基于单片机的变频空调控制系统设计.docx

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基于单片机的变频空调控制系统设计

基于单片机的变频空调控制系统设计

摘要

生活中使用更加节能的空调来提升舒适度，既是人们生活的追求也是国家节能减排的需要。

相比于老旧的定频空调，无论是舒适度、经济性还是寿命，变频空调都具有绝对的优势。

因此，研发更高性价比的变频空调成为目前空调企业的首要目标。

本文详细地介绍了变频空调的内部结构、运行方式及其工作原理。

设计了变频空调的控制系统，首先采用Protues对硬件结构进行了设计，包括室内机控制模块、室外机控制模块、通讯模块、温度读取模块、显示模块、按键模块、变频模块和电机控制模块等。

然后介绍了控制系统中各模块的实现方法，利用串口通信进行室内外数据传输、采用温度传感器DS18B20进行温度读取工作，根据设定温度和实际温度的差值，采用PWM来控制压缩机的转速，并用C语言编制了各模块的控制程序。

最后利用软件仿真了控制系统的程序，可以实现制冷、制热、送风和除湿四种工作模式，满足变频空调控制系统的要求。

关键词：

变频空调、单片机、控制系统、PWM、双机通信

DesignofFrequencyConversionAir-conditioningControlSystemBasedonSingleChipMicrocomputer

Abstract

Theuseofmoreenergy-savingairconditioninginlifetoimprovecomfortisnotonlythepursuitofpeople'slife,butalsotheneedofnationalenergyconservationandemissionreduction.Comparedwiththeoldfixed-frequencyair-conditioning,frequencyconversionair-conditioninghasabsoluteadvantagesintermsofcomfort,economyandlife.Therefore,thedevelopmentofvariablefrequencyairconditioningwithhighercostperformancehasbecometheprimarygoalofairconditioningenterprises.

Inthispaper,theinternalstructure,operationmodeandworkingprincipleoffrequencyconversionairconditioningareintroducedindetail.Thecontrolsystemoffrequencyconversionairconditioningisdesigned.Firstly,thehardwarestructureisdesignedbyProtus,includingindoorcontrolmodule,outdoorcontrolmodule,communicationmodule,temperaturereadingmodule,displaymodule,keymodule,frequencyconversionmoduleandmotorcontrolmodule.Thentherealizationmethodofeachmoduleinthecontrolsystemisintroduced.Serialcommunicationisusedforindoorandoutdoordatatransmission,temperaturesensorDS18B20isusedfortemperaturereading.Accordingtothedifferencebetweensettemperatureandactualtemperature,PWMisusedtocontrolthespeedofcompressor,andthecontrolprogramofeachmoduleisprogrammedinClanguage.Finally,thesoftwareisusedtosimulatetheprogramofthecontrolsystem,whichcanrealizethefourworkingmodesofrefrigeration,heating,airsupplyanddehumidification,andmeettherequirementsofthevariablefrequencyairconditioningcontrolsystem.

Keywords:

FrequencyConversionAirConditioning；SingleChipMicrocomputer；ControlSystem；PWM；DualComputerCommunication。

1.绪论

1.1课题背景

变频空调从上世纪80年代初发展至今，已有40年左右。

变频空调的出现大大地提高了人们的生活舒适度和生活质量。

。

对于家用电器尤其是空调这种可选择购买的电器来说，人们关注的主要方面无非是：

第一，是否用得好，真的对自己的生活质量有足够的提升；第二，是否用得起，空调的价格以及空调所花费的电费是否在自己的接受范围内；第三,是否用的住，买回来的空调使用起来寿命如何，能用几年。

