基于单片机的空调控制系统的设计.doc

1 绪论1.1 空调器的相关概念空调是空气调节的简称，它是一门工程技术，空气调节器（简称空调器）是一种人为的气候调节装置，它可以对房间进行降温、除湿、加热、加湿、通风、净化等调节过程，利用它可以调节室内的温度、湿度、气流速度、洁净度等参数指标，从而使人们获得新鲜而舒适的空气环境。这样，无论是炎热的夏季，还是寒冷的冬季，人们都能在一个舒适的环境里更好的工作和生活。1.2 空调专业术语的定义房间空气调节器:对密闭空间、房间或区域里空气的温度、湿度、洁净度及空气流动速度（简称“空气四度”）等参数进行调节和控制等处理，以满足一定的要求的设备，称为房间空气调节器；包括制冷系统、通风系统、电气控制三部分。制冷（降低气温）: 通过从室内高温空气中吸收热量并向室外放热，使得室内环境温度下降到所要求的温度，以达到凉爽舒适的目的的手段。制热（热泵升高气温）:通过从室外低温空气中吸收热量并向室内放热，使得室内环境温度上升到你所要求的温度，以达到暖和舒适目的的手段。 抽湿（降低房间湿度）:在制冷的过程中，空气经过比其露点温度低的蒸发器时，其中的水蒸气就冷凝下来，起到把空气中过多的湿气带走的目的的手段。送风（改变风速）:强制使室内空气得到循环流动，相当于风扇用。自动（模糊控制）:根据室内温度与你所设定的温度之差自动地提供冷量或热量，随时保证室内环境的舒适性。1.3 空调器的结构一般空调器分为窗式空调器、分体壁挂式空调器和柜式空调器。家用空调器有制冷（热）系统、通风系统、电器控制系统3部分组成，这3部分分别组装于一个箱体（整体式）或两个箱体（分体式）内，分体式空调器是有两个箱体的机组组合而成：一个是压缩机冷凝机组，即室外机组；一个是蒸发器组，即室内机组。室外机组主要包括：外壳、室外热交换器、贮液罐、风扇及电机、压缩机等；室内机组主要包括：外壳、室内热交换器（蒸发器、铝翅片）、风扇及电机、排水管等。1.制冷剂空调器的“血液”a)作用：通过它把房间的热量“搬”出去（制冷）或把室外大气的热量“搬”进屋来（制热）；b)别名：雪种、冷媒、氟里昂、工质等；c)普通的有R22；环保的新冷媒有R134a，R410a，R407c。2.压缩机空调器的“心脏”a)通过压缩机的运转来实现制冷剂在系统中的流动和循环；b)房间空调器使用全封闭压缩机，包括往复式、旋转式（单转子、双转子）、涡旋式；3.热交换器及配管“血管”与“肌肉”的作用a)分为室内侧热交换器（通常称作“蒸发器”、低压部件）和室外侧热交换器（通常称作“冷凝器”、高压部件）；b) 制冷剂与空气之间的热量传递是通过热交换器的管壁和翅片来进行的。4.节流机构“毛细血管”a)毛细管细而长，制冷剂流经时克服摩擦力，被节流降压；b)PMV电子膨胀阀（02000步脉冲调节范围），通过调节其脉冲步数调节制冷剂的流量大小。5.风机风道系统a)强制使得空气流过换热器，加速热交换的进行。b)电机的分类：铁壳、塑封；直流（无刷）、交流；同步、异步；抽头调速、带反馈可控硅调速；单轴、双轴。c)风轮（扇）分类：离心、轴流、贯流。d)风道：直接影响到换热效果（风量的大小）、出风均匀性（凝露）、噪音和振动等风道的优化是性能优化的重要手段。6.（干燥）过滤器a)过滤系统可能存在的杂质，避免堵塞毛细管，影响制冷效果；b)新冷媒对水分的要求特高需带干燥功能的过滤器。7.电气控制系统a)机械控制方式（温控器、主令开关、过载保护器）；b)微电脑（MCU）控制方式；（遥控、线控：正常自动控制、自动安全保护、故障自诊断和显示、自动恢复）。8.辅助功能a)电辅热（电加热管、翅片管、PTC）；b)换气（室内自带、独立换气）；c)过滤部件（精细过滤网+活性炭过滤网+光触媒过滤网+HEPA酶滤网）等。d)健康负离子、高压集尘等；1.4 空调器基本原理空调器是由压缩机、冷凝器、蒸发器、毛细管、节流阀等部件构成的，它们通过管、道连接形成一个封闭的系统，系统中充注着制冷剂R22（氟利昂22）.1.