（测试计量技术及仪器专业论文）基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究.pdf

摘要 摘要 因现有的空调故障诊断系统可靠性欠佳，本文在理论分析和实验的基础上研 究了空调器工作参数的影响因素，并分析了空调器常见故障对参数的影响，建立 了基于5 个温度的故障诊断逻辑。以此为基础设计了空调器故障诊断系统，提高 了诊断的可靠性。完成了以下主要工作： i 、获得了空调器故障特性与故障诊断逻辑 本文参考相关的空调故障表，通过实验人为设置各种故障，改变故障的深度， 获得工作温度的变化曲线，从而作为分析判断的依据。 在此基础上，再利用对实测参数分析的结果与正常值进行比较，从而建立故 障诊断的逻辑关系。为建立故障诊断系统提供理论依据。 2 、完成了空调器故障实时检测与诊断系统的设计 研究开发了一种以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心的空调器故障实时检测与故障诊 断系统，系统设计由硬件和软件两部分组成。 对空调环境温度和工作温度的采集通过测温电路将温度信号转换为电压信 号，单片机采用查表方式直接读取温度。 采用串行控制的v l c m l 2 8 * 6 4 显示器，由a t 8 9 c 5 2 单片机串行控制显示相应 的内容。 结合相关的设备资料及实验确定了压缩机运行时间与故障之间的关系。设计 了一独立于a t 8 9 c 5 2 系统的计时电路，结合软件的编制来确定压缩机的运行时 间。 系统采用了继电器与空调器主要开关连接，将动作信号经光电隔离后送入单 片机的中断口，由单片机判断空调器所处状态的变化。 系统硬件电路将维修人员操作的按键与a t 8 9 c 5 2 的中断系统紧密相连，并编 制了软件。系统能够方便地按操作要求显示相关内容。 在设计软件时主要考虑了空调诊断系统能及时判断空调运行状态的改变并 能获取相应的环境和工作温度，按照故障诊断逻辑进行分析判断，并能按照操作 进行功能的切换。 关键词：家用空调器；故障诊断：单片机 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ei n s u f f i c i e n tr e l i a b i l i t yo fn o w a d a y sa i rc o n d i t i o n e rf a u l td i a g n o s i n g s y s t e m ( a c f d s ) ，t h ew r i t e ro ft h et h e s i sh a sc o n c l u d e dd o m e s t i ca i rc o n d i t i o n e rf a u l t d i a g n o s i n gl o g i cb a s e do n5o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h ea n a l y s i so fi n f l u e n c e r e l e v a n tt oc o n d i t i o n e rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h el i n kb e t w e e nf a u l ta n dc h a r a c t e r i s t i c b a s e do nw h i c ha n dt h ef o l l o w i n gw o r k ，t h ea c f d sh a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h e r e l i a b i l i t yo fw h i c hh a sb e e ni m p r o v e d 1 、h a so b t a i n e dc o n d i t i o n e rf a u l tc h a r a c t e r i s t i ca n df a u l td i a g n o s i n gl o g i c w i t ht h er e f e r e n c et oc o n d i t i o n e rf a u l tt a b l ea n de x p e r i m e n t ，t h ew r i t e ra d j u s t s d i f f e r e n ta s s i g n e df a u l t sa n dh a so b t a i n st h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef a u l t a n d o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pa n dc o m p a r i s o nb e t w e e na n a l y s e dc h a r a c t e r i s t i ca n d n o r m a l o n e s ，t h ew r i t e rh a se