测仪器的显示部分，就会降低成本，通过WIFI系统可以方便进行系统数据的读取工作，且系统检测到空调运行异常时可以进行故障提醒。

5）可随时读取数据。通过该系统读取数据，可以方便维修人员进行故障的判断及维修工作，也有利于检控汽车空调运行的数据参数，为研发厂家提供数据支持，便于改进产品工艺，提高质量。

6）有利于教学质量的提高。本系统通过WIFI进行数据传输，使系统可以同时连接数台手机进行数据的读取工作。方便教师在讲述汽车空调的检测维修课程时，避免出现教师一人讲，一群学生围观一台设备观看数据变化的现象，保证每一位学生都可以利用各自的手机，通过WIFI进行数据连接，观察数据的变化，有利于提高汽车空调的教学效果。在制冷剂及冷冻机油的添加过程中，学生可以通过数据观察，准确地掌握加注的量及加注流程，可以很快适应汽车空调的维修岗位。所有这些都可以提高教学的质量，激发学生学习的兴趣[14]。

2.2 系统硬件原理

在汽车空调的高压管路中，在位于储液干燥器与膨胀阀之间靠近膨胀阀的位置安装流量传感器1，在高压维修管路上安装流量传感器2、高压压力传感器及高压温度传感器，具体如图1所示，维修段设置为红色，符合汽车空调歧管压力表高压段管路红色的惯例。运用高压流量传感器1检测汽车空调高压管路液态制冷剂R134a的流动状况，当检测到A/C开关及电磁离合器运行时，如果流量传感器1检测数据为零或数值很小，可以初步判断空调管路不通。

图1 汽车空调的高压维修管路

利用高压压力传感器检测空调的压力。汽车空调由于长期运行会导致制冷剂量减少（正常情况和非正常制冷剂都会泄漏，只是泄漏量不同），因而使空调的压力降低，影响制冷效果，因此可利用高压压力传感器检测空调的压力，结合发动机转速及温度，判断压力是否处于正常值，如果检测到压力过低，提醒用户进行维修及补充制冷剂工作。

利用汽车空调高压管路流量传感器2，检测计算添加制冷剂或冷冻机油的流量。加注时可以根据以下公式计算出加注量，在一定时间段平均压力ΔP及温度参数ΔT修正下，分别在利用图1维修接口进行加注，公式为

式中：Δm为所测应加注物质的质量；ΔV为所加注时的流速，此流速为流量传感器2检测的值；Δt为系统检测的单位时间段；Δρ为此时段的密度。

因此系统加注的总的质量为

式中：M即为系统设计的每次检控的加注质量之和[15]。

在汽车空调低压段处在汽车空调的蒸发器与压缩机之间的位置安装低压流量传感器1，以检测空调低压段流量的变化，从而辅助判断空调管路有无堵塞。在低压维修管路上安装有检测低压段的压力传感器、流量传感器2及低压温度传感器。系统维修管路设计成蓝色，符合空调维修颜色表示的惯例，具体如图2所示。

图2 汽车空调的低压维修管路

通过发动机转速及低压温度、压力传感器，可判断低压力是否处在正常范围，对汽车空调压力变化进行预警检测。利用低压段流量传感器2、低压压力传感器及低压温度传感器计算添加制冷剂及冷冻机油的质量，具体加注量也是根据高压段加注公式（式（1）、式（2））进行加注剂量计算，只是低压管路中添加的制冷剂为气态状，所以在不同压力及温度下，密度变化较大。

系统设计各传感器相互利用协同工作，利用高、低压管路中流量传感器1及压力传感器判断系统是否正常，利用压力传感器及温度传感器作为修正添加制冷剂或冷冻机油的修正量，使高、低压管路流量传感器2能够准确测量出添加的质量。

2.3 系统电路及无线传输模块

该模块检测各传感器后经过数据分析计算保存等处理方式，把数据通过WIFI模式传送出去，可以实现数据的实时传递处理、预警提醒检控等功能，具体如图3所示。

图3 信息数据传递流程

3 系统软件的开发

系统软件开发分为2部分：一部分为单片机软件编程，通过各传感器采集数据传递给单片机，经过单片机信号运算处理后进行数据保存；第二部分是开发移动设备终端设备使用的APP软件，利用WIFI技术读取单片机储存及发送的信号，实现信号互通，方便数据读取工作。在汽车空调出现故障时，APP软件可以自动给移动终端发布故障提示信息。

APP软件显示包括2部分：第一部分为数据显示及故障诊断部分。系统通过检测空调的A/C开关及电磁离合器参数，确定汽车空调是否处于运行状态。当系统检测到汽车空调运行时，将进行数据采集工作，通过把采集的数据进行运算处理，与系统存储的数据进行比对，判断汽车空调的运行状况，显示汽车空调的制冷剂流动信息及压力信息，并进行数据的记录与保存工作。当检测的数据出现异常时，系统可自动开启提醒功能，提醒空调数据异常，告知用户汽车空调哪里出现问题。当检测到汽车空调不工作时，系统保持在工作时最后的状态。第二部分为维修处理系统。当汽车空调需要添加制冷剂或冷冻机油时，此系统处于运行状态，可以选择添加的物质是制冷剂还是冷冻机油，如选择的是添加制冷剂R134a时，系统自动进行运算处理，直到添加的质量符合系统所要求的质量时，可关闭加注开关，达到准确加注的目的。冷冻机油也是采用同样的加注计算方式，每次加注完成后系统会自动归零，以方便下次的添加。

4 系统试验

4.1 多人读取数据

通过对本系统的试验，多位学生在各自的手机上（目前开发的安卓手机）安装一个APP软件，当汽车空调处于工作状态，可以实现多位学生同时利于手机APP软件读取系统运行的数据，方便各种数据的观察，大大提高了教学质量，增强了学生的学习兴趣。

图4 空调正常运行时的数据读取

图5 空调压力过低时的数据读取

4.2 数据显示及故障提醒

通过在汽车上安装此系统，利用移动终端读取数据，分别进行几种比较典型的试验:第一种情况是当空调正常运行时进行数据读取的试验，如图4所示；第二种情况是放掉一部分制冷剂，当系统压力过低时空调处于工作状态时的读取数据的试验，如图5所示；第三种情况是汽车空调出现故障，膨胀阀堵塞时运行的数据读取的试验，如图6所示。

图6 空调故障时的数据读取

图7 汽车空调加注选择界面

4.3 加注工作试验

当本系统处于运行状态时，点击加注按钮，系统会显示另一个界面，选择加注制冷剂R134a或者冷冻机油，在加注时可以自动计算加注的剂量，为了避免误操作，如加注制冷剂计算成冷冻机油的量，所以系统给出一个选择按钮，点击R134a加注或机油加注，2个按钮中只能有1个处于开启状态，或同时都处于关闭状态，不能同时开启2个按钮。高、低压加注或一端加注，系统都会自动相加，得出一个总的加注量，每加注一次完成后系统自动清零，为计算下次加注做准备，具体如图7所示。

5 结论

通过试验，本系统初步实现了设计的目标，尤其作为教学设备，多个学生同时读取汽车空调的数据，方便了教学。压力读取时，通过与歧管压力表读取的数据基本相符，通过多次试验发现，基本误差保持在低压0.05 MPa、高压0.3 MPa之间波动，但是在添加制冷剂时特别是气态制冷剂，由于压力及温度的变化，需要做大量的试验，目前误差还比较大些，误差率在3%～5%之间，在故障提醒等方面，系统基本符合设计的要求。