制冷循环:进行制冷运行时，来自室内机蒸发器的低压低温制冷剂气体被压缩机吸入压缩成高压高温气体，排入室外机冷凝器，通过轴流风扇的作用，与室外的空气进行热交换而成为中温中压的制冷剂液体，经过毛细管的节流降压、降温后进入蒸发器，在室内机的贯流风扇作用下，与室内需调节的空气进行热交换而成为低压低温的制冷剂气体，如此周而复始地循环而达到制冷的目的。其工作过程为：从室外进入室内的液态制冷剂R22，进入室内换热气（蒸发器）中与房间内的空气进行热交换。液态的R22制冷剂由于吸收房间空气中的热量由液体变成气体，其温度压力均不变化，而房间内的空气由于热量被带走，温度下降，冷气从出风口吹出。2.制热循环:当进行制热运行时，电磁四通换向阀动作，使制冷剂按照制冷过程的逆过程进行循环。制冷剂在室内机换热器中放出热量，在室外机换热器中吸收热量，进行热泵制热循环，从而达到制热的目的。其工作过程为：液态R22制冷剂在室内被气化后，进入室外侧压缩机中，由压缩机压缩成高温、高压的气体，然后排入室外换热气（冷凝器）中，高温高压的气体制冷剂在冷凝管中于室外空气进行热交换，被冷却成中温高压的液体。室外空气吸收热量后，温度升高被排到外界环境中。3.送风循环:室外机压缩机和风机全关，只开室内送风风机进行强制循环送风。1.5 空调器主要功能及技术参数1.5.1 空调器的一般功能（1）调节室内温度：一般情况下，人们居住或工作的环境，与外界的温差如能保持在5左右是比较适宜的。若温差过大，每当受到“热冲击”或“冷冲击”时，都会使人感到不舒服。因此，对大多数人来说，空调房间夏季保持在（24-28）、冬季保持在（18-20）是比较理想的。（2）调节室内湿度：在过于潮湿或干燥的空气环境中，人们会感到不舒服，适合人们需要的相对湿度是在（40-70）%的范围内。空调器的湿度调节，是通过增加或减少空气中的潜热来实现的，夏季降温除湿，冬季升温加湿。（3）调节室内气流速度：人们处在适当低速流动的空气中要比处在静止的空气中感觉良好。（4）净化室内空气：空气中一般都有悬浮状态的固体或液体微粒，它们很容易随着人们的呼吸进入气管、肺等器官，这些微尘还常常带有细菌，传染各种疾病，因此，无论是室外新风还是室内循环风，都要通过空调器上的空气过滤器将空气中灰尘等过滤掉，以保证室内空气的新鲜和清洁。（5）定期更换室内空气：空调器为了节能运转，一般仅循环室内空气，但时间一长，室内空气的品质会因此而下降，这时可以打开新风门和排风门，吸入室外新鲜空气，排除室内污浊空气。（6）调节送风方向：空调器出风口上设有水平格栅和垂直栅，水平格栅用来调节气流出口倾角。夏天进冷风时向斜上方送出，冬季送热风向斜下方送出。垂直格栅能左右调节，即调节气流在室内的扩散范围。（7）控制房间温度波动：在15-30范围内，能自动调节室内温度，控制精度一般在1或2范围内。1.5.2 空调器主要技术参数（1）制冷量：空调器的名义制冷量是空调器的主要指标，它是指在国家有关标准规定的名义工况下，空调器应具有的制冷量，这需要经测试才能验证其是否符合指标。（2）制热量：热泵型或电热型空调器主要性能指标，其含义与名义制冷量相似。（3）空调器功率：是指空调器在规定工况下性能测试时所测量出的空调器消耗总功率，它是空调器的实际消耗功率。在产品的铭牌或说明书上，应标明空调器的输入功率。（4）噪声：空调器的噪声分为室内的蒸发机组噪声和室外的冷凝机组噪声，一般室内机组噪声比室外机组噪声低，因为室外机组噪声来源于压缩机和风机两种噪声，而室内组噪声来源于风机气流声和电机电磁噪声。国家对空调器的噪声有规定的指标，表1-1所示为房间空调器的噪声指标，该表的噪声值适用于制冷量在9000W下的种种结构形式空调器。表1-1 空调器噪声指标名义制冷量室内侧噪声dB（A）室外侧噪音dB（A）250054602500-4500576445006068（5）能效比（COP，性能系数）：空调器的制冷量与所耗功率之比称为能效比，它是表示制冷效率的能耗指标，人们希望空调器的能效比愈大愈好。（6）风量：空调器的风量是指室内蒸发器的循环风量，该指标由设计部门确定，国家标准没有具体规定，因风量与蒸发器面积有关，不同厂家生产的相同制冷量的空调器，其风量不一定相同。