s t a b l i s h e df a u l t d i a g n o s i n gl o g i c a n dp r o v i d e d f u n d a m e n t a l st ot h ea c f d s 2 、a c c o m p l i s h e dt h ed e s i g no ft h ea c f d s h a ss t u d i e da n df i n i s h e da c f d sb a s e do na t 8 9 c 5 2m i c r o p r o c e s s o rw h i c hi s c o m p o s e do ft h ef o l l o w i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t oo b t a i nt h ec i r c u m s t a n c ea n d o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ，at e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tc i r c u i th a sb e e na p p l i e d ，a n dt h e v o l t a g es i g n a lt r a n s f o r m e df r o m t e m p e r a t u r es i g n a li sr e a db ym i c r o p r o c e s s o rd i r e c t l yf r o mt e m p e r a t u r et a b l e t h e s e r i a l l y c o n t r o l l e dv l c m l 2 8 4 6 4l e di s s e r i a l l y c o n t r o l l e d b y m i c r o p r o c e s s o ra n dd i s p l a y sr e l e v a n tc o n t e n t w i t ht h er e l a t i o n s h i pb a s e do nr e f e r e n c ea n de x p e r i m e n tb e t w e e nt h eo p e r a t i n g t i m ea n dv a r i e sf a u l t s ，t h ec o m p r e s s o ro p e r a t i n gt i m ei sc a l c u l a t e db ys o f t w a r ea n da t i m e rc i r c u i tw h i c hi si n d e p e n d e n to na t 8 9 c 5 2m i c r o p r o c e s s o r t oj u d g et h e o p e r a t i n gs t a t eo fc o n d i t i o n e r ，r e l a y sh a v eb e e nc o n n e c t e dw i t h m a i ns w i t c h e so fa i rc o n d i t i o n e ra n dt h eo p e r a t i n gs i g n a ld e l i v e r e df r o mt h ec o u p l e d c i r c u i ti st r a n s f e r r e dt ot h ei n t e r r u p tp o r to fm i c r o p r o c e s s o r t h eh a r d w a r eh a sac o n n e c t i o nb e t w e e nm a i n t e n a n c eo p e r a t i n gb u t t o na n dt h e a b s t m c f i n t e r r u p tp o r to fm i c r o p r o c e s s o lw i t ht h ep r o g r a m m e ds o f t w a r e ，t h ea c f d sc a n d i s p l a yr e l e v a n tc o n t e n ta c c o r d i n gt om a i n t e n a n c e w h i l ep r o g r a m m i n g ，t h et o pc o n s i d e r a t i o ni st oe n a b l et h ea c f d st oj u d g et h e s t a t ec h a n g eo fc o n d i t i o n e ra n do b t a i nc i r c u m s t a n c ea n do p e r a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt o d i a g n o s ef a u l ta c c o r d i n gt od i a g n o s i n gl o g i c m e a n w h i l e ，t h ea c f d sc a nf u n c t i o n a c c o r d i n gt om a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：d o m e s t i ca i rc o n d i t i o n e r ；f a u l td i a g n o s e ；m i c r o p r o c e s s o r 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：专乞 6 年a 月珈日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门 大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和 电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：蔫乞 导师签名： f 嗷跏龟 7 日期：。年孑月沙日 日期：驴年，月d e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的意义和背景 随着国民经济的不断发展和人民生活水平的提高，制冷空调设备的使用逐渐 得到普及。同时，人们对空调的功能要求也越来越高，由早期单一制冷降温向冷 暖两用、变频、空气净化等多功能方向发展，也希望空调设备能不断提高其维修 的便利程度。因此，实现空调器的故障自诊断功能对空调的使用和维护将起到非 常重要的作用。 早期的故障诊断是源于空调器的保护装置的功能，即空调器中安装高低压继 电器，当空调出现压力异常时，会切断压缩机的工作电路并通过数码管显示，但 并没有真正分析故障产生的原因。 随着计算机尤其是微处理器技术的发展，真正具有实际意义的故障诊断技术 才在空调器中得以应用。如： “美的”变频空调器的诊断系统以检测诊断电压、电流及风机为主，对制冷 系统的诊断( 单制冷功能时) 以采集的室内温度、室外温度、室外冷凝器管壁温 度( 相当于冷凝温度) 为依据进行相应的诊断，诊断的结果为空调器“某参数异 常”，如室内蒸发器低温、室外冷凝器高温等，并不分析产生上述故障的可能原 因。以l e d 指示灯的不同组合来显示故障。室内和室外分别有两组l e d 指示灯， 不同的组合对应不同的故障。 “海尔”变频空调器的诊断系统以采集的室内温度、蒸发温度、室外温度、 室外冷凝器管壁温度( 相当于冷凝温度) 和压缩机的温度为依据进行相应的诊断。 以定时灯的闪烁次数来代表不同的故障。 “海信”变频空调器的诊断系统以采集的室内温度、蒸发温度、室外温度、 室外冷凝器管壁温度( 相当于冷凝温度) 和压缩机的温度为依据进行相应的诊断。 直接显示某一温度或传感器异常而并不给出产生异常的原因。以l 1 、l 2 和l 3 诊断灯的不同组合来代表不同的故障。 “松下”、“三菱”等国外空调产品的诊断系统与上述国产空调基本相同。 上述空调器故障诊断系统在分析信号的采集、判断的方法及故障的显示方面 采用的方法虽不尽相同，但具有以下相似之处： 基于单片机的宇调器故障诊断系统的设计研究 1 、对空调运行的温度最多采集四个( 室内、室外、冷凝、蒸发) ，对吸气过 热度不予采集。 2 、以故障代码或不同形式信号灯的组合为输出，提示故障。 3 、系统对空调产生故障时的运行参数没有保存。 空调器故障诊断系统主要目的是提高运行的可靠性和维修的便利性，为空调 的维护保养与维修提供信息。因此，上述空调诊断系统存在以下不足： 1 、不能对用户可排除的非故障因素做出及时提醒：如清洗室内过滤网； 2 、没有采集吸气过热度，对故障的分析判断不够全面； 3 、采用l e d 指示灯不同组合或闪烁次数来指示不同的故障，维修或保养时 对故障的了解不够便利； 4 、没有保存空调产生故障时压缩机的运行参数( 温度、压缩机运行时间等) ， 不利于维修人员在分析故障时做出准确的判断； 因此，研究开发一种直接嵌入空调器、功能较为完善的故障实时检测与诊断 系统，对于提高空调器的可靠性与维修性，方便用户日常保养及维修人员准确获 得故障原因具有相当实用的价值和意义。 1 2 研究内容 为实现上述具有实际应用意义的诊断系统，本文主要对下述的问题进行研 究。 一、空调器故障特性与故障诊断逻辑研究 1 、环境温度与工作温度的关系 制冷空调系统在运行时，冷凝、蒸发及吸气等三项温度( 以下称工作温度) 取决于室外和室内温度( 以下称环境温度) 及冷凝器和蒸发器的状态。所有的制 冷空调设备设计均是以某一工作环境温度( 参考工况) 为依据进行的，在分析各 工作温度时也依据此工况。 但空调器在实际使用时，环境温度变化范围( 室外2 0 4 0 0 c ，室内2 0 3 0 0 c ) 较大，随着环境温度的改变，工作温度也随之发生改变。在对空调进行分析判断 时，必须以动态的工作与环境温度之间的关系为依据。因此还需对两者之间的关 系按照运行时的实际情况进行分析。 