毕业设计（论文）-基于SPCE061A单片机的变频空调控制器的设计.doc

基于spce061a单片机的变频空调控制器的设计的论文（说明书）第1章 绪 论空调是伴随社会生产力的发展，在生产过程所要求的空气状态以及人类自身工作和居住所要求的空气状态不断提高的条件下产生和发展的。空调器又叫空气调节器，它的功能是通过制冷或制热调节室内温度和湿度，并使之保持在一定的范围内。夏季温度较高，湿度较大，空调器可以降温和减湿，使室内温度维持在22-26，相对湿度维持在55-66。冬季气温较低而且干燥，空调器可以升温和加湿，使室内温度维持在20-22，相对湿度维持在55-60。空调器还可以用来调节室内空气流动速度，因流动的空气比静止的空气使人感觉舒适（在制冷时，室内空气的流速以不超过05m/s的速度吹出15-17的冷空气为宜）。此外，污浊空气中的尘埃附有很多细菌，经空调器可以净化，并可将新空气的物理和化学状态的十大因素：温度、湿度、流速、空气的分布状态、压力、灰尘量、细菌量、气味、有毒气体以及有害离子的含量。空调以其服务对象不同可分为舒适性空调和工艺性空调两类。前者以满足使用者和居住者的热舒适为主要目的；后者则以满足工艺生产过程对空气环境的要求为主要目的。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。随着近年来我国人民生活水平的提高，空调越来越多的进入到普通家庭。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。83第2章 设计任务概述及设计要求2.1、设计的内容、功能及技术指标： 1、设计的主要内容：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：、与同组同学完成系统的整体设计和集成；、采用spce061a单片机，独自完成上为机的设计，包括硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括控制单元、室内温度的检测电路、室内风扇电机的控制电路、导风板电机的控制电路、led/lcd显示电路、遥控接收电路、rs485通讯电路等，软件包括控制算法的计算、流程图、程序编写与调试等；、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。2、设计实现的主要功能：、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；、逆变电路的主要电路采用智能功率模块ipm，也可以采用自行设计的合理的电路；、上位机与下位机的通讯要采用rs485的总线通讯方式；、压缩机的驱动脉冲采用pwm控制方式。 3、主要技术指标 电压波动范围为：160v260v，室内温度控制精度为：1，压缩机的运转频率范围为：30100hz，启动频率为：20hz，空调使用温度条件为：-15+45。 第3章 硬件设计 由设计任务要求知，硬件设计是本设计控制器设计的基础设计部分，也是从原理上去理解设计内容，给出基本设计方案和思路的设计。硬件设计主要由设计理论知识的理解与分析，设计方案的提出、论证以及确定，具体单元电路的设计、计算、实验数据的处理，还有具体设计和元器件的选择等。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。3.1方案的提出和选择随着近年来我国人民生活水平的提高，空调越来越多的进入到普通家庭。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手，逐步了解和深入，在此基础上提出我们合理的设计方案。3.1.1、设计原理设计原理就是设计的理论依据和科学校验。本设计中控制的核心部分是单片机即spce061a单片机，控制的对象就是空调机。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。3.1.1.1、spce061a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2.63.6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unsp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unsp微处理器；工作电压：vdd为2.43.6v(cpu), vddh为2.45.5v(i/o)；cpu时钟：32768hz49.152mhz ；内置2k字sram、内置32k