DS1821在汽车空调制冷控制中的应用?

【摘　要】阐述了蒸发器表面温度控制在制冷时的重要性，介绍了DS1821的工作原理、结构和功能，并给出了DS1821在蒸发器温度控制中的应用。
     关键词：DS1821，制冷，蒸发器，控制
 
　　空调的蒸发器是热交换装置，如果蒸发器表面温度过低，空气中的水分被析出后结霜，此时若蒸发器中制冷剂流量不减弱，则蒸发器表面会逐步结冰，最终导致蒸发器无法工作（风不能通过，无法进行热交换），空调也就无法制冷。所以，空调器最基本、也是最主要的控制任务就是防止蒸发器表面结霜，即控制蒸发器表面的温度。目前汽车空调蒸发器的温度控制主要有离合器－热力膨胀阀系统（CCTXV系统）和离合器－节流管系统（CCOT系统），它们都是通过恒温器控制离合器，进而控制压缩机的转停来达到除霜目的的。恒温器主要有波纹管式和双金属片式两种形式，前者为热力杠杆式结构，敏感元件为感温包，后者通过温度系数不同的两块金属片触点的接通和断开来控制离合器接通和脱开。它们的工作精度均不高。数字式温度传感器DS1821具有恒温器和单总线两种工作模式，在恒温器工作模式下它有温度开关的功能，可以用来控制汽车空调蒸发器的表面温度。

1　DS1821的功能和封装
　　DS1821是美国Dallas公司生产的数字式温度传感器，与微控制器的连接简单，它采用单总线（1－Wire Bus），即用一根数据线与微控制器连接，按照单总线通讯协议与微控制器进行通讯，工作温度范围为－55℃～125℃，在0℃～80℃时的精确度为±1℃，完全满足汽车空调控制的要求。其封装形式有两种：8引脚的SOIC形式封装和3引脚的PR35形式封装，如图1所示。

引脚说明：
　　QD：数据输入／输出线；
    Vdd：接电源；
    GND：接地；
    NC：悬空。
　　DS1821既可以用作8位的温度传感器，又可以作为恒温器使用，当用作恒温器时，DS1821具有温度开关的功能，由用户设定告警触发点TH和TL，用户设定的触发点和设置在触发时DQ引脚的电平（POL）被保存在DS1821的内部EEPROM，即保存在TH寄存器、TL寄存器和工作寄存器中。
2　DS1821的工作原理
   DS1821的工作原理如图2所示。
　　DS1821通过记录时钟周期数来测量温度。DS1821中有两个振荡器：低温度系数振荡器和高温度系数振荡器，被记录的时钟周期数是由低温度系数振荡器在高温度系数振荡器决定的门时间之内的时钟周期数。低温度系数振荡器的计数器被预置为－55℃所对应的基数，如果计数器在门时间内计数到零，则预先设置为－55℃的温度寄存器增加1℃，同时计数器由斜率累加器电路决定的值重新预置，

这个斜率累加器电路还可以补偿振荡器相应于温度的抛物线特性。计数器重新开始计数，如果仍在高温度系数振荡器决定的门时间内计数器计数到零，温度寄存器的值又增加1℃，而计数器又重新置数。重复上述步骤，直到计数器计到零时的时间超过由高温度系数振荡器决定的门时间。这个过程完成以后，温度寄存器中的值就是当前的温度。
3　DS1821的结构
   DS1821的结构如图3所示。

　　TH寄存器和TL寄存器均是非易失的可电擦写的存储器EEPROM，用户可以在单总线工作模式下对TH和TL寄存器进行读写。TH和TL寄存器为8位寄存器，其格式如下：

S位是符号位，0为正，1为负。
　　温度寄存器格式同TH、TL寄存器格式一样，1位符号位，7位有效数据，它的值就是对应的温度值（摄氏温度），如：7DH为＋125℃，19H为＋25℃，E7H为－25℃。
　　工作寄存器也是8位寄存器，格式如下：

 