对此问题，本文首先依据参考工况确定标准工作温度，再通过实验改变室内 2 第一章绪论 和室外温度，获得工作温度随室内和室外温度的关系曲线，从而作为分析判断的 依据。 2 、研究空调器故障对工作温度的影响并建立故障诊断逻辑 当空调制冷设备出现不同的故障时，三项工作温度将相对正常的工作温度发 生不同的变化。在对空调进行故障判断和维修时，维修人员凭借的是经验。而故 障诊断系统则需要较为准确的数值进行分析。因故障程度的不同，工作温度变化 也较为复杂。因此，工作温度随故障程度的变化规律如何将是本文研究重点之一。 本文参考相关的故障表，通过实验人为设置各种故障，改变故障的深度，获得工 作温度的变化曲线，从而作为分析判断的依据。 在此基础上，再利用分析的结果与正常值进行比较，从而建立故障诊断的逻 辑关系。为建立故障诊断系统提供理论依据。 二、空调器故障实时检测与诊断系统设计 本文研究开发了以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心的空调器故障实时检测与故障诊 断系统，系统设计由硬件和软件两部分组成。 1 、硬件设计 本诊断系统的硬件按模块化方法设计，硬件组成如图1 - 1 ，各模块的功能如 下： 1 ) 信号检测与处理电路 因空调在工作时环境温度和工作温度变化的速度极为缓慢，可以视为静态检 测系统。通过由负温度系数的热敏电阻组成的测温电路，将温度信号转换为电压 信号完成对温度的采集。 由于热敏电阻并非理想线性变化，所以本文依据测温电路研究输入( 温度) 与输出( 电压) 的对应关系并制作温度电压表，编程时采用查表方式直接读 取温度，从而避免热敏电阻的非线性特性对检测参数的影响。 基于单片机的宇调器故障诊断系统的设计研究 圆 图i - 1 系统硬件结构图 2 ) 液晶显示器电路 本文设计使用液晶显示来替代数码或指示灯显示。由于液晶显示器的种类较 多，为了节省系统资源，采用串行控制v l c m l 2 8 * 6 4 显示器，由a t 8 9 c 5 2 单片 机通过串行控制显示相应的内容。 3 ) 计时器电路 在对空调进行故障判断时，压缩机运行时间的长短往往隐含着不同的故障， 是极具参考价值的参数。本文结合相关的设备资料及实验的方式确定压缩机运行 时问与故障之间的关系，作为判断的依据。本系统设计一独立于a t 8 9 c 5 2 系统 的计时电路，由相应的程序确定压缩机的运行时间。 4 ) 按键电路 维修人员希望读取相关的记录或动态工作及环境温度时，要能够方便地操 作。本系统通过硬件电路将操作按键与a t 8 9 c 5 2 的中断系统相连，编制软件按 要求显示相关内容。 5 ) 空调动作电路 当空调器出现任何动作( 如：开、关机等) 时，诊断系统应能迅速察觉并做 出相应的反应。因此，本系统采用继电器与空调器各开关相连接，信号经光电隔 离后送入单片机的中断口，以此来判断空调器所处的状态。 4 第一章绪论 2 、系统软件设计 本诊断系统的软件设计主要包括以下几部分： 1 ) 空调器所处状态的分析和判断； 当空调器出现任何动作时，能及时对空调器所处的状态进行判断，并调用相 应的子程序完成相关的任务。 2 ) 环境温度和工作温度的读取和分析： 在需要时，启动a d 转换器读取环境温度及工作温度并在必要时对各工作 参数正常与否进行分析判断，作为故障分析的依据。 3 ) 压缩机运行时间的计算和故障的判断； 每次压缩机停机时计算运行时间并结合各工作参数分析结果，对空调器进行 故障分析和判断。 4 ) 停机参数的保存及读取 在对空调进行人工分析故障或维修调试时，空调器出现故障时的环境和工作 温度是维修人员需要掌握的，空调器上次停机( 尤其是故障停机时) 的参数如何 更是维修人员迫切想了解的。但由于故障停机后，空调一般不宜再开启，诊断系 统及时保存停机时的参数并按维修人员的意愿显示就显得非常重要。因此数据的 保存和显示也是本系统研究的重点之一。 对此问题，本文通过硬件电路将空调器所处的工作状态与a t 8 9 c 5 2 的中断 系统相连，编制软件按空调状态的变化及时启动或关闭计时器，读取并保存相应 的环境和工作温度以及压缩机的运行时问。 在维修人员希望读取相关的记录或动态工作、环境温度时，要能够方便地操 作。本系统通过硬件电路将操作按键与a t 8 9 c 5 2 的中断系统相连，由软件识别 并按要求显示相关内容。 1 3 系统功能简介与章节安排 一、系统功能简介 本诊断系统可以实现以下独特的功能： 1 、液晶显示器中文显示故障或提示。运行时可显示室内、室外温度及故障 情况： 2 、可动态显示空调器的环境温度和工作温度； 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 3 、可保存和显示压缩机停止运行时的五个温度及压缩机的运行时间，给维 修人员提供便利。 二、各章内容安排 第一章是绪论，介绍本文选题的背景和意义以及论文研究内容。第二章是空 调器故障特性分析，主要介绍制冷系统的循环原理、系统运行时各主要参数之间 的关系以及各种故障对参数的影响。第三章是空调器故障诊断逻辑研究，介绍故 障诊断的方法及空调器故障诊断逻辑的建立。第四章介绍诊断系统电路设计，主 要包括数据的采集、空调运行状态的判断、时间及功能按键切换、显示内容的输 出等电路。