flash；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2ma3.6v；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；spce061a具有的我们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 ioa150 并行i/o端口b iob150 音频输出方式 dac2 中断源 timera/b、时基信号发生器、外部中断、触键唤醒 唤醒源 ioa70 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 具备 低电压复位 具备 低电压监测 具备 内置ice接口 具备 上电复位 具备 定时器具备麦克风放大器和自动增益控制 单通道 节电功能 具备 中断控制功能 具备 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。3.1.1.2、变频空调机的原理和基本组成：(一)、空调器的基本组成和制冷制热原理：1、空调器的基本组成空调是伴随社会生产力的发展，在生产过程所要求的空气状态以及人类自身工作和居住所要求的空气状态不断提高的条件下产生和发展的。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1-1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1.1 空调器的基本组成2、空调机工作的能量转换依据：空调之所以能够制冷制热，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，从而实现制取冷量的目的。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、空调器的制冷原理：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、节流阀、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、空调器的制热原理：空调器的制热可分为电热制热和热泵制热两种方式。1 、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，使室内空气空气温度逐渐升高，从而达到取暖的目的。2 、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：、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，使人们的生活品位有所提高。 、除湿原理 空调器制冷时，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，空调器压缩机以间歇工作方式来达到除湿的目的。6、除霜原理：、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。、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,使热交换器温度上的霜层融化,另一部分继续流向室内热交换器。(二)、变频空调器的组成及工作原理：、变频空调设计的背景及依据由于空调在保证工艺生产工程的稳定性和产品的质量，科学实验环境的精确性及保证人体在生产过程中的工作效率和人民生活中的环境质量等方面具有不可忽视的作用，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。、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 1.2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，空调器制冷（热）量就小。这就是变频的原理。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1.2 变频空调的原理结构图、我们将从这张图上来解释和诠释，变频空调制冷、制热以及各工作的原理。变频空调器与普通空调器或称定转速空调器的主要区别是前者增加了变频器。变频空调器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。交流变频空调器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。