    T／R：工作模式控制位，T／R＝1时为恒温器模式，T／R＝0，为单总线模式。在单总线工作模式下，数据的传送要遵循单总线协议，有关单总线协议及操作见文献1；
　　POL：温度超过告警点时DQ的状态，POL＝1时DQ为1，POL＝0时DQ为0；
　　THF：在恒温器工作模式下，当温度超过TH中设置的值时，THF被置为1，并保持1直到用户重新将其清0；
　　TLF：同THF一样，在恒温器工作模式下，当温度低于TL中设置的值时，TLF被置为1直到用户将其清0；
　　THF和TLF提供了在一定的时间内，温度是否超过告警点的信息。
　　1SHOT：在单总线工作模式下，该位决定采用对温度连续检测方式还是采用单步检测方式，当1SHOT＝0时为连续检测方式，1SHOT＝1时为单步检测方式，在恒温器工作模式下，始终为连续检测方式；
　　DONE：在单总线模式下，1SHOT＝1时，用户可以查询DONE位以确定温度是否检测完毕，当DONE＝0时正在检测，DONE＝1时检测完毕；
　　NVB：写EEPROM时的状态查询，NVB＝0，正在写EEPROM，NVB＝1，写完毕。
　　在工作寄存器中，THF，TLF，T／R，POL，1SHOT这5位均存储在非易失性存储器EEPROM中。
4　DS1821的恒温器工作模式
　　当T／R＝1时，DS1821上电后处于恒温器工作模式，连续检测温度。DQ作为DS1821的信号输出引脚。要使用DS1821的恒温器功能，必须在单总线模式下对TH和TL寄存器进行设置。DS1821作为恒温器的工作原理如图4所示。

　　设POL＝1，DS1821检测到温度超过TH寄存器中设置值时（告警点），DQ的状态由0变为1（POL＝0时DQ由1变为0）并保持1状态，当DS1821检测到温度低于TL中的值时，DQ由1变回0，如次循环往复。用户可以通过查询THF和TLF的状态来了解温度是否超过告警点。
5　DS1821在汽车空调蒸发器温度控制中的应用
　　基于对DS1821恒温器工作模式的分析，DS1821具有温度开关的功能，当温度超过告警点时可以利用DQ引脚驱动执行部件，完成某个动作。对空调蒸发器表面温度进行控制时，当蒸发器表面结霜（温度低于0℃）时，DQ输出一个信号，控制电磁离合器，脱开发动机与压缩机的连接，开始除霜。电路原理图如图5所示。

　　设置TH＝4℃，TL＝0℃，POL＝1，T／R＝1，空调开始工作时的温度肯定超过TH，DS1821的DQ输出为1，经反相为0，打开光隔，电磁离合器连接压缩机和发动机开始制冷，蒸发器表面的温度也开始下降，当蒸发器表面温度下降到超过0℃时，DQ输
出为0，反相后为1，关闭光隔，电磁离合器则脱开发动机与压缩机的连接，压缩机停止运转，开始除霜，蒸发器表面的温度逐渐升高，当温度高于TH的设定值时，DQ变为1，打开光隔，电磁离合器又接通发动机和压缩机，开始制冷，如此循环往复，从而控制了蒸发器的表面温度，防止其结霜。
　　DS1821在汽车空调控制中还可以作为环境温度开关使用，当车外温度高于某个设定值（TH）时，电磁离合器闭合，压缩机开始工作，而当车外温度低于某个设定值（TL）时，电磁离和器脱开，压缩机停止工作。
　　DS1821在单总线工作模式下可作为温度传感器用于温度的测量，由于它是数字式的，测量温度时无需A／D转换等其它器件，其数据就可以直接供微控制器使用，只要两者之间数据传输遵循单总线协议。在与MCS－51等系列单片机连接时，MCS－51系列没有单总线接口，需要用软件模拟单总线的操作。另外，与DS1820和其他单总线器件不同的是，DS1821不能被编址，因此，在一根总线上只能挂一个DS1821，需要进行多点测量时，占用微控制器的资源较多，这限制了它作为温度传感器的使用。 　　1　陈孟湘．汽车空调．上海：上海交通大学出版社，2001