第五章介绍系统软件的设计，主要为主程序、空调器故障诊断程序以 及中断服务程序的设计。第六章为系统的调试结果，总结了论文所做的工作，给 出实验结论，说明了创新点。并对存在的不足及对未来进一步的研究做出展望， 结束全文。 6 第二章空调器故障特性分析 第二章空调器故障特性分析 本章研究空调器的制冷循环原理、系统运行时各工作温度与环境温度之间的 关系以及各种故障对工作参数的影响，作为故障诊断系统的理论依据。 2 1 空调器制冷循环原理与工作参数 一、空调器制冷循环原理 本系统针对单冷型制冷空调机组，压缩机电机为固定转速( 非变频) 。见图 2 1 ，制冷系统由压缩机、冷凝器、毛细管及蒸发器四个部件组成，由管道进行 连接，内部充有制冷剂。在压缩机的驱动下，制冷剂在系统内循环，从而产生制 冷效应。制冷循环是由压缩、冷凝、节流及蒸发四个热力过程组成，如图2 2 所 示： 囊引 过滤器毛细管 或节流阀 图2 - 1 制冷循环原理图图2 - 2 制冷循环压一焓图 1 、节流过程( 3 _ _ 4 ) 由冷凝器流出的高压常温液态制冷剂经过过滤，流向毛细管，由于毛细管管 径很小，制冷剂流动阻力很大，在流动过程中，制冷剂的压力迅速下降。随着压 力的降低，其中的部分液体开始汽化，由于汽化吸热从而导致制玲剂的温度也迅 速下降。制冷剂最终温度( 蒸发温度t 0 ) 的高低取决于毛细管的长度或阀门的开 启度，如果毛细管细而长，则阻力加大，汽化程度高，温度下降程度高。 在实际的技术应用中，一般情况下，毛细管后端蒸发温度处于一定的范围。 当毛细管发生堵塞时，会导致此温度低于正常( 范围) 值。 2 、蒸发过程( 4 1 ) 7 蒸发器 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 由毛细管流出的低温低压制冷剂流入蒸发器，蒸发器外侧为室内空气。由于 制冷剂温度低于空气温度，所以帝4 冷剂吸收空气的热量，一方面降低空气的温度， 同时液体部分制冷剂因吸热而蒸发( 沸腾) 全部变为饱和气体。 由于饱和气体的温度依然低于空气温度，所以制冷剂将继续吸收热量升温， 所以，当制冷剂离开蒸发器时其温度( 吸气温度t 。) 将高于蒸发温度，二者温差 称为过热度。即： a t n = t 。 ( 2 1 ) 此过程中空调制冷量q o = g ( h 1 h 4 )( 2 - 2 ) 式中：g 一一制冷剂的循环量 h i出蒸发器( 吸气) 点的焓值 1 1 4 - 一进蒸发器点的焓值 3 、吸气压缩和排气过程( 1 2 ) 压缩机将气态制冷剂吸入压缩机进行压缩，维持了蒸发器内压力的稳定，同 时将制冷剂的压力提高后排向冷凝器。在此过程中： 压缩机功耗：n o = g ( h 2 h 1 )( 2 - 3 ) 式中：h 2 一一压缩机排气点的焓值 4 、冷凝过程( 2 _ - 3 ) 从压缩机排出的高温高压制冷剂进入冷凝器。冷凝器外为( 室外) 空气，制 冷剂向空气散热且冷凝变成液体。此时制冷剂的压力为冷凝压力，饱和液体制冷 剂的温度为冷凝温度( t k ) 。此过程中： 冷凝热负荷：q k = g - ( h 2 一h 3 ) = g w ( e w 2 一t w ) ( 2 - 4 ) 式中：h 3 冷凝器出口点的焓值 g w - 一室外空气的流量 t w 2 一一冷凝器出风温度 t w 室外温度( 冷凝器进风温度) 二、空调器工作参数 空调器的工作参数包括冷凝温度t k 、蒸发温度t o 和吸气温度t 。这些参数的 确定及其影响因素分析如下： 第二章空调器故障特性分析 1 、冷凝温度t k 制冷系统的冷凝温度与冷凝器的结构和环境条件有着密切的关系。在实际工 程应用中，首先确定冷凝器的结构再计算冷凝器面积并依据空调器的工作环境条 件确定冷凝温度。对已确定的冷凝器，在不同的( 温度、表面清洁度、风速等) 工作条件下，往往会出现不同的冷凝温度。 家用空调的冷凝器为铜管串铝翅片型，采用风机驱动强制对流换热方式，冷 凝温度的确定可按下式计算： f ：望( 2 5 ) k a t 。 式中q k 冷凝器热负荷： k - 一冷凝器传热系数： k 冷凝器平均传热温差； f 一一冷凝器传热面积，对空调器而言为定值； 1 ) 冷凝器的热负荷q k 冷凝器的热负荷是制冷剂过热蒸汽在冷凝过程中所放出的总热量，见图2 - 3 用下式计算： q k = g ( h 2 一h 3 ) ( 2 6 ) 或：q k = q o + n o ( 2 7 ) 式中h 2 ，h 3 - 制冷剂进、出冷凝器时的焓， 为空调器的制冷量 n o 一一为压缩机的耗电量 l g p 图2 - 3 制拎循环热力计算压一焙图 9 基于单片机的空调器故障诊断系统的殴计研究 2 ) 传热系数k 传热系数k 主要取决于管内对流热阻、管道的导热热阻以及管外的对流热阻 等因素，较为复杂，更难以准确计算。在实际运行时，对传热系数k 影响最大的 是冷凝器外表面的清洁度和迎面风速。 可先按照设计的工作条件取一定值，再改变其它条件进行分析。 3 ) 平均温差t 。 制冷剂在冷凝器中，由过热状态的蒸汽冷凝成液体，其温度并非定值。但由 于冷凝器的热负荷主要是制冷剂的凝结放热( 占8 0 一8 5 ) ，因此，一般情况下 可用下式计算： t 。= t k t w 式中：t w 一室外空气温度。 