直流变频空调器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，因此直流变频空调器更省电，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、变频空调器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器的制热量、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。而变频热泵空调器就能克服这一缺陷。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;3.1.2、设计方案的提出、论证和确定设计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。3.1.2.1、首先明确变频空调设计的主要内容是：1、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。2、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。3.1.2.2、具体单元电路设计方案的提出和论证 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左右的直流点，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。风扇电机和室外用点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、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部分的温度，一个是室内环境温度的采集，这部分的温度采集主要是用于反馈室内的温度信息给控制器再由控制器经过运算后做出合理的调节；另外还有室内蒸发器的盘管的温度的采集，这部分温度的采集主要是用于反馈给下位机的压缩机和电子膨胀阀控制所用，根据盘管的温度值经过一系列算法来调节压缩机的运转频率和电子膨胀阀的开度。 在温度采集电路的设计中，要考虑到满足设计温度采集的精度的要求，还要符合控制器即spce061a单片机的端口承受的电压或电流值，在本设计中控制器spce061a的端口承受的最大电压是3.3v，所以在设计上要合理地选择温度传感器和温度电路的设计。对此有以下几种方案： 方案一：采用电阻分压，电容隔离干扰的，阻容温度采集电路，在这种电路中我们采用热敏电阻作为温度传感器，接+5v电压，当温度传感器即热敏电阻受到温度的变化而阻值发生变化的时候，反在分压电阻上的电压值就发生了变化，这样一来，在控制器的端口即spce061a的a口就能根据不同的电压值，进行ad转换后送到控制器中进行处理。 方案二：采用电阻和电容并联，然后再串联，组成比较电路，将测到的热敏电阻上电压变化，与给定的电压值进行比较，采用隔离干扰的措施，使检测到的电压值更加准确。在温度传感器的选择上我们可以选择热敏电阻或者金属电阻，这就有象铜电阻、铂热电阻等。在传感器的选择上，我们这次设计的精度是1，对于铂热电阻，精度高而且电流小，用于控制器非常合适，但是铂热电阻对在其辅助电路上的电阻的匹配要求很严格，这点在我们的毕业设计中不易做到，所以现在暂且不能选用。采用专门的温度传感器模块，可以大大节省控制器的端口的占用也可以减少程序的编辑，在精度上和设备的可靠性上也是很好的，但是这会无形中提高设计成本，对于产品的推广很不利。采用金属电阻，金属电阻原理简单，设备也简单，但是精度不高，容易受到外界的干扰，这就在外围的辅助电路设计上加大了工作量，不利于整个设计的进度的安排。 再看了以上几种传感器的基础上，我们考虑到设计中的，精度的要求，性价比的要求，设计电路成本和规模的要求，准备采用热敏电阻来做。热敏电阻具有的部分特性，比如在-50+100之间其近似线性的特性，这对于我们的计算和程序的设计都非常有利，而且热敏电阻的设计外围电路也简单，成本低，对于我们设计中的pcb的制作和原理的熟悉都非常有利。 3、显示模块的设计方案： 在本次设计中，显示电路主要是显示室内环境的温度值、认为设定的温度值、运行显示、故障显示、除湿显示、除霜显示等。这些显示有的是表示系统的运行状态，有的显示控制的过程及结果。显示部分是控制器和设备与人之间交流的一种方式，这部分可以采用led和lcd两种显示方式，本设计中考虑到程序编辑和成本，我们选用led显示，用4个led8段显示室内温度和设定温度值，用4个led显示设备的运行状态。在显示设定方案中，我们将提出以下几种方进行比较和论证，最后选择最适合我们的，如下： 方案一：这里主要将室内温度和设定温度的显示块进行详细分析。