变频空调的设计陈东文档格式.docx
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Frequencyconversionairconditioning,monolithicintegratedcircuitSPCE061A
第1章设计任务概述及设计要求
1.1设计的内容、功能及技术指标
采用SPCE061A单片机，设计一套变频空调的控制系统，该控制系统由上位机和下位机两部分组成。
主要设计参数为：
电源：
AC220V/50HZ，压缩机的功率为2KW，风扇电机为AC220V/20W，换向阀为AC220V/20W。
做为上位机要承担的主要设计内容是：
⑴、系统的整体设计和集成；
⑵、用SPCE061A单片机控制电路，包括硬件部分和软件部分。
⑶、完成相关的设计图纸和设计说明书的撰写，并且通过毕业设计答辩。
1.2设计实现的主要功能
⑴、控制系统由上位机和下位机两部分组成。
室内机作为上位机，室外机作为下位机。
上位机实现对室内温度的采集、室内机的控制、红外遥控信号的接收和处理、LED/LCD显示室内温度、设定值温度、运行状态等、导风板电机的控制、室内风扇电机的控制、以及与下位机的通信等，对下位机，上位机要实现对下位机的控制、保护、以及硬件的管理等作用。
下位机要实现室外温度信号的采集（包括冷凝器温度和压缩机的温度）、压缩机的运行控制、换向阀的运行控制，室外风扇电机的控制、以及与上位机的通讯等功能；
⑵、逆变电路的主要电路采用智能功率模块IPM，也可采用自行设计的合理的电路；
⑶、上位机与下位机的通讯要采用RS485的总线通讯方式；
⑷、压缩机的驱动脉冲采用PWM控制方式。
1.3主要技术指标（电气控制的要求）
电压波动范围为：
160V—260V，室内温度控制精度为：
±
1℃，压缩机的运转频率范围为：
30—100HZ，启动频率为：
20HZ，空调使用温度条件为：
-15℃—+45℃。
第2章硬件设计
硬件设计是本设计是本设计环节的主要内容，也是从原理上去设计空调控制器的重要步骤。
硬件设计这部分我将从设计方案的确定和具体硬件电路的设计两章来叙述。
2.1方案的提出和选择
我国已成为世界上的空调生产和消费大国。
与变频空调相比，定速空调存在高能耗，低效，温度波动大，舒适感较差等缺点，因此，变频空调一经推出，就引起了政府、厂家和用户的关注。
目前我国的空调市场上已经出现了一些变频空调，为减小房间温度的波动，使人感觉到舒适，同时又能节点，提高用电效率，而且使空调的控制功能强，控制设计人性化，这就为空调器的设计提出了更高的要求，本设计就是在此背景下提出的。
我们将从空调的基本原理入逐步了解和深入，在此基础上提出我们合理的设计方案。
2.1.1设计原理
本设计中控制的核心部分是SPCE061A单片机，控制的对象就是空调。
首先我们就单片机为什么能作为主控制器芯片来进行控制给以阐述，再次将对空调器的原理加以描述，结合单片机的控制，变频空调又是怎么工作的加以理解。
2.1.2SPCE061A应用于空调控制的原理
SPCE061A型单片机是由陵阳科技公司最新推出的一款16位的微处理器。
具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断能力强等特点，内嵌32K字闪存FLASH、处理速度快、能够很方便地完成普通单片机的功能。
是进行毕业生设计的理想产品。
SPCE061A具有的这些功能完全满足我们设计空调控制器的要求，而且其简单的结构、操作性强的编程语言、以及其便宜的价格都是我们做毕业设计并进行实践的首选产品。
在这次设计中，我们要用到普通的I/O口、具有串行通信功能的串行数据输出口、还要有外部中断和外部时钟控制等端口。
SPCE061A内核采用16位的微处理器，工作电压在2.6—3.6之间，I/O端口的高电平是5.5V，具有驱动一般设备的电压等级，其内部内置2KB的SRAM和32KB的内存FLASH，两个16位的可编程定时器/计数器提供了方便的计时和计数功能，两路10位数/模转换（DAC）输出通道，32位的通用可编程I/O端口A口B口，14个中断源和7通道的10位电压模/数转换（ADC）和单通道的声音模/数转换，这些都为我们的设计提供了良好的接入口，完全满足我们设计的要求，也能实现我们实际的功能和目的。
SPCE061A是继u’nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。
目前有两种封装形式：
84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。
主要性能如下：
■16位u’nSP微处理器；
■工作电压：