这是人们购买空调的主要关注点。

而相比于老旧的定频空调，无论是舒适度、经济性还是寿命，变频空调都具有绝对的优势。

因此，研发更高性价比的变频空调成为目前空调企业的首要目标。

近些年来，夏日的热度每年只增不减，空调的销售量也随之水涨船高。

生活中使用更加节能舒适的空调来提升舒适度既是人们生活的追求也是国家节能减排的需要。

因此，研究性能更加优良的变频空调是全社会的需要。

1.2变频空调技术发展历程与现状

世界上的第一台空调最早诞生于美国，1902年，美国人凯里制订研发了世界上第一台智能空调系统的计划。

而这个世界上最早出现的空调的服务对象并不是人，而是印刷机——为了防止印刷机油墨融化。

直到1928年，凯里公司才研发了第一台家用空调。

可由于当时经济大萧条以及第二次世界大战它没能发展普及开来。

空调虽诞生于西方，可在20世纪60年代之后，日本一直走在空调行业的前列，无论在家用空调器的生产制造技术还是控制技术方面。

后来变频技术的出现给了各电器公司另一种选择。

1983年，变频空调最早出现于日本东芝公司，该类型空调的出现打破了定频空调占据市场的局面。

相比定频空调，变频空调的优势几乎可以说是全方位的，无论是噪声控制、舒适程度还是经济性。

所以在随后的仅仅5年间，变频空调就占据了日本空调市场的30%。

而在2002年，变频空调已经占据了日本空调市场的95%以上。

而在今天，空调市场的绝大部分都被变频空调占据，定速空调已经退出了市场。

变频空调以其节能性、舒适性及其经济性等明显优势被消费者所选择。

然而中国变频空调的发展是要落后于西方国家的。

从上世纪90年代初开始，中国家用空调产业才算起步，出现了美的、格力、海尔等一批空调企业。

20世纪90年代末，很多国内空调企业推出了变频空调，但一直没有规模化和系列化。

20世纪末到21世纪初，随着我国人民环保意识和电力需求的进一步提高，人们越来越重视环境保护。

同时我国发布了“节能减排”策略，为积极响应国家发布的政策，我国各大空调企业开始了自己的变频空调研发之路。

1993年，青岛海尔空调有限公司开发了国内第一台变频空调。

这一台变频空调的诞生与日本相差十年。

之后在中国经济快速发展的趋势下，国家和人民认识到不能以生态破坏为代价促进经济发展。

于是，低碳节能的变频空调越发被全社会和各大空调企业所接受与认可。

近年来，全直流变频技术越来越多地应用了起来，实现了变频调速。

与交流变频技术相比，其节能效果提高了10%-15%。

随着中国经济的迅猛发展人们生活水平持续提升，使用家用电器的人越来越多，使用家用电器的种类也越来越丰富，人们不再满足于它们所提供的基础功能。

冰箱不只能冷冻，洗衣机也不只能洗衣服，空调既要满足制冷和供暖的需要，又能节约能源，注重效率。

更多的空调意味着更多的环境污染和资源浪费，所以需要更多的厂家将变频技术应用于制冷和空调领域。

所以，研发使用变频技术的变频空调控制系统，有效地协助空调系统运转节能。

是实现空调节能，延长其使用寿命的有效途径。

1.3变频空调的优势

（1）节能。

由于变频空调有内部的变频器控制使压缩机始终工作在最佳运转速度同时因为在室内温度接近设定温度时压缩机运转速度很低避免了空调时开时停带来的电能浪费。

比恒频空调节约大约30%的电能。

（2）温度控制精度高。

变频空调的温度控制精度可达到1OC。

（3）噪音小。

达到设定温度后压缩机转速降低减小了振动噪音。

最新的全直流变频空调采用全直流变频调速将噪音降到了最小。

（4）温度调节速度快。

（5）电压要求低。

变频空调对工作电压的要求较低，在150~240V的电源电压下都可以运行。

（6）工作环境要求低。

变频空调对其所处的工作环境要求较低，一些甚至可以在零下20摄氏度左右开启工作。

图1-1变频空调与定频空调性能比较

1.4研究目的与意义

总所周知，当前中国环境最严重的问题要数每年冬天如期而至的雾霾问题。

目前，关于雾霾严重的问题有多种看法，有气候原因、重工业工厂原因、汽车排放原因等。

但在我看来，冬天雾霾产生的最大的原因在于供暖，锅炉燃烧的化石燃料煤炭可产生大量雾霾，这在那些供暖公司的大烟囱的没日没夜的排放中可见一斑。

而中国北方整个冬天都需要供暖，每家每户持续半年接受着化石燃料燃烧所带来的热量。

所以这也是为什么近两年中国采取“煤改气”策略。

然而生活在中国北方也经历了由于天然气不足而无法保证持续供暖的窘境。

而供暖设备除了暖气之外还有空调，空调供暖在南方的家庭较为普遍。

