毕业设计（论文）-汽车空调设计.doc

专科生毕业设计（论文）摘 要汽车是移动物体,外界气候条件变化大,车外热负荷变化大,汽车车内乘员密度大,要求的制冷能力大,所以乘客要求进入汽车后在很短的时间内就享受到空调的效果。因此与一般控制系统相比,空调的制冷控制更加困难，所以本课题设计基于单片机控制的汽车空调制冷系统，以达到最佳控制。本课题设计的汽车空调制冷的单片机控制系统主要采用单片机控制技术实现在某些环境下对汽车空调制冷系统的精准控制，以便提高汽车空调的整体性能。系统通过控制鼓风机的转速变化和温度风门角度的变化，从而达到控制车室温度的目的。车室内温度的控制采用模糊控制，通过热敏电阻采集车室内温度 ,再与车室内设定温度相比较得误差值 ,进而决定控制量的大小。风门控制系统由三相六拍步进电机、 脉冲分配器、驱动电路和相应的传动机构组成，单片机根据控制量计算出步进电机转动的步数和方向，经传动结构改变温度门的开口大小。脉宽调制( PWM)输出直接由微处理器输出 ,通过变频器改变风机的供电频率，从而改变其运转速度，当需求风量减小时则降低风机转速，即进行减速控制，反之则提高风机转速，进行增速控制。本空调系统通过车室内温度的变化，调节风机转速及温度门的开度，将单片机控制应用于汽车空调，在节能降耗和使用等方面都会有明显的效果。本控制系统操作简单、方便，较大地提升了对于汽车空调制冷的灵活性。 关键词： 汽车空调；单片机控制；风门控制；模糊控制AbstractMotor vehicles are the moving objects, changes in external weather conditions, and changes in thermal load of the vehicle, and automotive vehicle occupant density, the cooling capacity requirements, and therefore require access to motor vehicle passengers in a very short time to enjoy the air conditioning on the results. Therefore, compared with the general control system, air-conditioning refrigeration control more difficult, so the subject of design is based on single-chip microcomputer-controlled automotive air conditioning refrigeration system to achieve optimal control.The design of automotive air conditioning refrigeration control system of single-chip single-chip computer control technology to achieve in some circumstances the car air-conditioning refrigeration system to control the precision in order to improve the overall performance of vehicle air-conditioners.System by controlling the blower speed and temperature changes in the changes in throttle angle to achieve the control purpose vehicle room temperature. Indoor temperature control vehicles using fuzzy control, through the acquisition vehicle thermistor temperature, and then with the car interior temperature, compared to a set error value, to determine the size of the volume control. Throttle control system by making six three-phase stepper motors, pulse divider, the drive to change the temperature structure of the door the size of the openings.Pulse width modulation (PWM) output directly from the microprocessor output, through the power supply fan inverter frequency changes, when the demand for wind minimize fan-hour decrease in speed, that speed control, and vice versa to improve the fan speed, the growth rate control.In this paper, the design of the air-conditioning system through the car interior temperature, fan speed and temperature regulation of the opening of the door. Single-chip control will be used in automotive air-conditioning, in saving energy and reducing consumption and use of such areas will have significant results. In this paper, single-chip microcomputer designed control system is simple, convenient and greatly enhanced the flexibility of automobile air-conditioner refrigerant.Key words: Automobile Air Conditioning; Single-chip Control;Throttle Control; Fuzzy Control目 录第1章 绪 论11.1 汽车空调控制系统现状11.2 系统的主要特点及功能2第2章 系统设计方案论证32.1 系统设计方案32.1.1 系统总体方案及框图32.1.2 框图分析32.2 汽车监控系统方案论证6第3章 系统硬件设计123.1 硬件单元电路的设计123.1.1 电源电路的设计123.1.2 温度采集电路的设计及其原理、参数的计算143.1.3 步进电机的控制电路的设计163.1.4 风机的控制电路183.1.5 显示电路的设计203.1.6 红外接收电路的设计223.1.7 通信电路的设计243.1.8 过流、过压以及过零电路的设计25第4章 系统软件设计284.1 程序设计思想和设计流程图284.1.1 主程序的设计284.1.2 路温度采集程序设计304.1.3 显示部分程序设计304.1.4 风摆电机控制程序344.1.5 红外接收及处理程序344.6红外接收程序流程图364.1.6 PID调节程序374.1.7 过流、过压、过零控制程序394.1.8 关机、除湿程序流程图39第5章 结 论41参考文献42致 谢43附 录44V 第1章 绪 论随着汽车动力的更新和新技术的应用,对汽车空调系统提出了新的挑战,也给许多新技术的应用创造了机会。