1.5.3 用电量估算家用供电多为单相电源，220V，50HZ。供电方式一般有两种：（1）空调器单独供电，配专用电度表，北京市目前的电网就是采用这种方式；（2）与其他家用电器合用供电线路，配总电度表，常用的单相电度表有5A、10A、15A、20A等，我国的生产标准规定：直接接入式电度表额定最大电多单相电度表上标明5（10）A、10（20）A等，括号内数字为即允许通过的最大电流。在夏季制冷工况下，当制冷量和使用条件相同时，单冷型、热泵冷暖型、电热冷暖型空调器的用电量是一样的。其用电功率可用公式计算：Ne=Q/COP （W）式中：Ne指空调器夏季用电功率，W；Q指空调器制冷量，Q；COP指制冷系数（性能系数），一般COP=2.5-2.8。热泵辅助电热型空调器在制热工况下，既用热泵加热，又采用辅助电加热。制热效率高，用电功率介于热泵型和电热型之间。1.6 空调器发展展望目前，大部分舒适性空调系统以室内温度调节为主，且一般为恒温调节，在运行时其温度几乎完全由人工设定。这种人工设定的恒温空调器具有一定的主观意愿性，很难满足绝大多数人的舒适性要求，而且温度设定不合理，还会造成能源浪费。人们的舒适感是建立在人体热平衡原理（即当人体维持正常体温时，人体产热和散热保持平衡。）基础上的。由于环境的变化破坏了人体热平衡，让人感觉到不适合，即或冷或热。例如，在一定温度下，空气相对湿度的大小，表示空气中水蒸气含量接近饱和的程度，相对湿度愈高，空气中水蒸气压力愈大，人体汗液蒸发量则愈少，所以，增加室内空气湿度，在高温时，会增加人体的热感，在低温时，由于空气潮湿增强了导热的辐射，会加剧人体的冷感。又如，周围物体表面温度决定了人体辐射散热的强度，在同样的室内空气参数条件下，围护结构内表面温度高，人体增加热感；表面温度低，则会增加冷感。因此，当环境空气参数变化时，适当调节环境温度可以弥补人们周围空气环境的变化而产生的冷热感。随着智能控制技术的发展和应用，代表目前最高水准的空调控制系统应该是发展为综合考虑人体因素和室内环境因素对热湿负荷的影响，以人体舒适度值PMV为目标进行系统设计的。通过PMV=0设定温度值，即使环境空气参数发生了变化，也会使人们产生较优的舒适感。可见，由于室内余热余湿以及室外空气状况经常随时间而变化，以此，基于PMV的空调系统，其温度设定值也会随时间产生变化。同时，在空调调节过程中，存在着各种干扰，有些是可测的，有些是不可测的，加之系统温度的控制具有一定的时满性，这些都使得空调系统控制具有一定困难。这里采用基于模糊模型的一种自适应控制方法，即基于模糊模型的非线性内模控制解决上述问题，以提高空调系统的性能。PMV,即Predicted Mean Vote,预提平均评价，是ISO7730标准中用来描述和评价室内热环境的一种标准。PMV是丹麦工业大学F.O.Fanger教授对1396名美国和丹麦的受试对象进行实验，收集他们的冷热感觉资料后提出的。PMV作为表征人体对热环境舒适性感觉程度的评价指标，它与人体因素（活动量和着衣量）和室内环境因素（气流速度、平均辐射温度、室内温度）均有关。综上所述，由于空调系统的强非线特性，虽然建立精确的数学模型是困难的，但相信随着科技的发展，人们经验的积累，新一代的空调控制系统将会是以人体舒适度值PMV为目标进行系统设计的。1.7 课题的来源 随着人们生活水平的提高，空调器已普遍进入千家万户，同时消费者对空调器的功能也提出越来越高的要求。空调器除了具备制冷、除湿、制热等功能外，还应使用方便，省电，清静。消费者的需求促使了空调器指挥中心微电脑控制器的发展和完善。家用空调器按其结构可分为3大类：窗式、分体挂壁式和柜式。其中分体挂壁式空调机以其外表典雅美观、装饰性好、使用方便、噪音低、能效较高等优点，深受人们的喜爱。从目前家用空调器的产销量来看，分体挂壁式空调器约占市场总份额的80%。由此可见，分体挂壁式空调器已成为家用空调器的主流产品。