VDD为2.4~3.6V（CPU）,VDDH为2.4~5.5V（I/O）；
■CPU时钟：
32768Hz~49.152MHz；
■内置2K字SRAM、内置32KFLASH；
■可编程音频处理；
■32位通用可编程输入/输出端口；
■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
■16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
■2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
■7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道语音模-数转换器；
■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制（AGC）功能；
■系统处于备用状态下（时钟处于停止状态）耗电小于2mA@3.6V；
■具备触键唤醒的功能；
■14个中断源：
定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；
■使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
■具备异步、同步串行设备接口；
■具有WatchDog功能
■具有保密能力；
表2.1单片机SPCE061A在设计中能用到的参数特性：
特性参数
SPCE061A
SRAM容量
2K字
ROM容量（字）
32K闪存ROM
并行I/O端口A
IOA15~0
并行I/O端口B
IOB15~0
音频输出方式
DAC×
2
中断源
TimerA/B、时基信号发生器、外部中断、触键唤醒
唤醒源
IOA7~0其它中断源
定时/计数器
双16位加计数定时器/计数器双通道PWM输出
UART
具备
ADC
7通道10位电压模-数转换器（ADC）
和单通道声音模-数转换器（ADC）
串行SRAM接口
具备（凌阳格式）
晶振
低电压复位
低电压监测
内置ICE接口
上电复位
定时器
麦克风放大器和自动增益控制
单通道
节电功能
中断控制功能
再有SPCE061A的时钟最高可达49M，具有32个I/O口，而且具有一定的语音处理功能等，这些都为我们实现电路提供了非常便利的条件。
同时也因为开发环境友好，易用，方便同时配有语音播放函数，这些大大加快系统开发设计。
本系统核心是控制算法的设计和实现，各方面指标基本达到题目要求。
2.1.3变频空调的原理和基本组成
一、空调的基本组成和制冷制热原理
①空调的基本组成
一个既定空间内的空气环境，一般要经受来自空间内部产生的热、湿和其它有害物的干扰及来自空间外部气候变化、太阳辐射和外气中有害物的干扰。
消除上述干扰的技术手段是通过空气和水等介质，经热、质交换将多余的热、湿和有害物转移、置换或冲淡。
一个空调系统一般由图2-1所示的各部分组成，其中空气处理装置是实现热、湿交换的核心部分。
图2.1空调的基本组成
②空调工作的能够制冷制热，它主要是遵循热力学原理，即：
热力学第一定律：
即热传导中的能量守恒定律
热力学第二定律:
（1）机械功可以全部变成热，但热却不能无条件地全部转换成机械功，即不可能从单一热源取热使之完全变为功而不引起其他的变化。
（2）不可能把热从低温物体传向高温物体而不引起其他变化。
这就是说：
只要借助于外界的力量（即“人工补偿”），就能完成将热量从低温物体（被冷却介质）传向高温物体（环境介质）的过程，从而实现制冷的目的。
对制冷剂而言，压力越低，其汽化的温度点越高。
这样，我们就可以通过控制压缩机输出的压力，来使制冷装置输出我们想要的温度值。
③空调的制冷原理
制冷实质就是能量的转移。
制冷就是把房间内的热量，通过制冷系统的压缩机、冷凝器、导向阀、蒸发器的工作置换到房间外面。
制热的过程（热泵型）与制冷是相反的。
在制冷的过程中，压缩机是能量的搬运者，制冷剂THR03b为运送能量的媒介。
④空调的制热原理
空调的制热可分为电热制热和热泵制热两种方式。
⑴电热制热：
电热制热方式的加热元件有电热管和PTC两种。
电热制热的原理是：
空调器接通电源，发热元件表面温度升高。
当达到设定温度值时，分机运转。
室内空气被分机吸入到发热元件表面，流经发热元件后温度升高。
升温后的空气又被吹入室内，如此不断的循环，使室内空气温度逐渐升高，从而达到取暖的目的。
⑵热泵制热：
热泵型空调器与单冷型空调器的不同之处是在室外机增置了一个四通换向阀，在制热时它能使室外、室内热交换器（也称蒸发冷凝器和冷凝蒸发器）的制冷剂流向“转换”，将压缩机排出的高温高压的制冷剂气体转换流向室内，从而达到室内制热的目的。
⑤除湿原理：
⑴环境决定：