由于汽车的使用环境较差，这些环境因素往 往造成汽车电子装置的性能恶化，甚至不能完成 规定的功能便损坏，出现可靠性故障。因此与一般控制系统相比，空调的制冷控制更加困难。由于单片机是集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机，而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。所以本文就此给出了一种基于单片机控制的汽车空调制冷系统，尤其适合应用于各种环境下的汽车空调系统。1.1 汽车空调控制系统现状我国的汽车空调控制大多采用简单的温度和压力控制，它是通过电磁压力开关控制的，如果超过设定的压力，压力开关将切断系统，高压开关位于压缩机到冷凝器的管路上，当系统由于堵塞而导致压力上升时，用它来切断压缩机：当系统泄漏而导致压力下降时，同样低压开关可以切断压缩机。以上控制系统并不先进，因为使用压力开关存在一些问题，如当它们插入系统管路时，可能会造成制冷剂泄漏，低压开关效率低，只有当80%的制冷剂已泄漏时，低压开关才能切断压缩机。另外，压力开关是由一些运动部件组成，如触点、弹簧和隔膜等，它们都具有误差，当压力开关使用时，其产生的误差还会增大，因为系统中的油会改变隔膜的弹性，使触点出现不平等，实际上，如果系统设计成在蒸发温度为0C时切断压缩机，回升到6C接通压缩机，如果压力开关误差在（810）C范围内，那么系统将会在蒸发温度为-2+2C间停机，在+4+8C间开机，结果压缩机低效运行，开停频繁。1.2 系统的主要特点及功能本系统能实现以下功能：主要通过控制鼓风机的转速变化和温度风门角度的变化 ,从而达到控制车室温度的目的。车室内温度的控制采用模糊控制 ,通过热敏电阻采集车室内温度 ,再与车室内设定温度相比较得误差值 ,进而决定控制量的大小。风门控制系统由三相六拍步进电机、 脉冲分配器、驱动电路和相应的传动机构组成 ,单片机根据控制量计算出步进电机转动的步数和方向，经传动结构改变温度门的开口大小。脉宽调制( PWM)输出直接由微处理器输出 ,通过变频器改变风机的供电频率 ,从而改变其运转速度 ,当需求风量减小时则降低风机转速 ,即进行减速控制 ,反之则提高风机转5 ,6 速 ,进行增速控制。本文设计的空调系统只是对制冷系统而言，通过车室内温度的变化，调节风机转速及温度门的开度。实际上，空调的制冷调节过程是一个复杂的过程，若要保持车内温度设定值及空气质量，需各种传感器及控制机构共同动作。将模糊控制应用于空调，在节能降耗和方便使用等方面都会有明显的效果。整个网络结构简单，成本低。系统的实时性能好，各功能的实现均采用单片机实现，在软件设计上，以分层子程序调用和中断服务程序相结合的程序设计结构，保证系统设计的可靠性和速度 要求，也可使软件在调试过程中较为方便和清晰，便于扩展程序功能。第2章 系统设计方案论证2.1 系统设计方案2.1.1 系统总体方案及框图本设计的汽车空调制冷的单片机控制系统主要实现对汽车制冷的优质控制，系统组成框图如图2.1所示。汽车全自动空调控制器的核心部分是以微处理器为核心的电子线路系统，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，结合单片机的控制加以理解。模/数转换模块变频器风门控制模块主控模块SPCE061A模糊控制(车内温度采集)显示模块仿真实验（风机反馈数据）风机转数传感器（数据采集）图 2.1监控系统组成结构框图2.1.2 框图分析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。单片机SPCE061A风摆电机的控制（采用三相六拍的的电机）风扇驱动控制电路（采用光驱动的晶闸管）车内外通讯（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）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，也能实现我们实际功能和目的。图2.2 核心单片机控制框图2. 数据采集单元系统要求显示被测温度值。希望由热敏电阻构成的检测电路的输入输出呈线性关系。但热敏电阻是非线性器件，如果在整个测温范围内，按某一线性处理，则势必存在较大的误差。在以往由纯硬件构成的温控系统中，为了进行非线性补偿，一般采用各种补偿电路，这不仅增加了电路的复杂性，而且补偿效果也不理想。该系统由单片机构成，因此完全可以用单片机的软件来完成非线性补偿，其补偿过程较简单，精度也很高，而且简化了硬件电路的设计。3. 模糊控制变频器二位模糊控制器被控对象车内温度进步电机量化量化yryed温度门开度直接影响进入车室内空气的温度，在步进电机控制下，其开口角度可以微调，为实现恒温控制创造了条件。风机转速的控制关系到空调系统温度控制的快慢，送风速度快能使车内温度更快地接近设定值。同时风机转速又是感觉空调系统舒适与否的关键。在本设计中由于测量的变量只有温度参数，所以模糊控制器的结构为单变量二维模糊控制器。图2.3 二位模糊控制器输入为车室实际温度与设定温度的偏差和偏差的变化率，输出为风机转速及温度门转角的变化量。设e、E分别为偏差和偏差模糊量化值，d、E 分别为偏差变化率及其模糊量化值 ，U 为风机输出的模糊值，为温度门输出的模糊值。 e和d 的论域选取均为一6， 6lU 和u 的论域选取也为13个，隶属函数一般以经验或考虑处理方便而选取，目前尚未能证明什么形状的隶属函数对某一控制目标是最优的。因此选用对称三角形作为隶属函数，模糊控制规则为：(1)if偏差e为负大(NB)and偏差变化率d 为负大( NB )时，then“ 正大(PB)and“。为负大 (NB)。 (2)if偏差e为负大(NB)and偏差变化率d 为负小(NS)时，then“ 正中(PM)a n d“。 为负中 (NM) 。 (3)if偏差e为负小(NS)and偏差变化率d 为负小(NS)时，then“ 正中(PM)a n d“ 。 为负中 (NM) 。 依此类推，共49条控制规则。去模糊后，形成模糊控制的离线查询表， 离线查询表由计算机预先离线计算，并存储在计算机中。实时控制过程中，直接查找查询表以获得控制量的变化值，作为输出量去控制被控对象。送风系统中的风机和温度门 2 个调节部件，需要一定的匹配才能达到最佳的控制效果。 4. 仿真实验 假设在H照强度为零的条件下，汽车车外温度3O，空调启动前车内温度也3O，空调设定温度为20，进行仿真后得到车内温度曲线，在风机频率一定时，对风门模糊控制下得到的温度曲线，室内温度波动明显。原因是风速的提高使室内风量增加，换热量增大，引起温度偏差E及偏差变化率 E 的值频繁变化，从而使风门不断调整角度。