单片微型计算机以其结构简单、价格便宜及使用灵活等显著优点，在各控制系统中得到了广泛应用。采用单片机作为空调控制系统的中心，它的工业控制机的可靠性高，可维修性好；环境适性应强；控制实时性好；它有较完善的输入输出通道，电路简单；有较丰富的软件，可以升级控制系统，从而使空调器的功能更加完善。一套优良的控制系统要具有足够的稳定性，快速调节以及实现高精度控制，其中，设计思想和自控方案是前提，也是最关键的环节。其设计要遵循：控制系统简单，运行追求经济性，高效性，可靠性达到最佳。由于分体挂壁式空调器室内机组往往挂得比较高，因此，多采用遥控的形式来操作。早期是线控的，现在普遍采用红外线遥控的形式，用微电脑技术控制空调器，许多功能集中在一块小小的为电脑芯片上，集成度更高，其功能更加丰富，自动化程度越来越高。2 方案论述分体壁挂式空调器的工作都由控制器完成。运用微电脑控制器，除了满足基本的制冷、制热功能外，还为分体壁挂式空调器增加了许多新的功能：除湿、循环风、睡眠、定时、红外遥控、自动除霜、温度显示等。分体壁挂式空调器的基本输入信号有：环温、内机盘管温度、外机盘管温度、交流过零信号、室内风机转速反馈脉冲，红外信号输入，按键输入及功能选择输入。基本输出控制有：压缩机、换向阀、室内风机、室外风机、室内步进电机、发光二极管指示、蜂鸣器等。本课题采用东芝公司的单片机TMP87PH46N,因其高速高性能，资源多，抗干扰能力强，可拓展性强，价格便宜，使用灵活，因此选择该款单片机。在方案论述前首先先简单介绍一下TMP87PH46N芯片，然后再根据芯片的硬件资源及与软件编制者之间的协议，提出方案，进行论证。2.1 TMP87PH46N芯片简介TMP87PH46N是东芝公司推出的一款高速高性能的8位单片机，下面介绍它的基本特点。2.1.1 基本特性1）一个高性能的8位CPU内核，最小指令周期在8MHz时为0.5s,在32.768kHz时为122s；2）412条基本指令；3）8KB片内ROM程序存储器；4）512字节RAM数据存储器；5）14个中断源，其中内部8个，外部6个；6）5个I/O口共35根I/O线，大电流输出，8个引脚，其值为20mA；7）2个16位定时器/计数器；8）2个8位定时器/计数器；9）基本定时器（中断频率：1KHz16KHz）；10）分频输出（频率：1KHz18KHz）；11）8路8位逐次逼近式A/D转换器，转换时间在8MHz时为23s；12）有五种节电工作方式：停机STOP,慢速SLOW,空闲IDEL1,IDEL2和休眠方式SLEEP；13）工作电压宽：2.7V5.5V（4.19MHz/32.8MHz），4.5V5（8MHz/32.8MHz）；14）系统监视定时器；15）时钟同步串行口SIO；16）8位高速串行输出（最大速率为1位/s）；17）8位大电流（20mA）输出可直接驱动LED显示器；此外还具有基本定时器和分频输出。2.1.2 引脚功能TMP87PH46N单片机有两种封装形式：即SDIP42和QFP42。两者均有42个引脚，引脚排列如图2-1示，每个引脚功能如表2-1所列。表2-1 TMP87PH46N的引脚功能名称输入/输出功能P00P07I/O两个8位可编程输入/输出口，每个口在软件的控制下可作为输入或输出口P17,P16I/OP15(TC2)I/O(I)定时/计数器2输入口P14可编程脉冲发生器输出口P13分频输出口P12外部中断2或定时/计数器入口P11外部中断1P10外部中断0P22三位带锁定位的输入/输出口，当用作输入口时其相应的锁定位必须设定为1振荡器连接脚P21P20外部中断5或STOP模式信号输入口P67P608位可编程输入/输出口，每个口在软件的控制下可作为输入或输出口A/D转换模拟输入口P77（HSO）I/O(O)8位可编程输入/输出口HSO串行数据输出口P76HSO串行时钟输出口P75SIO串行数据输出口P74SIO串行数据输入口P73I/O(I/O)SIO串行时钟输出口/输入P72I/O(O)8位PWM输出或分频输出P71I/O(I)外部中断4P70外部中断3或定时/计数器3输入口XIN,XOUT晶 振TEST测 试RESET复 位VDD,VSS电 源VAREF模拟参数电压输入图2-1 TMP87PH46N的引脚图2.2 方案论证整个控制器应该由三部分组成:电源部分,他为整个空调器及控制器各元器件供应电源；输入部分，可以按照用户的要求输入条件及要达到的效果，输出部分：单片机根据输入控制各相应部件进行工作。