变频空调控制系统设计机电一体化课程设计.docx

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1、目录1 空调器的发展和基本分类12 变频空调器的结构框图13变频空调器制冷制热的工作原理14 变频空调器的总体结构设计24.1硬件单元电路的设计24.2电源电路的设计24.3步进电机的控制电路的设计44.4各部分硬件的设计65 变频空调器的控制系统设计85.1 风机的控制电路85.2 变频空调模型分析105.2.1模型分析105.2.2 MATLAB仿真115.2.3仿真结果116 软件流程图和主程序116.1系统程序流程图116.1.1主程序设计116.1.2 路温度采集程序设计126.1.3 显示部分程序设计136.1.4 风摆电机控制程序131 空调器的发展和基本分类 随着近年来我国人民

2、生活水平的提高，空调越来越多的进入到普通家庭。而定速空调与变频空调相比，存在高能耗，低效，温度波动大，舒适感较差等缺点。本次变频空调的设计可以减小房间温度的波动，使人感觉到舒适，同时又能省电节能，而且使空调的控制功能增强，控制设计人性化，这就为空调控制器的设计提出了更高的要求。设计提出以后就有了对变频空调的控制要求。按季节来分：夏季温度较高，湿度较大，空调器可以降温和减湿。冬季气温较低而且干燥，空调器可以升温和加湿。本次设计是结合普通实物空调，在分析了其电气控制系统的基础上，针对普通空调的缺点，在充分考虑系统安全性与可靠性的基础上，对变频空调进行设计开发2 变频空调器的结构框图根据任务书可知，

3、该系统需要人机界面（按键输入LCD1602显示），AD采样，以及单片机控制部分等模块，并且可以得到以下硬件系统框图图 3硬件系统框图3变频空调器制冷制热的工作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

4、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

5、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

6、供热量，运行的热舒适性较好，制冷亦然; 4 变频空调器的总体结构设计 4.1硬件单元电路的设计 根据前一章的理论分析，和在理论分析基础上提出的方案论证，最后得到设计的最终方案，我们就根据上面提出的方案来进行单元电路的设计。这部分的设计是具体的硬件电路的搭接，就是运用最基本的电器元件或集成元件进行硬件电路的设计。根据前面提到的，我们本部分将设计以下几个电路：电源电路、温度采集电路、步进电机的控制电路、风扇电机的控制电路、显示电路、红外接收电路、通信电路以及过流、过压、过零电路的设计。在这些电路的设计搭接过程中，我们还将对一些用到的元气件进行参数的计算、校验和元气件的选型。对具体的元气件我将列出详

7、细的元气件清单和参数表做为设计的依据。4.2电源电路的设计根据方案选择和确定中，对电源电路和设计中对电源的要求做出分析，列出电源设计方案，在此将设计电源的实际电路。下面将先画出电源的设计电路，然后进行工作方式的分析。图 3.4 空调电源的电路图本电源设计中，220v的原始电源是从市电取的，即才插头P1取的。在这个电路中FU是快速熔断器，是为了保护该电路在短路的情况下，不损坏设备及相关的电器元件。220v的电源一路经P2送室外机用电；一路经过FU，由滤波电容C0滤波，压敏电阻防止过压后，经三绕组变压器T0后，变成13.5v和6.5v两个电压级别的电压，供室内机的控制单元和驱动单元使用。变压器T0

8、的选择：三边的电压等级比为：220：13：6，这也是变压器绕组数的比例。在变压器的容量选择上，我们选择电压等级220v，容量的计算：容量等于功率和电流的乘积，在这个电路中，电压为220v。原边的最大电流是副边的所有电流的和。由电路可以知，微处理器控制端的电压最大是30毫安，在驱动电路侧，功率大的电机有风扇电机和步进电机，对于风扇电机，选择的是12w，额定电压220v的电机；步进电机选择的是3w6w的电机，额定电压12v。由此可以见变压器的容量，也就是30w左右，可选的型号有：MTD30w的变压器做为我们电源侧的变压器。变压器的副边的稳压和滤波调制单元中，13v等级的电压经整流器进行整流，使输出