图5b是在同一频率下，风机与风门匹配的模糊控制下的温度曲线，其室温波动小，达到设定的温度时间短，其控制是可行的。2.2 汽车监控系统方案论证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、车外电子膨胀阀、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。风扇电机和车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，车内机（上位机）的温度采集主要有两部分的温度，一个是车内环境温度的采集，这部分的温度采集主要是用于反馈车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车内环境的温度值、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段显示车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：这里主要将车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显示来完成车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，显示车内的实际温度。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，是作为车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、以及车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：风扇电机的作用，根据从理解设计任务书可以得知，风扇主要是进行盘管温度的快速传递，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车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。第3章 系统硬件设计3.1 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，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，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。3.1.1 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。图3.1 电源的设计电路本电源设计中，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=15VUI2=5+3=8V变压器副边电压有效值为：U1=UI1 / 1.2=15 / 1.2=12.5V 取13VU2=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=308mAIQ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3.1.2 温度采集电路的设计及其原理、参数的计算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，我们可以清楚的知道，本次设计中温度采集环节的作用，以及要采集的对象。下面我们先列出本次设计的温度采集电路的电路图，然后再从设计原理、参数计算等方面进行详细的阐述。在这个温度采集电路中，我们可以看出，最终输入到控制器IOA0、IOA1口的信号是电压信号。硬件电路上，将热敏电阻Rt与固定电阻R串联，接5v电源。当温度改变时候，Rt阻值改变，其两端的电压值也随之改变，测量两端的电压通过以下公式计算得温度值：T=T0KVT式中：T被测温度值； T0与热敏电阻特性有关的温度系数； K与热敏电阻特性有关的系数； Vt热敏电阻两端的电压。 在此设计中选用负温度系数的热敏电阻MFD-502-34，其线性化比较好的一段是在-20-80之间。图3.2 温度采集电路的电路图由于MFD-502-34型热敏电阻线性化比较好的一段是-20-80，为了在最高温度和最低温度中使被测信号基本接近满量程值，采取线性区域中间某一点的阻值做为固定的电阻值。它分压后，AD的输入电压是AD的输入电压范围的一半。在25时，热敏电阻的阻值为5K欧姆，所以选取固定阻值R的值为5K欧姆。在20的时热敏电阻的阻值为37.399K欧姆，热敏电阻两端电压Vrt=2.9v，接近电压的上限3.3v；在80时热敏电阻的阻值为0.796K欧，热敏电阻两端的电压Vrt=0.45v，接近AD输入电压的下限0v。在温度线性比较好的的区域内SPCE061A的AD值都没有达到极限值。按照电路图的连接方法，T0=76，K=0.1022，根据以上公式和参数的值，测出热敏电阻两端的电压就可以求出被测温度。在系统设计当中，IOA0和IOA1接在温度采集的信号的输入端，当程序开始进入初始化后，温度采集系统就开始工作，进行温度的采集并送到控制器里面进行运算和处理。在程序中，都是才4次的值进行求平均值。SPCE061A的AD转换结果都在高10位，每次将其移入低10位再计算4次平均值作为AD转换程序的返回值。为了提高准确度，变量TempAD、Temper都采用浮点数，计算完后把测的的温度值送显示或者送控制器处理。由于每个热敏电阻的特性并非一样，与热敏电阻串联的固定电阻的不准确等原因，每支温度计在整个测量范围内至少进行4次采集校正，并适当地修改参数以达到最佳测量值。3.1.3 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，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，近而控制进入车内的风的风向风素，以及风的强若，以达到使车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，只是三相六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3.3 步进电机的控制电路从实际电路图可以看出，主要由驱动器ULN2003，以及三相六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。这是一组达林顿管的工作原理图，进信号经3.7K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动能力。下面就步进电机进行选型和参数校正：根据设计要求，要采用三相六拍的，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，相数四腥，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。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）力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400