温度的十进制显示，在显示中我们采用1块mc14495为译码、驱动电路，利用控制器8个端口输出8位数据，分别经锁存器后送入led显示，时钟信号用普通i/o的中断方式来实现。这样的显示电路，在硬件电路设计和连线上比较复杂，而且占用的i/o口太多，这对于单片机的设计是非常忌讳的，我们要尽量节省i/o端口，为其他设备的接入和控制器信号的输出留有空间。这种设计方案的优点就在于可以简化程序设计的工作量。在本次设计中，充分利用i/o进行多方面的练习和训练才是我们设计的最终目的，所以这种方案有待考虑。 方案二： 按照设计任务书的要求，采用4位led显示来完成室内温度和设定温度的显示，我们注意到，设定温度只是遥控器给控制器的命令，是有时间性和可预见性的，那我们可以在显示输出端口上，采用复用的方式，即在有遥控命令设定值的时候显示设定温度，在其他时间，可以在保持显示设定温度的基础上，显示室内的实际温度。 我们可以利用spce061a的sda串行数据传输口，作为显示电路的输出口，在移位琐存上，我们用一块sn74ls164，采用spce061a中的iob1口作为串行数据输出的时钟脉冲信号，4片led用b口的iob2iob5作为片选信号，这样在同一时间就只有一个led接收数据传输进行显示。显示数据经sda输出口到sn74ls164，经琐存后，分别从q1q7输出到8段显示led上，完成显示功能。这样的设计一是简化了硬件设计电路，二是节省了大量的i/o口，在程序设计上复杂度提高了，但是作为毕业设计训练，这对于大家完成设计的全部内容还是有很大挑战的。 综上所述，我们可以很显然地看到，方案二不管从可行性上，还是可靠性上都要优于方案，而且在实际应用中可以减少硬件的成本，因此我们选取方案二作为我们的最终硬件设计方案。 4、通讯模块的设计方案： 本设计中的通讯，是作为室内机的上位机对整个系统以及下位机的控制的关键环节。在设计任务书要求中，要求用rs485通讯方式进行上下位机之间的通讯。rs485是串行通讯接口之一，其特点是传输距离远，通讯协议和rs232可以互用，其传输抗干扰性强，使用于远距离，强干扰的精密度要求高的场合。我们这次的设计用rs485也可以，这对于微型控制器的控制性能会得到保证。 在上位机和下位机通讯过程中，要传输的内容主要包括两部分内容，一部分是，上位机给下位机的控制命令，这就有开机、关机命令、压缩机、电子膨胀阀的开启命令、除霜命令，故障紧急停机命令等；另一方面是，下位机给上位机的反馈信息的命令，这就有设备检测信息的传输、故障信号传输、对上位机的控制命令响应后的反馈命令、以及室外其他信息的传输等。 本次按照设计任务书的要求，我们就采用rs485通讯方式进行信号命令的传输，在硬件外围电路的设计上和软件程序设计上，将采用rs485通讯协议进行编辑，以满足设计的要求。 5、红外接收模块的设计方案： 红外接收单元是人机对话的窗口，红外信号的接收的好坏，直接影响到人多设备的控制功能的体现。在红外接收上，我们将采用稳定的、可靠性高的设备器件来实现。在本次设计中，红外通讯主要完成开机、关机命令、温度的设定值的增减、风扇速度的控制、导风板电机的控制、除湿、除霜命令的发出。这些命令是空调器运行的基本命令，也是本次设计中要完成的设计要求。为了满足以上的设计要求完成设计任务书的设计目的，我提出以下几个方案： 方案一：这个方案是从电子电路的基本设计出发，利用最基本的元气件来设计红外接收电路。用光敏二极管作为遥控器信号的接受电路，利用光敏二极管的导通把该端口的电压拉到高电平，这样的一同一断，在控制器的端口形成0，1，0，1的高低电平信号的交叉，把控制命令传输给控制器。 此方案从原理和电路的设计上是完全可以采用的，但是要是考虑到红外接收的距离，红外接收的准确性，红外接收的抗干扰等方面的因素，我们就可以明显感到，这个设计方案的可靠性是很差的，所以在本次设计中，我将不会采用此方案。 方案二：采用集成的红外接收模块，也就是说利用已经很成熟的设计方案来为我们所用，这样我们的设计中就不用考虑其他因素，只需考虑怎么去处理接收到的信号。采用集成模块时候，我们要考虑模块的接受范围、接收的频率、以及与我们的控制器spce061a单片机固有频率之间的关系。在满足这些要求的基础上，我们采用由日本东芝公司生产的at8141s型红外接收模块，这个模块的输出信号频率是38kb，完全能够满足我们控制器单片机的要求。 这个方案的选择，在硬件电路设计上，可以说是很简单，只需要将规定好的端口接好就行，但是对于接收到的信号的处理是很复杂的，而且对接收到的信号的判断和识别也是我们的难点，这些将会在软件设计中进一步得到阐述。 6、风扇电机的控制设计方案： 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，为此提出以下几个方案： 方案一：风扇电机的调速我们可以运用最基本的调压调速，可以通过控制给风扇电机的电压来控制其转速。