9、为直流，整流后的电压经带极性电容C1和固态电容的滤波，送入稳压器LM7812，输出+12的直流稳压电源，这部分电源主要供给步进电机的驱动和风扇电机的控制电路使用；另一路6.5v等级的电压经整流器进行整流，再经电解电容和固态电容滤波后，送入稳压器LM7805，输出+5v的直流稳压电源，这一路的电源可以直接供给控制电路作为控制信号的触发或者是驱动环节的控制，+5v电源经过2个2极管后降压成3.4v左右的直流电源，这部分就供给主控制器SPCE061A的VDD使用，这是因为SPCE061A的端口承受的最大电压是3.3v左右，所以我们要采取这样的做法，这样一方面可以保护控制器的安全工作；另一方面，还可以

10、保证控制器内部的程序、以及控制命令的正确运行。以上就是本次设计中电源模块的硬件电路设计，因为稳压电源在实际工作中，已经很成熟而且很完善，所以本次设计中，只是利用一些实际中常用的参数作为本次电源的设计参数。这样可以提高电压的可靠性，使工作更加安全、流程更加完善。4.3步进电机的控制电路的设计根据设计任务书的要求，以及前面对设计方案的选择和论证，我们可以知道，本次设计中步进电机的控制的作用，也就是对风摆电机的控制，近而控制进入室内的风的风向风素，以及风的强若，以达到使室内流动的风给人们最好的感觉，风山电机的控制只是根据人对风的感受，进行控制。所以说在程序和硬件接线图上，并没了什么特别的地方，只是四

11、相八拍的步进电机的接法值得思考和学习。下面我们先列出本次设计的步进电机的控制电路的电路图，然后再从设计原理、参数计算等方面进行详细的阐述。图 2.6 四项八拍电机的电路图 从实际电路图可以看出，主要由驱动器ULN2003，以及四相八拍的电机构成整个电路。下面就这两块的内容进行解释。ULN2003是具有7个达林顿电路的集成驱动芯片,此芯片集电极可以收集电流达500mA。下面我们就其原理图进行分析：图 2.7 ULN2003原理图 这是一组达林顿管的工作原理图，进信号经2.7K电阻分压，然后经达林顿管的嵌位信号，最好反向输出，在此过程中，对进入信号进行了放大和增强，使得输出信号具有一定功率范围的驱

12、动能力。 下面我们就步进电机进行选型和参数校正：根据设计要求，要采用四相八拍的，功率在3w6w，额定工作电压直流12v的直流步进电机，根据这些要求我们选：57BYG007型。其主要参数是：额定电压DC+12v，相数四相，步距角0.72，电流0.38A，电阻32欧姆，最大力矩29.3g.cm。整个的性能指标和参数要求，都符合我们设计要求，其基本电路图为：图 2.8 直流进步电机电路图下面就步进电机的工作特性和选取原则进行说明： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲

13、信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难

14、确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）根据以上的选择步进电机的方法，我选择了我们现在使用的这个57BYG007型的步进电机，在满足我们设计要求的前提下，在性价比、重量等其他非主要因素上也是具有很突出的特点。4.4各部分硬件的设计(1).a温度传感器选择 根据任务要求我们选择了AT590作为

15、温度传感器，根据电阻分压（如下图左），实现由温度到电压值的转换，因为AT590的温度系数比较大，经计算当温度变化范围是0-99度时，可以不用运放，直接送到AD采样的输入端进行AD采样。 b.温度传感器AD590基本知识 AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V30V，检测的温度范围为55150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA，AD590温度与电流的关系如表1所示。摄氏温度AD590电流经10K电压0273.2 uA2.732V10283.2 uA2.832 V20293.2 uA2.932 V30303.2 uA3.032 V40313.2 uA

16、3.132 V50323.2 uA3.232 V60333.2 uA3.332 V100373.2 uA3.732 V表 1图4 温度传感器电路(2).AD转换器的选择 因为温度变化范围是-50-50度，理论上AD位数只要7位（128级）就够了，所以系统采用了经典的ADC0809（8位AD）作为AD采样芯片。温度的计算公式：V=5*Rt/(R+R1+Rt)。ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。a.ADC0809的内部逻辑结构8路模拟量开关8路A/D转换器三态输出锁存器地址锁存与译码器IN0

17、IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ABCALEVREF(+)VREF(-)OEEOCD0D1D2D3D4D5D6D7CLKST 图 5 ADC0809内部原理由图5可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。b.引脚结构(如图6)IN0IN7：8条模拟量输入通道 图6 ADC0809引脚图ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，