夏天湿度较大霉菌易于生长，产生异味，且给人以闷热的感觉。
除湿可以给人们提供健康的生存环境，使皮肤感觉干爽舒适，使人们的生活状况有所提高。
⑵除湿原理：
空调制冷时，室内热交换器表面温度低于室内空气露淀，室内热空气经过热交换器时，空气中的部分水蒸气在热交换器表面上凝成露珠，起结果是空气既被冷却又被减湿，温度下降了、湿度也下降了。
为避免因除湿导致室温波动太大，空调的压缩机采用间歇工作方式来达到除湿的目的。
⑥除霜原理：
⑴室外环境温度决定：
冷暖型空调器在制热运转状态下，当室外环境温度低于0℃以下时，室外热交换器的蒸发器温度就会在-8℃以下，导致热交换器换热能力下降，室内温度缓慢下降。
因此，必须及时除去热交换器上的霜层。
⑵制热运转除霜：
采用制热运转除霜,由室外压缩机出来的高温、高压制冷剂气体,一部分流向室外热交换器,使热交换器表面的霜层融化,另一部分继续流向室内热交换器。
二、变频空调的组成及工作原理
①变频空调设计的背景及依据
为了保证空调的稳定性和产品的质量，必须让生产过程精确无误，这样才能让人们的生活质量保持在一个良好的状态中。
因此，随着社会生产力的发展和人民生活水平的提高，空调也以普通式发展为当今世界空调器行业中技术最先进的变频式空调器。
②本次变频空调设计的内容及变频空调的特点
本次设计所用的典型变频空调的制冷系统由变频压缩机、室内换热器、室外换热器、电磁四通阀、电子膨胀阀等组成。
控制系统包括室内机控制电路、遥控器、室内机显示面板、室外机控制板电路和电源控制板电路。
图2.1是本次设计的交流变频空调系统的原理结构图，包括一台室内热交换器、一个电子膨胀阀、一个四通阀、一台室外热交换器，其中压缩机为三相感应电机，并具有化霜回路。
变频空调是与传统的定频空调相比较而产生的概念。
众所周如，我国的电源电压是220伏、50赫兹，在这种条件下工作的空调称之为定频空调。
由于供电频率不能改变，定频空调的压缩机转速基本不变，所以它不能大幅度地调节制冷（热）量，而是通过频繁开启和关闭压缩机的方式来调节房间温度的高低。
而与之相比，变频空调能改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，当供电频率高时，压缩机转速就快，空调器制冷（热）量也就大；
当供电频率较低时，空调制冷（热）量就小。
这就是变频空调的原理。
变频空调在工作时，空调根据房间的温度，自动控制变频器输出频率较大的交流电，使电动机的转速加快，压缩机的制冷量加大，达到快速制冷或制热的目的。
相反，当房间的制冷或制热量较小时，压缩机以正常速度或较低速度运转，因此，变频空调具有连续的制冷量的调节，使得房间的温度波动较小。
在压缩机工作过程中，微电脑系统控制变频压缩机的同时，也控制电子膨胀阀的开启度，保持适当的制冷剂的流量，从而直接改变蒸发器中制冷剂的流量使其状态发生变化，压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应，压缩机的排气量与膨胀阀的供液量相对应，使过热度不至于太大，使蒸发器的能力达到最大限度的发挥，从而使制冷系统实现最高效率的控制。
以下是变频空调的基本构成图：
图2.2变频空调的原理结构图
2.2变频空调制冷、制热及工作的原理
变频空调与普通空调或称定转速空调的主要区别是前者增加了变频器。
变频空调的微电脑随时收集室内环境的有关信息与内部的设定值比较，经运算处理输出控制信号。
交流变频空调的工作原理是把工频交流电转换为直流电源，并把它送到功率模块（大功率晶体管开关组合）；
同时模块受微电脑送来的控制信号控制，输出频率可调的交变电源（合成波形近似正弦波），使压缩机电机的转速随电源频率的变化作相应的变化，从而控制压缩机的排量，调节制冷量或制热量。
直流变频空调同样把工频交流电转换为直流电源，并送至功率模块，模块同样受微电脑送来的控制信号控制，所不同的是模块输出受控的直流电源（无逆变环节）送至压缩机的直流电机，控制压缩机的排量，因此直流变频空调更省电，噪声更小。
其运行经济性、舒适性以及其特点如下：
1、变频器能使压缩机电动机的转速无级连续可调，其转速是根据室内空调负荷而成比例变化的，当室内需要急速降温（或急速升温），空调负荷加大时，压缩机转速就加快，制冷量（或制热量）就按比例增加，当达到设定温度时，随即处于低速运转维持室温基本不变。
2、变频空调的节流是运用电子膨胀阀控制流量，它的室外微处理器可以根据设在膨胀阀进出口、压缩机中气管处的温度传感器收集的信息来控制阀门的开启度，随时改变制冷剂的流量。
压缩机的转速与膨胀阀的开启度相对应，使蒸发器的能力得到最大限度的发挥。
同时，由于采用了电子膨胀阀作为节流元件，化霜时不停机，利用压缩机排气的热量先向室内供热，余下热量送到室外，将换热器翅片上的霜融化。