将风扇电机的控制口接到控制器spce061a的任意端口，然后认为地在程序中设置出几个风扇的转速等级，比如说高速、中高速、中速、中低速、低速等这么几个等级，随着人对室内空气的感受，由遥控器进行调用，需要什么温度时就发什么样的命令。这种调制方法，对于简单的系统来说已经可以满足一切要求，但是要是进行高一等级的温度方面的要求的话，这样的调速就不能满足我们的设计的要求。它不能实现无级调速，也不能达到能量的最大化的节省。因此这个设计方案不是最佳方案。 方案二：在第一方案中我们意识到关键问题是，不能够达到无级调速。由设计任务书的要求可以看出，我们可以使用压缩机的那种无级调速的方法，就是利用pwm调制来进行控制。在本次设计中，我们可以充分利用控制器spce061a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。 此方案，对软件设计和控制器的频率特性要求高，但是可以完全满足无级调速的要求，属于我们所选的方案。本设计将利用此方案。 7、风摆步进电机的控制方案： 根据设计任务书的要求，风摆步进电机的作用是控制导风板的开度，进而控制室内风向、风的流速以及整个房间的舒适度。风摆电机采用步进电机控制是考虑到风叶的开度过程是一个步进试的，是一步一步来完成整个过程的，为了更好地完成这个过程，在各个方面做到做好，我们就采用步进电机进行控制。在控制方案上，经过对设计任务要求的理解和对设计的合理的安排，我提出以下两种设计方案： 方案一：在此方案中，我采用一种在理解和实施过程中都很简单，而且比较实用的一种控制方式，即把步进电机在风叶由闭合到最大开度时候的整个过程，分为这么几个阶段即：小风、舒适、直吹等，这样以来用户可以根据自己的身体的感受来在这几个档上，自由地切换，以达到自己感觉最舒服的状态。这种控制方法在硬件上比较简单，在软件程序设计上也比较简单，只需要进行必要的几种运行方式的设定就行。但是，这种控制方式它不能达到逐级调节开度，充分利用控制器spce061a单片机的控制功能的目的，在毕业设计练习上达不到最好的训练的目的。 方案二：由第一方案，我们可以看出，关键技术点在于，它不能实现逐级调速，也就是说调速的分档太马虎，在步进电机控制上，不能达到平滑的调速。在本设计中，作为室内机设计的上位机，硬件电路比较简单，又加上我们前面所做的设计为我们节省出很多的i/o口，那我们就可以利用四个i/o输出来控制步进电机的运行，采用四相八拍的运行方式。这样的设计可以在满足风叶开度的要求之上，进一步提高我们调速系统的可靠性。第二方案与第一方案相比，其在满足同样的设计要求的前提下，还能够节省能源，提高风叶以及步进电机的运行寿命，所以我们首选第二方案。8、过流、过压以及过零检测的设计方案：这一部分的设计，主要基于保护整个系统的安全运行。在设计方案方面可以说有很多这方面的成熟的例子和设计方案，我们要选择最适合本设计的方案。根据多方面查资料和咨询老师，我们选择以下方案作为过流、过压以及过零检测电路的设计方案。在过流、过压以及过零检测中，都是从电压侧取检测信号，这些信号经过整流、降压后，再经过设计的比较电路进行比较，最后经三极管限压后，以高低电平的方式输入到控制器spce061a的端口。在端口选择，因为检测到的，送到i/o上的是高低电平信号，所以我们将它接到外部中断0和外部中断1上，这样接有利于在软件程序设计中，对过流、过压以及过零信号进行处理，也可以充分体现出控制器spce061a的灵活性。在这个设计方案中，其电路布局和软件处理都很简单，但是在对从电源侧检测到的信号的处理上要做的很细致，主要表现在电阻的选择上，电容容量的选择上。电阻的合理搭配，是为了在分压过程中，使三极管的导通电压得到稳定的控制，电容容量的选择是为了不让检测到的冲击波影响控制器的判断能力，也为了保护其他电路不受到损害。一般这部分我们都要进行详细的计算和校验。以上就是我们对本次设计中的各个单元电路的设计方案的提出，在部分电路原理的设计上进行了必要的理论论证。本次设计方案的选择，还是以目前实际应用中最广泛的实际例子为主要的设计依据，在一些关键性的设计环节了，我们进行了尝试和探索。这也使得我们的设计最终目的更加的明确和清晰。3.1.3、进行总体方案的集成经过在前一节中的设计方案的提出和论证，我们将在本节中，就整体的设计方案进行论证和确定。总体方案的设计主要是进行各个分单元模块之间的协调和各个单元模块之间的融合。由前面第一节的理论论证我们可以知道，控制器spce061a单片机有32个可编程的i/o端口、有两个复用的pwm输出口、有两个外部中断即外部中断0和外部中断1、有串行数据传输口sda和时钟信号口clk等，各个口的最大承受电压是3.3v。