因此，由公式( 2 5 ) 可知： 铲罴乜 ( 2 - 8 ) 目前家用空调设计如下：当室外t 。= 3 0 0 c 室内t n = 2 6 0 c 时t k = 4 0 0 c 2 、蒸发温度t o 在进行制冷装置设计时，蒸发温度的确定取决于被冷却对象的温度要求、制 冷剂与被冷却对象之间的传热温差、蒸发器形式以及所采用的冷却方式。 冷却方式是指制冷剂与被冷却物直接或间接换热。 如家用空调，蒸发器外为被冷却物一一空气，此种方式被称为直接冷却。 而在中央空调系统中，房间里的空气是通过末端设备内部流动的冷冻水降 温，空调机组里的制冷剂并不与室内空气接触，所以此种方式被称为间接冷却。 蒸发温度一般按以下原则确定： 直接冷却方式：t o = h a t ( 2 9 ) 式中t o 一一制冷剂的蒸发温度 t 2 一一被冷却介质的出口温度 t 一换热温差 在空调器设计时，t z 为空调器出风( 送风) 温度，取1 4 1 6 0 c ； t 为制冷剂与被冷却对象之间的传热温差，一般取1 0 0 c ； 1 0 第二章空调器故障特性分析 因此，家用空调设计的蒸发温度t o = t 2 一a t e 5 0 c 。 3 、压缩机的吸气温度t 。 在空调制冷系统中，吸气温度对制冷系统的影响是通过压缩机的输气系数 而体现的，此温度确定合适与否对制冷系统的运行效率有很重要的影响。 压缩机在单位时间内经过压缩并输送给冷凝器按吸气状态计算的气体量称 为压缩机的输气量或称为流量。压缩机的输气量与制冷量密切相关，输气量越 大则制冷量也越大。 压缩机的输气量可以按制冷剂的质量流量计算，用g 表示，单位是k g s ， 也可用容积流量来计算，即按吸入状态下气体的容积来计算，用v s 表示，单位 是m 3 s ，两者之间的关系是： v s = g v 1 ( 2 - 1 0 ) 式中v l 是吸入状态下制冷剂的比容( m 3 s ) 在实际工作中，压缩机的实际输气量k 始终小于压缩机的理论输气量k ， 两者之比称为压缩机的输气系数，用 表示。影响因素用下式表示： 五= 丑五。丑丑 ( 2 1 1 ) 式中：元，一容积系数 压力系数 见温度系数 泄漏系数 上述因素中， 温度系数与压缩机的吸气温度密切相关，其他系数与吸气温 度关系很小。 压缩机工作时，汽缸壁的温度总是高于吸入气体的温度，因此在吸气期间， 冷的气体与热的汽缸壁之间进行热交换，使吸入气体的温度升高，比容增大，单 位时间吸入的气体质量就会减少。 温度系数是由于吸气质量的减少而产生的容积损失，不可能在示功图上表示 出来，所以也称为不可见损失。对其计算大多采用经验公式： 开启式压缩机经验公式： 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 五= 式中1 0 - 一一一绝对蒸发温度 t k 一绝对冷凝温度 全封闭式压缩机经验公式1 ： 五= 寿 式中t l绝对吸气温度 t k - 一一绝对冷凝温度 0 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 蒸汽在吸入管道中的过热度，0 = ( t l t 0 ) ，k a 一一表示压缩机的温度高低随冷凝温度而变化的系 数，a = 1 0 1 1 5 ，随着压缩机尺寸的减小，a 值 趋近于1 1 5 。 b 一一表示容积损失与压缩机对周围空气散热的关 系，b = o 2 5 0 8 ，可由图1 1 2 4 查得： 压缩机壳体外空气做自由运动 一压缩机壳体外空气做强制运动 图2 - 4 容积损失与空气散热系数图 上述几个参数对家用空调而言： a = 1 1 3压缩机为小型压缩机 b ：o 5 3家用压缩机功率取1 2 0 0 w t k _ 3 1 5 k冷凝温度取4 2 0 c 0 = 3 0 c管道过热因保温程度不同而异。 则 兄= j 3 5 7 1 l 5 4 ( 2 - 1 4 ) 第二章空调器故障特性分析 吸气温度对温度系数的影响可以从上式看出，在其他条件不变的情况下，温 度越高则输气系数高。但因制冷系统各参数还存在其他的相互影响，温度太高会 导致其他不利的影响，如吸气比容过大、压缩机排气温度过高，润滑条件变差等。 因此，制冷系统因设备结构的差异、采用制冷剂种类的不同等原因对吸气温 度有着不同的要求。 家用空调采用全封闭式压缩机、氟利昂制冷剂，所以在进行设计时，压缩机 的吸气温度为t n = 1 5 0 c ，考虑到管道的过热，制冷剂在进蒸发器时设计蒸发温度 “= 5 0 c ，出蒸发器时，制冷剂的温度为1 2 0 c 。 2 2 空调器故障对工作参数的影响 从2 1 可知，各种工作参数都与空调器的工作状况紧密相关，当实际运行条 件与设计条件不同或出现各种故障时，必然会影响到工作参数。空调器常见的故 障有：冷凝器结垢、室外送风量减少、制冷剂泄漏、制冷管路堵塞及室内送风量 减少等。 而本文设计的故障诊断系统需要在各种条件下对空调器的运行情况进行分 析诊断，因此当条件变化或出现故障时，空调器的各参数的变化规律是本文研究 的重点内容之一。 