18、若信号太小，必须进行放大；地址输入和控制线：4条。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表2所示。CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表 2数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平

19、时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。c.ADC0809应用说明 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。初始化时，使ST和OE信号全为低电平。送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。是否转换完毕，

20、我们根据EOC信号来判断。当EOC变为高电平时，给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。5 变频空调器的控制系统设计5.1 风机的控制电路室内风扇电机的作用，根据从理解设计任务书可以得知，室内风扇主要是进行盘管温度的快速传递，室内风扇的风速的控制也就是控制向室内流动的调节后的风量的多少。从任务书可以理解到，风扇的主要工作速度不是很高，主要是在中频段。这就要对风扇进行合理的控制使其能随着温度的变化进行必要的速度调节，以下将就在满足设计要求的前提下，怎么调节风扇的速度才能使室内的空气流量最合理。下面我们就把这次设计中设计的风扇电机的驱动电路列出来，并进行详细的原理和参数计算等方面的阐述。图 2

21、.9 风扇电机的驱动电路图由这个电路的设计可以看出，里面包括了告诉双向三极闸流晶闸管，交流风扇电机这两块构成。以下就这两快分别进行阐述。双向三极闸流晶闸管，在本设计可以看出，其额定电压是220v，通态电流要根据电机的大小来计算。在这个电路设计当中，电机的额定最大功率是30w，所以在次设计中，双向三极闸流晶闸管的通态电流大约是0.136A。在此基础上，我们选择的双向三极闸流晶闸管的型号是：3CT16S。其具体参数如下： 3CT16S 是NPNPN 双向三极闸流晶闸管封装形式为TO-220。制造中采用的主要工艺技术有：P隔离扩散技术、台面玻璃钝化技术、多层金属化技术等 在Tc=25时候的额定参数是

22、：通态方均根电流 IT（RMS），15 A通态浪涌电流 ITSM ，150 A断态重复峰值电压 VDRM ，400，500，600 V门极耗散峰值功率 PGM ，20 W门极耗散平均功率 PG（AV）， 0.5 W门极正向峰值电流 VRGM ，5 V等效结温 Tvj ，125 存储温度 Tstg ，-40150 按照以上的参数，我们可以看出在我们设计的这个电路中，是完全可以满足我们设计要求的。在这里阐述双向晶闸管控制的调压调速依据为：异步电动机的电磁转矩为 (2-1)上式就是异步电动机的机械特性方程式，由方程式可知，当转速或转差率一定时，电磁转矩与电压的平方成正比。这样可以调节电压来控制电磁转

23、矩的大小。负载电压有效值U和晶闸管导通角的关系为： (2-2) 式中为触发角，为导通角。晶闸管电流有效值和负载电流有效分别为 (2-3)由(2-1)式和(2-2)式可知，当改变晶闸管的导通角时，相应的就改变了电动机定子上的电压，从而改变了电动机的电磁转矩。下面将风扇电机的选型给以说明。在风扇电机的选择，一，必须满足我们设计中对风扇电机的要求；二，价格要便宜等附加因素。我们这个设计中，因为是空调的设计，所以首先电机的体积要下，功率不是很大。额定电压是220v，电流大约在1A以内。在此基础上我们选的是：YDK30E型，是由湖州越球电机生产的。其参数如下：额定电压：220v，频率：50HZ，电容：3

24、.5uf，转速H:530，M:450，L:410， 功率：30w。电机和双向三极闸流晶闸管选择好以后，我将其控制功能在此进行简单的阐述。在本次设计中，我们可以充分利用控制器SPCE061A的IOB8端具有的PWM输出口，来实现对风扇电机的控制。这样设计电路中就一个很关键的问题，就是PWM信号的频率与风扇电机的驱动电源之间的频率同频的问题。在SPCE061A中我们可以通过检测电源同向输入端的电压过零信号，来触发PWM的发出，去控制风扇电机的控制电路。在程序中，我们可以将过零信号接到INTEXT1上，用每次的中断来控制PWM的输出，达到最终对风扇电机的控制。5.2 变频空调模型分析5.2.1模型分