这些硬件上的条件都是我们进行单元电路设计和总体方案集成的前提。下面就列出我们的总体设计方案的框图，然后进行必要的分析和叙述。spce061a风摆电机的控制（采用四相八拍的的电机）风扇驱动控制电路（采用光驱动的晶闸管）室内外通讯（采用485通讯）显示电路（采用集成快电路）温度采集电路红外接收电路（采用芯片）在这个方案中，我们可以看出，首先它满足我们设计任务的一切要求，在硬件电路上基本是这样的，再有在单元电路的布局上合理，而且有利于制图和进行硬件搭接。 此方案的合理性是建立在，分单元设计方案正确的基础之上。在这个设计方案中，我们可以看出，有温度采集、红外接收、风摆电机的控制、有风扇电机的控制、室内外机的通讯、还有显示电路，这些都是设计任务书中的要求，这些单元电路的设计，充分满足了，我们设计的要求。各块之间协调工作，这不但会体现在硬件设计上，主要的内部工作还要体现在程序的设计上。 在分块单元电路中，我们除了运用我们设计的部分电路设计方案以外，还利用已经很成熟的电路模块，这些模块的应用使的整个设计具有了更高的可靠性。 在总体方案的设计中，我们也突出了我们设计的核心技术和难点技术。对于红外接收这一块，是系统和用户之间进行交流的平台，所以对这块的可靠性和易操作性做出了很高的要求。如果想要实现这一块的完美的控制，我们要从应家和软件两方面来做。在硬件方面，我们采用at8142s集成块，这为硬件的可靠性提供了保证。在软件设计方面，一来我们考虑到控制器的工作频率和接收模块最终输出的脉冲的频率之间的关系，看是否能完全接收到。这就需要在软件设计中，对采用频率做出规定。 在电机控制中，本设计包括两台电机的控制，但是对于步进电机的控制可以采用给定运行步序的方式让它工作，并且这样也能达到很好的调节效果，再说风摆电机的控制的要求也不是那么的精确和详细；对于风扇电机的控制来说，是本设计的一个难点，首先它的控制作用是促进室内盘管上能量的交换的速度，以满足室内环境的要求。这样以来盘管的温度就成了风扇电机的一个控制输入量，再有就是室内环境温度的值，这也是风扇电机运行的一个控制量输入。再加上对风扇交流电机要进行调压调速，按照前面选择的调速方法，我们必须对晶闸管的导通频率与供给电机的电源电压的频率相同，因为如果不同频率就会出现，不是在交流电压过零时对它进行触发，这样一来就会影响输出电压的大小，进一步就影响到电机的运行速度。这时候我们还必须采用过零检测电路，那就是在电源电压过零点的同时允许触发脉冲对晶闸管进行触发，来控制输出电压的大小，以达到控制电机转速的要求。以上这两点，是我们硬件设计中的难点，也可以说是本设计的技术核心，是我们在锻炼设计过程中的学习和研究的地方。3.2、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细的元气件清单和参数表做为设计的依据。3.2.1 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。 本电源设计中，220v的原始电源由，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。变压器参数的计算根据设计要求，所需电源为12v直流电源和5v直流电源。故选用的集成稳压器为7812和7805。uo1=12v，uo2=5v。稳压器的输入电压比输出电压高3v，稳压器的压差取3v，故稳压器的输入电压为： ui1=12+3=15v ui2=5+3=8v变压器副边电压有效值为： u1=ui1 / 1.2=15 / 1.2=12.5v 取13v u2=ui2 / 1.2z=8 / 1.2=6.67v 取7v变压器的变比为：k=u1/u2/u3=220/13/7稳压器的输入电流为： io=io(max)+iq=300+8=308ma iq为稳压器的偏置电流，一般为8 ma。故整流滤波电路的等效阻值为： r1=1.2u2 / io =1.213/（30810-3） =50.6r2=1.2u3 / io =1.213/（30810-3） =27.3压敏电压u1ma的测量范围01500v环境温度040，0.75u1ma情况下的漏电流测量范围0.1199.9a相对湿度85%，u1ma工作误差2%大气压力86kpa106kpa，0.75u1ma工作误差2%操作方式手动，漏电流工作误差3%显示方式数字显示，漏电流分辨率0.1a电源电压220v10% 50hz60hz，最大功耗25w尺寸重量21517580（mm）约1.2kg。所选定的型号是：myh3-05d430。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