一、条件改变和各种故障对冷凝温度t t 的影响分析 1 、冷凝温度受室内和室外温度的影响 其影响的过程参见表2 1 和表2 2 表格2 - 1 室内温度对冷凝温度的影响 t nq o q k k t mt k tttt t 上上土上土 表格2 - 2 室外温度对冷凝温度的影响 t wq oq k k a t mt k t t 上上 基于单片枫的空谪器故障诊断系统的设计研究 说明：先假设q o 不变，可以定性地分析出对t k 的影响，实际上由于室外温 度的改变将影响室外换热效果，a t 。、q k 及q 0 均会发生变化，但不影响对t k 的定性分析。 2 、各种故障对冷凝温度的影响 各种故障对冷凝温度的影响见表格2 - 3 至表格2 8 ： 表格2 - 3 冷凝器结垢对冷凝温度的影响 | k t m q o q k t w k i 工t t 说明：同样先假设q o 不变，可以定性地分析出对t t 的影响，实际上由于冷 凝器结垢的影响，q k 及q o 均会发生变化，但也不影响上述对t k 的定性分析。 表格2 _ 4 室外送风量减少对冷凝温度的影响 | k a t m q o q z t w t k i 土 tt 压 排 流向过滤器 图2 - 5 冷凝器换热图 说明：如图2 5 ，由于空气流量减少，使室外对流换热系数下降，增大换热 总热阻，同时也使吸热后空气的出风温度大幅度提高。在冷凝器表面清洁的时， 冷凝温度与出风温度之间有如下关系： t k = t w 2 + 4 6 0 c 所以提高了冷凝温度。 1 4 第二章空调器故障特性分析 表格2 - 5 制冷剂流量减少( 制冷剂泄漏) 对冷凝温度的影响 l q 。q o k t “ t wk i t i土土 即制冷剂流量的减少将使冷凝温度降低。 在空调器系统中，如生产工艺不佳或充注制冷剂不当易导致过滤器或毛细管 堵塞。堵塞可以分为部分堵塞和完全堵塞，两种堵塞对冷凝温度的影响不同。 部分堵塞： 在发生部分堵塞时，由于制冷剂尚能流动制冷，制冷剂在冷凝器内须向空气 散热，但由于冷凝器内积存大量的液态制冷剂，所以可用于传热的有效面积减少， 因此导致冷凝温度升高，但由于冷凝负荷的减少，所以冷凝温度升高的幅度不大， 在实际工程应用中，毛细管或过滤器的部分堵塞通过t k 的变化是较难以判断的， 须结合其他的因素来判断。 表格2 - 6 过滤器或毛细管发生部分堵塞对冷凝温度的影响 q 。 q o fk k t t k i 上工lt - + 。 完全堵塞： 当过滤器或毛细管发生完全堵塞时，由于制冷剂没有循环，不产生制冷效果 q k 、q o 皆为零，所以冷凝温度与室外温度相等。也可理解为冷凝温度偏低。 表格2 - 7 过滤器或毛细管发生完全堵塞对冷凝温度的影响 q k q o f k a t mt wt k o 0ok 室内风机送风量不足： 当室内送风机叶片结垢、蒸发器表面结垢或空气过滤网严重肮脏时，都将导 致空气的实际流量减少，从而使实际的制冷量减少。 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 表格2 - 8 蒸发器出现吸热受阻对冷凝温度的影响 q o q g k t t l l t w t k f 上上il 3 、小结 通过上述分析，冷凝温度t k 的变化规律总结为表格2 - 9 。 表格2 - 9 条件改变和各种故障对j 峄凝温度的影响 变化方向变化原因 室内温度升高 k 升高 室外温度升高 室外冷凝器结垢 室外风机送风量减少 室内温度降低 室外温度降低 t k 降低 制冷剂泄漏或管道堵塞 室内蒸发器吸热受阻 二、条件改变和各种故障对蒸发温度t o 的影响分析 蒸发温度的控制是借助节流阀或毛细管的节流作用实现的。节流的实质是制 冷剂在毛细管内流动时所遇到的流动阻力损失使制冷剂的压力大幅度下降。 对毛细管而言，阻力损失为流体的沿程阻力损失。其受各种因素的影响可参 考以下图形： 1 、冷凝压力变化的影响 1 6 第二章空调器故障特性分析 节 冷凝压力 图2 - 6 节流压差一冷凝压力关系曲线 见图2 - 6 ，有p o ( 一t o ) = e k ( t k ) 一a p ( 2 1 6 ) 式中p o 一蒸发压力，与蒸发温度一一对应： p k 一冷凝压力，与冷凝温度一一对应； a p - 一毛细管对制冷剂产生的阻力损失，即节流压差。 从图中可以看出，随着冷凝压力( 温度) 的升高，蒸发压力( 温度) 也升高 反之亦然。 2 、室内温度变化的影响 室内温度的变化主要影响了制冷剂在蒸发器内的蒸发速度，因压缩机的吸气 量是被动变化，无法保持与蒸发量的同步改变。只能在一新的蒸发压力下保持动 态平衡。如图2 7 为室内温度变化对蒸发压力( 温度) 的影响规律： 图2 7 蒸发压力一室内温度关系曲线 从图中可以看出室内温度的变化对蒸发温度的影响较小，在正常家用空调室 内温度调节范围内( 2 4 0 c 2 8 0 c ) ，蒸发温度变化( 4 0 c 。7 0 c ) 较小。 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 3 、管道( 过滤器或毛细管) 堵塞的影响 图2 - 8 堵塞蒸发压力关系曲线 工程中出现的堵塞往往都是在较严重时才被发现。2 8 图中的堵塞程度是通 过调节安装在管道上的阀门开启度来模拟的。 全开时，堵塞程度为o 全关时，堵塞程度为1 0 0 由图可以看出，管道堵塞总体上将使蒸发压力( 温度) 下降。但只有当堵塞 程度较大时，影响才较为明显。轻微的堵塞，对蒸发压力( 温度) 影响不明显。 