25、析（1）空调模型相当于一个积分环节与一个惯性环节的串联。房间模型主要考虑室内外温度干扰与散热片热量共同作用于具有初始温度房间，经空气导热延迟，简化为具有一阶惯性环节。 （2）由任务书给定条件：房间热惯性时间常数 =450，空气导热延迟=35，通过分析,我们选择PID控制算法进行控制。 5.2.2 MATLAB仿真图 1 MATLAB仿真5.2.3仿真结果图 2 MATLAB仿真结果6 软件流程图和主程序 6.1系统程序流程图6.1.1主程序设计先列出其流程图：如图3.1，主程序是本次设计中，一切控制的开始，是整个系统中个单元模块集合的地方，是集成度最高的地方。程序一开始，先对在本次设计中用到的

26、I/O端口进行设置，这里面包括，设置输入、输出口以及一些特殊功能口，为整个程序打下基础。先进行室内温度的采集并送显示，这主要是为用户进行设定温度提供参考点。然后检测遥控器的控制命令的信号，要是有遥控器的控制命令，就根据命令的要求，进入遥控器控制子程序，进行处理。然后根据设定温度和实际室内的温度进行比较做出，空调工作方式的选择，即制冷或制热。根据差值计算出压缩机要运行的频率，送下位机压缩机运行。同时启动故障检测，检测是否有过流、过压，要是有就进行故障处理，要是没就继续等待遥控器的控制命令和整个系统的调节。图 10 系统流程图6.1.2 路温度采集程序设计先列出其流程图：如图3.2、图3.3温度采

27、集电路的作用，有两部分，一是完成室内环境温度的采集，供控制器与设置温度进行比较，然后作出运行方式的判断处理；二是完成盘管温度的采集的工作，然后根据盘管的温度对风扇电机、压缩机、电子膨胀阀进行控制。在本次温度采集程序设计中。在温度采集主程序中如图1，一开始对要使用的IOA0和IOA1口进行端口设置，即进行输入设置。然后开A口允许AD转换，进行转换通道的选择，选择好转换通道以后，就进入该通道温度采集子程序，如图2，先置采集次数计数器为4次，读取转换的数值到存储寄存器，判断是否完成4次温度采集，要是没到4次，就继续采集，要是到了4次，求其平均值，送判断处理，返回采集值到主程序。主程序中先进行是否完成

28、2通道转换进行判断，要是没了完成就继续上面的转换，要是完成了，就把AD采集的值读入到存储器中，然后把测得的电压值转换成温度值，作为本程序的返回值。6.1.3 显示部分程序设计先列出其流程图：如图3.4显示部分主要实现的功能，一是完成温度的显示，这主要包括室内环境温度的先，和用户设定温度的显示两部分；二是完成对整个系统的运行状态的显示，这包括运行、故障、除湿、除霜等。在本设计中，充分利用SPCE061A的SIO串行数据传送口的功能，使显示节省了大量的I/O口。程序一开始先对SIO口即IOB0和IOB1口进行设置，然后先检测遥控器的温度设置是否有，如果有就先显示设置温度，先启动SIO数据传送功能，

29、然后读取温度设定值，对这些显示值进行处理，即把十位显示和个位显示分出来，分别送显示寄存器，显示完后返回主程序。在室内温度的显示上，先是启动SIO数据传送，然后从温度采集程序中，读取温度值，然后对这些值进行处理，把十位和个位分开，分别送显示寄存器显示。完成后返回主程序。以上就是显示程序完成的功能和实现的过程。6.1.4 风摆电机控制程序先列出其流程图：如图3.5完成室内风摆电机的控制，这主要是控制导风板的开度，而导风板的开度又决定着吹进室内的风的风向和风的舒适度风摆电机的控制，主要是根据遥控器的控制信号的命令进行控制，当有遥控器控制信号时，先进行命令的判断，先判断命令是增大开度还是减小开度，然后根据命令的要求，对步进电机的运行步序进行调节，增加或减小步序。当步序小到0时或大到最大值的时候，就对遥控器的减小和增大信号，无作用，不作出反应。这也为防止步进电机过载而做的程序保护。图 3.1 主程序流程图图 3.2 温度采集主程序流程图图 3.3 温度采集子程序流程图图 3.4 显示程序流程图图 3.5 风摆电机控制程序