而北方由于暖气的存在并不需要花费高昂的空调。

但随着国家环保力度的加大，空调供暖也将慢慢为人们所重视。

而随着气候变暖，缺乏空调的夏天将变得异常难以忍受。

而空调发展到如今已经不仅仅提供调节温度的功能，还可以调节室内空气环境、空气湿度，提升人们的生活舒适度。

而目前中国仍有许多家庭、学校或办公地点未安装空调。

所以空调的潜在市场巨大甚至有可能在将来成为一件必需品。

而变频空调无疑是空调中的佼佼者。

所以研发高效高节能高性价比的实用变频空调符合了空调行业发展的大趋势。

经济好用的变频空调出现会提升全社会对空调额的需求量。

甚至在将来，空调的成本降低到一定程度，更加节能环保、经济实惠，也许会取代锅炉供暖，从而减轻中国北方冬季的雾霾。

而国家的“煤改气”策略也许会因此变为“煤改电”。

不再担心煤炭的尘埃和天然气的供量不足。

1.5本文研究方法

本文采用Proteus软件设计变频空调控制系统并仿真运行。

设计的是第3代全直流变频空调系统。

采用89c51单片机作为室内机室外机控制器、直流电机作为室内外风扇电机以及压缩机、共阴极数码管作为显示屏幕、Ds18b20温度传感器等。

室内机室外机控制器采用C语言编写内置程序达到控制效果。

通过单片机串口通信进行室内机与室外机之间的通讯。

输出脉宽调制波以达到调节控制电机频率从而控制电机运转速度的效果。

使用Keil软件进行C语言编程烧写。

2.系统硬件设计

2.1变频空调内部结构

2.1.1变频空调结构

中央空调主要是压缩机、室内蒸发器、室外冷凝器、室内温度检测器、室内控制器、室外控制器、室内外风扇、换向四通阀、冷却水循环系统等组成。

制冷模式下，由压缩机将原本低温低压的冷凝剂压缩成高温高压的过热蒸汽经过四通阀导向室外冷凝器。

室外冷凝器通过室外风扇的冷却散热作用将高温高压的过热蒸汽冷却成为低温低压的冷凝液体并将热量排入大气。

冷凝后的冷凝剂通过毛细管与干燥器通向室内蒸发器。

在室内蒸发器内，冷凝剂吸热气化并通过室内风扇将温度降低的空气吹向室内以达到降温的目的。

室内蒸发器内吸热气化的冷凝剂重新通过气体管流向储存器导向压缩机进行新一轮循环制冷。

制热模式下，四通阀换向，由压缩机产生的高温高压的过热蒸汽流向室内机蒸发器。

此时，室内机蒸发器其冷凝作用，高温高压的冷凝剂蒸汽放热冷凝成低温低压的液体冷凝液，并通过风扇将热量吹向室内达到升温的目的。

冷凝后的液体通过干燥器毛细管流向室外机冷凝器。

此时室外机冷凝器其蒸发器作用，将冷凝液气化并通过室外机风扇将冷气排出室外。

气化后的冷凝液经四通阀流向压缩机重新进行新一轮制冷。

由于在此过程中起到关键作用的就是压缩机，但由于压缩机在运行的过程中无法调节自身的承受负荷量，因此会造成巨大的浪费。

这就需要将变频技术应用到制冷系统的运行中来。

2.1.2变频技术

变频技术是由变频器来实现的。

变频器于上世纪80年代被研制出用来改变电源频率。

它可以将电源本来固定的50HZ频率变为30~130HZ可调节的电源频率。

同时它使得电器的工作电压变为150~240V。

拓宽了电器的工作电压范围，使电器不再因为早期电压不稳而无法工作。

异步电动机的转速为

（1）

式中n1——同步转速（r/min）

f——电源频率（定子频率）

p——磁极对数

异步电动机的转速为

（2）

式中s——转差率

式

（2）表明，要改变异步电动机的转动速度，应从

三个分量开始，任意改变这3个分量其中某一个，都可以改变异步电动机的转动速度。

但是，

和

在实际应用的情况下，调速范围实在有限。

所以通过改变

的大小，可以实现效率高、范围广、精度高的调速。

变频调速是一种非常有效、理想的异步电动机调速办法。

2.1.3变频空调类型

我国空调变频技术共有三代：

全为交流电的第一代交流变频技术、部分直流电的第二代部分直流变频技术和最终发展完善的全直流变频技术。

交流变频技术：

变频技术最开始是由交流变频技术开始的，在最初人们更加关注于变频的产生所以将研发时间投入在将日常使用的交流电进行变频后用以完善电器功能。

变频空调实现变频最主要是依靠其自身的变频器。

变频器将变频空调的输入电源进行变频操作，使其频率随着室内温差而发生相应的改变。

然后将此频率的电流输入进控制空调运转的压缩机使压缩机始终工作在最佳状态。

由于在此技术下无论是压缩机还是其他电机如风扇电机、导风板电机都是由交流电输入的，所以这一代变频技术被称为交流变频技术。

部分直流变频技术：