堵塞导致压力下降的原因是供向蒸发器的制冷剂量和蒸发量减少，而压缩机 的吸气能力却没有下降，只有压力蒸发下降至一定程度才能使压缩机的吸气量和 蒸发量达到平衡。 4 、室内送风量减少的影响 图2 - 9 风量一蒸友压力关系曲线 如图2 - 9 ，在空调送风量的正常调节范围内，蒸发压力在很小的范围内变化 第二章窑调器故障特性分析 但送风量过小时蒸发压力( 温度) 迅速下降，甚至会出现低于o o c 的现象。 产生上述现象的原因主要是送风量的减少，使制冷剂的吸热和蒸发量下降， 而压缩机的吸气能力却没有下降，只有蒸发压力下降至一定程度才能使压缩机的 吸气量和蒸发量达到平衡。 5 、小结 通过上述分析可以总结出各种变化或故障对蒸发压力( 温度) 的影响规律 见表格2 1 0 。 表格2 - 1 0 条件改变和各种故障对蒸发温度的影响 变化方向变化原因 室外冷凝压力升高 t 0 升高 室内温度升高 冷凝压力降低 室内温度降低 t o 下降 毛细管堵塞 室内风量偏低 三、条件改变和各种故障对压缩机的吸气温度t 。和过热度a t n 的影响分析 当空调实际运行条件变化或出现各种故障时，吸气温度t 。会出现不同程度的 变化。 1 、冷凝温度( 室外温度) 变化的影响 图2 1 0 吸气温度一冷 疑温度关系曲线 1 9 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 由图2 一l o 可知，当冷凝温度升高时蒸发温度和吸气温度都升高。但两者的 差值( 吸气过热度) 在逐渐减小。 主要原因是：由于冷凝温度( 压力) 的升高导致蒸发温度同步上升，在室内 温度不变的情况下，制冷剂的吸热能力相对减弱，虽然吸气温度也上升但幅度相 对较小。 2 、室内温度变化的影响 图2 一“吸气温度室内温度关系曲线 由2 1 l 图可知，当室内温度升高时蒸发温度和吸气温度都升高。但两者的 差值( 吸气过热度) 在逐渐增大。 主要原因是：室内温度的升高导致制冷剂的蒸发温度略有上升但幅度较小， 由于室内温度与蒸发温度温差加大，导致制冷剂的吸热能力增强，制冷剂的吸气 温度快速上升。 上述两种影响属于正常( 空调季节) 运行时常出现的情况，制冷剂的吸气温 度一般在l o 1 5 0 c 之间，交化的范围不大，对空调器的运行也不会产生不良影响。 只有在空调器出现异常时，才会产生不利影响。 3 、室外散热器因结垢、风机不良的影响 度 吸气锰彦 歹 发温度 压力偏高) i f 凿 凝温度 范围 圉2 一1 2 散热不良时吸气温度一冷凝温度关系益线 第二章空调器故障特性分析 由图2 1 2 可知，异常原因导致冷凝压力过高时，吸气温度和蒸发温度都升 高，且两者温差也急剧缩小。 原因是冷凝温度( 压力) 的升高导致蒸发温度同步上升，在室内温度不变的 情况下，制冷剂的吸热能力减弱，虽然吸气温度也上升但幅度相对较小。 4 、过滤器或毛细管堵塞的影响 温 4 0 8 0 堵塞程度 图2 1 3 吸气温度堵塞程度关系曲线 由图2 一1 3 可知，由于堵塞导致蒸发压力( 温度) 下降，吸气温度升高，两 者温差急剧增大。 原因是堵塞导致蒸发温度急剧下降、制冷剂的吸热能力增强，但由于供液量 减少，所以吸气温度大幅度上升。 5 、制冷剂不足( 泄漏) 的影响 4 0 8 0 泄漏程度 图2 - 1 4 吸气温度- 泄漏程度关系曲线 由图2 一1 4 可知，制冷剂出现泄漏时，其蒸发温度和吸气温度的变化情况与 管道堵塞非常相似。其原因也相同，但其供液量的减少主要是因冷凝压力的降低 而造成的。 2 1 基于单片桃的空调嚣教障诊断系统的设计研究 6 、室内蒸发器散热不良的影响 通风量减弱 图2 1 5 吸气温度室内风量关系曲线 由图2 1 5 可知，当室内机因风机或过滤网原因导致风量减少时，蒸发温度 和吸气温度会同时下降，但由于制冷剂吸热量的减少导致两者的温度差( 吸气过 热度) 缩小。 7 、小结 通过上述分析总结出对吸气温度与蒸发温度差值( 过热度) 影响因素，见表 格2 1 1 表格2 - 1 】条件改变和各种故障对吸气过热度的影响 变化方向 原因 制冷管路堵塞 a t d 偏高 制冷帮泄漏 室内风量出现严重偏低 t 偏低 冷凝压力过高 四、小结 通过以上分析和实验可以得出如下结论： 在正常的工作环境温度条件下，各工作温度与环境温度呈一定的数学关系 ( 下一章讨论) 。在空调器制冷系统出现故障时，上述工作参数将按故障的程度 出现不同程度的偏离，见表格2 1 2 。 第二章空调器故障特性分析 表格2 一1 2各种故障对空调器工作参数的影响小结 故障类别 冷凝温度蒸发温度吸气过热度 室外机通风受阻偏高偏高偏低 室内机通风受阻 偏低 偏低偏低 制冷管路堵塞偏高偏低偏高 制冷剂泄漏偏低偏低偏高 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究 第三章空调器故障诊断逻辑的研究 本章探讨空调器故障诊断的理论和方法，以及本文所研究的诊断系统对空调 器故障诊断所采取的措施与步骤。 3 1 故障诊断的方法 一、故障分析的总思路 空调器由制冷系统和电气系统组成，运行状态又与工作环境和条件有着密切 的关系，所以对空调器的故障分析需综合考虑。 总的来说，故障的原因可分为两类，一类是机外原因或人为故障( 特别是电 源是否