3、常规定速热泵型空调的制热量、制热系数受室外环境的影响较大。
天气越冷，房间需要的供热量就越大，然而此时由于室外温度低，蒸发温度也就越低，室外机从环境中所能提取的热量就少，因此往往不能达到供热需求，也就是说常规定速热泵运行的热舒适性较差。
而变频热泵空调就能克服这一缺陷。
在室外温度较低时，它能以较高的频率运行，因此变频热泵在供热需求量高的寒冷天气里依旧能提供足够的供热量，运行的热舒适性较好，制冷亦然;
2.3提出、论证和确定
设计方案的方案是根据设计任务的要求，在满足设计要求和目的的前提条件下，利用最有价值的电路和控制方法完成设计的要求。
本次设计的变频空调由任务书可以知由上位机和下位机两部分组成，各完成自己的控制功能和控制算法。
在进行设计方案的设计之前我们除了，前面了解设计的原理等外，还要很明确地知道设计的要求、目的和设计的设备要实现的功能。
作为室内单元（上位机）的设计，根据设计任务书的要求我们可以看出，需要设计的模块有：
（1）检测室内温度和室内盘管温度，计算出室内温度变化率;
（2）检测电压电流是否正常;
（3）接受遥控器传来的信号，并判断用户要求是否合理;
（4）将室内各温度参数以及用户要求传递给室外控制单元，并接受反馈的
目标信号，确定工作状态的变化;
（5）控制室内风机的运行方式，即进行风速调节;
（6）控制导风板的工作状态，即调节它的开度大小来控制风向;
（7）控制百叶窗的工作状态，调节室内吹风是否摆风;
（8）负离子空气净化功能;
（9）具有自检功能，并显示空调现行工作状态;
（10）五种运转方式实现:
自动运转方式、制热运转方式、制冷运转方式、除湿运转方式、送风运转方式;
（11）24小时定时开机、关机;
（12）时间延迟安全控制;
（13）睡眠运转控制;
（14）工作指示灯显示（上电，睡眠，定时）;
（15）室内换热器盘管过热保护;
室内风机工作异常保护。
根据以上介绍的变频空调室内机的控制功能，可以看出室内机器在整个系统中处于主要地位，负责传递数据，并按照室外控制单元的要求进行工作，它是空调系统中与用户最为密切相关的部分，对空调系统性能是否优越、用户满意度如何起着决定性的作用，不容忽视。
按照任务书和以上的分析，可以看出，变频空调的设计是一个集电子电路设计、控制理论设计、热力学应用、计算机控制技术应用、以及程序设计为一体的大型系统。
空调的模块、以及风扇电机的控制模块不做详细的叙述，主要是在红外信号的接收、PID控制的算法、步进电机的控制、以及SPCE061A单片机本身存在的不适合本次设计的内容进行详尽的叙述。
下面将从各个单元入手逐个详尽地介绍单元模块的设计方案，并做出舍取。
具体单元电路设计方案的提出和论证发展已经经历了很长时间，各项技术已经达到成熟的标准，所以本次设计中，将在个别技术难点了进行详细的说明和设计，在一些已经很成熟和完美的单元模块，我们将采用比较成熟和性价比高的单元器件，以达到设计的要求，满足设计的内容的目的。
在电源模块、温度采集AD转换
2.3.1电源模块的设计
本次设计中的电源供电模块，主要要求要满足提供给系统所需要的所有电源，包括：
+5V主控板用电，+12V导风板用电及继电器、室外电子膨胀阀、报警电路用电，220V风扇电机、室外压缩机用电等。
对满足这样的供电要求的设备，我提出以下两个方案：
方案一，主电源取市电220v，进线经过电容滤波、压敏电阻保护，经1级变压器变成13.5v的交流电，经过整流电路整成+12v左右的直流电，经7812稳压器稳成+12v的控制电压供控制单元使用。
这个+12vDC电源经7805稳压器稳成+5v的控制器SPCE061A用电。
风扇电机和室外用电可以直接经过电源侧接到室外接口上，供室外设备用。
经过这些单元器件完成简单的电源电路的设计。
方案二，主电源取市电220v，进线经过电容滤波、压敏电阻保护，经过三绕组变压器变成13.5v和6.5v两个电压等级的分列式电源，13.5v经过7812稳压器稳成+12DC电源，满足驱动电源的要求。
6.5v经过7805稳压器稳成+5v电源供控制器SPCE061A使用。
在上述方案中，方案一，在电路设计上，追求电源的同频和电源的设计电路的简单，可以节省变压器的成本，但是在抗干扰上，+12v和+5v接在一起，对系统的稳定性和单片机的稳定运行不利。
方案二，采用三绕组变压器设计，这样+12v和+5v电源就分开来，这对于单片机的稳定运行和系统的安全是有很大好处的。
所以在电源设计中，我们采用三绕组变压器设计方案，完成电源单元电路的设计。
2.3.2温度采集模块的设计方案
本设计中的要求是，室内机（上位机）的温度采集主要有两
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