上一代的交流变频技术使变频技术实现了从无到有，于是人们开始研究对变频技术进行完善。

部分直流变频技术应运而生。

它可以使空调整体做到更加节能同时降低噪音。

输入进空调的交流电会在空调内部转换为直流电输出给压缩机，使压缩机工作在电压可变的直流电下。

相比于交流电工作在直流电下的电机性能发挥更加优良。

但由于这一代变频技术只有压缩机使用直流电源，风扇电机等尚未使用直流电，未能完全发挥直流电的节能空间，故有待进一步完善。

全直流变频技术：

全直流变频技术是目前变频技术发展最完善的新一代变频技术。

压缩机、室内机/室外机风扇均采用直流电供电的直流电机，极大地降低了能源损耗与噪声污染，是最理想的变频技术。

2.2系统硬件介绍

2.2.189c51单片机

为实现空调室内机室外机控制以及它们之间的通讯，需采用单片机（全称单片微型计算机）作为控制器。

在本控制系统中的室内外控制器芯片采用89c51型单片机。

89c51单片机为普通型51单片机。

其本身为一块集成的芯片，这块芯片里面集成了储存器（RAM、ROM）、中央处理部件（CPU）、定时/计数器和各种输入输出（I/O）接口等，能够完成一些特殊功能，而它的功能可以通过编程来实现。

通过C语言或汇编语言编程可以控制单片机的不同引脚在不同时间输出高电平或低电平，从而控制连在单片机各个引脚的电路元件与逻辑电路。

单片机是为实时控制应用而设计制造的故又称微控制器。

89c51内部设有2个定时器、2个外部中断足以满足控制需要。

如图2-1、图2-2所示。

图2-1单片机实物图

图2-2单片机模拟仿真图

单片机引脚功能:

89C51单片机有40个引脚，如图2-3所示。

这里将对此单片机再本控制系统中用到的主要功能引脚进行简单的介绍如表2-1：

Vcc（40脚）

+5v电源接口

Vss（20脚）

电源地端

XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）

用来接时钟电路具体接线可见单片机最小系统图。

RST/VPD（9脚）双功能控制端口

RST，一般用来接复位电路。

当RST端口输入高电平且保持至少两个机器周期时，单片机可完成复位初始化。

可见最小系统。

VPD，9脚第二功能，用来输入备用电源。

当系统需要设置断电保护功能时，只要电源接口的VCC低于规定好的低电平时，与VPD相连的备用电源会自动接入系统，将重要的信息保存在芯片上的RAM中。

P0口（P0.7-P0.0）:

P0口既可以作为单片机的数据总线也可以作地址总线使用，亦可作为通用I/O口使用。

同时值得注意的是当P0口作为I/O口使用时由于单片机P0口内部构造，需要将P0口接上拉电阻才能使得P0口输出高电平。

P1口（P1.7-P1.0）

P1口只能作为双向I/O口使用。

所以应尽量将控制信号输出端优先考虑接在P1口以防止接在其他口后无法使用其他端口的第二功能。

P2口（P2.7-P2.0）

P2口是一个8位准双向I/O口，它既可作为通用I/O口使用，也可与P0口配合，作为片外储存器的高8位地址总线。

P3口（P3.7-P3.0）

P3口可以作为准双向I/O接口使用，但是由于P3口第二功能中包含外部中断、定时/计数器、串口通信等，基本不作I/O口使用而是使用其第二功能。

表2-1单片机引脚功能表

图2-3单片机引脚图

2.2.2DS18B20温度传感器

本控制系统检测室内实际温度采用的温度传感器为DS18B20温度传感器（由美国DALLAS半导体公司生产）。

传统的测温元件有热电阻与热电偶，但由于其输出为电压等模拟信号，需要信号调理电路进行模数转换才能将转化好的数字信号送入计算机加以使用，硬件电路复杂制作成本较高。

故本变频空调控制系统采用直接输出为数字信号的DS18B20温度传感器来完成温度检测功能。

DS18B20功能介绍:

DS18B20数字式温度计的测温范围为-55~+125oC，精度最低为0.5OC，在设定12位输出数据时最高为0.0625摄氏度。

数个DS18B20可以通过并联相接在一根数据总线上，CPU这样就能与数个DS18B20实现互相通信，所占用单片机的端口数目很少，同时可以节省大量相对应的逻辑电路和接线。

DS18B20引脚接线:

DS18B20一共只有3个引脚，分别接电源、接CPU总线（与电源并联电阻以输出低电平）、接地。

如图2-4、图2-5。

图2-4DS18B20

图2-5DS18B20实物图

DS18B20优势:

①不再需要其他备份电源，可直接通过数据线来供电，电源电压要求低范围为3.3v~5v；

②数个DS18B20可通过并联相接于一个单片机I/O口，从而节省单片机端口占用数目及相应逻辑电路与引线。

③使用串口进行数据传输，无需其他元件协助。

④不同使用人群可根据自身需要通过编程自行设定所需要的极限温度报警值。

⑤零功耗待机。

⑥测到的温度数据用只有一根线的数据总线以数字信号进行传输，可大幅提高系统对环境的抗干扰性，用于一些恶劣环境下测温。

DS18B20的测温原理:

DS18B20的测温原理如图2-6。

图2-6DS18B20测温原理图

由上图可见，存在2个随温度变化而表现相反的振荡器。

其中低温度系数振荡器产生的脉冲信号的频率是随温度变化极低的。

甚至温度变化很大的条件下，它的频率也不会变，用作在计数器A中做减法计数。

其稳定不变的频率使得计数器A在不同温度下计数速度不变。

而高温度系数振荡器与低温度系数振荡器在温度改变下的表现恰恰相反，随着温度的变化，高温度系数振荡器所产生的脉冲信号频率随着温度变化而发生大幅的变化。

与计数器B配合提供温度寄存器中温度数据变化的时间。

下面介绍整体工作原理。

在DS18B20设计之初就会将-55摄氏度的对应的不同基数值分别存入计数器A和B与温度寄存器中。

由于高温度系数振荡器发出频率随温度变化而大幅变化的脉冲信号，所以在计数器B中的值为固定的基值的情况下，不同温度下，计数器B内的基值减到0所用的时间不同，与当时的温度相关。

此差异性为实现检测不同的温度提供了方法。

在此时间内，由低温度系数振荡器提供脉冲信号做减法计数的计数器A由于基数值固定不变每次减到0的所用时间也不变，且每次计数器A计数减到0时都会使温度寄存器中的基值加1同时自身重装载重复计数过程。

这样的稳定性为实现温度的线性增加提供了实现条件。

在计数器B提供的时间内，计数器A重复不停地计数到0并使温度寄存器中的基值加1。

这些基数值为研发人员已提前做好，在不同温度对应的不同时间内，计数器A稳定的使温度寄存器中基值增加直到达到实际温度。

例如，在10OC下计数器B减到0的时间为10s，则在这10s内计数器A会不停令温度寄存器中的值增加最后到达10OC。

为了减小误差还增加了斜率寄存器用来修正计数器A计数的线性工作，最终实现测定实际温度的功能。

2.2.3四通电磁阀

空调制冷时冷凝液由室外机部分流向室内机部分，而制热时冷凝液由室内机部分流向室外机部分。

不同模式下冷凝液的流向不同需要根据模式改变，故选取换向四通电磁阀。

通过软件控制当制冷时此四通阀控制冷凝液由室外流向室内，制热时控制四通电磁阀换向，同时在除湿模式下需控制四通阀按预设的程序换向以达到保持室内温度在一定值范围不变的情况下除去室内湿气保持室内干爽。

四通阀如图2-7。

图2-7四通阀

2.2.4共阴极数码管

本系统采用4位共阴极数码管显示工作模式及设定温度，2位数码管显示室外机控制器接收到的室内机传输过来的数据。

共阴极数码管基本功能为低电平接通显示，可通过控制单片机I/O口实现数码管显示功能。

2.2.5直流电机

由于本系统是第三代全直流变频空调系统，故电机为直流电机。

采用4个直流电机。

这4个直流电机分别控制室内机风扇、室外机风扇、导风板、压缩机的运转。

其中导风板与直流电机采用曲柄摇杆机构控制空调导风板做循环往复运动。

3.系统结构及功能实现

3.1控制模块

控制模块由2个89c51单片机构成，分别控制室内各元件及室外各元件。

3.1.1室内机控制模块

室内机控制机基本功能由单片机最小系统提供，如图3-1

图3-1室内机

单片机的最小系统包括电源供电模块、时钟电路模块、复位电路模块。

时钟电路的主要作用部件为晶振，是为单片机输入平稳的时钟信号的。

越高频率的晶振，体现在单片机上的表现为单片机运转速度越快。

复位电路使单片机能够通过设计按键动作来完成单片机复位初始化。

具体接线如图3-1。

室内机所完成的功能为

（1）时刻读取ds18b20温度传感器数据。

（2）时刻读取设定温度数据。

（3）提供通过按键改变设定温度的功能。

（4）提供读取空调工作方式的功能。

（5）将读取到的工作方式和设定温度显示在4位数码管上。

（6）为室内机风扇电机和导风板电机提供电源和控制。

流程图如下所示：

No

Yes