根据分体挂壁式空调控制器的功能要求和东芝单片机TMP87PH46N的资源，提出以下三个方案：1.单片机外接电路全部采用模拟电路，即只用分立电子元器件来进行设计，只要计算准确，便可以得相当精确的控制电路。从理论上来讲应该能实现题目要求，但设计过程比较复杂、可靠性较低。2.采用中小规模数字集成电路。中小规模集成电路应用技术成熟，能可靠完成基本功能，但电路也比较复杂。3. 采用可编程逻辑器件PLD，利用PLD可编程和大规模集成的特点，使电路简化，但此题目不能充分发挥PLD的特点和优点，并且测量精度不高，导致系统性能价格比降低，系统功能扩展受到限制。综合以上，灵活运用，数字电路简单的就用数字集成电路，用分立元件简单的就用分立元件。一套优良的控制系统要求具有足够的稳定性，快速调节性以及实现高精度控制，根据这些要求，在设计中还要追求经济性，高效性及可靠性达到最佳等这些原则，综合考虑，决定采用方案3。各单元电路的方案选择将在后面各单元电路设计中具体介绍，但不管那部分电路都要工作稳定可靠，能达到所求的性能指标，并留有适当的余量，应尽量让电路简单，成本低，功耗小；元器件要尽量选用品种少，体积小，货源多。还有，所设计的产品要便于生产，测试和维修。3 硬件设计3.1 电源设计根据设计要求，需要一个+12V直流电源和一个+5V直流电源。+12V电源主要给继电器、蜂鸣器和驱动器等器件提供电源；+5V主要给单片机及其他外围电路提供电源。有了合适的电源各元器件才能正常工作，而且电源的稳定性和可靠性也极为重要，否则有可能烧毁元器件甚至发生重大事故。总之，电源是整个空调器的动力来源，是至关重要的一部分，他的设计好坏直接影响到后续电路运行的好坏。1.设计方案一用稳压二极管，即用分立晶体管稳压电路，其电压调整元件与负载并联。如TL431时精密的电基准电源，有如下特点：稳压值从2.5V36V连续可调，参考电源电压误差为1.0%，低动态输出电阻，典型值为0.22欧姆，输出电流从1.01000毫安，全温度范围内温度平坦，典型曲线值为5*107，低输出噪声电压，它有三种用途1)作为稳压管用；2)作为可变电源用；3)作为恒压电源用。其稳压电源优点是：线路简单，元件少，成本低，不许另加保护环节，负载小时，稳定性较好；缺点是：效率较低、输出电流也较小，适用于负载较小电流变化不大或易引起短路故障的场合。可见，采用TL431稳压二极管可以实现12V和5V直流电源，但不够理想。2.设计方案二开关型直流稳压电源电路，其优点是效率高，体积小，重量轻，稳压范围广，工作安全可靠，抗干扰能力强，但其线路复杂、对电网的干扰较大，不易设计，而且成本较高。3.设计方案三采用三段固定式集成稳压器件组成的稳压电路。7800系列集成稳压器具有集成化，体积小，性能好，保护功能完善，成本低，使用方便，不需要调试等许多优点，在许多领域可取代分立元件等稳压器电路，成为世界上最通用系列产品之一。由上面介绍可以看出，采用集成稳压器电路简单，成本低廉，完全符合要求，因此，采用集成稳压器7800系列产品来制作电源。查电子元器件手册知：国内产品以CW7800系列表示，国外以LM、MC等表示。78，其中为公司名，表示输出电流的大小，如L0.1A,T3A,H5A,P10A,若无字母，则表示1.5A，表示稳压值。而设计所需要的是12V和5V的电源，由此可知，应该选用7812和7805集成稳压管。7800系列有三个端子，分别为：1Ui输入端，2Uo输出端，3GND接地端。他们的参数如表3-1。表3-1 7800系列参数系列输出电压标准输入电压最大输入电压最小输入电压78055V10V35V7V781212V19V35V14V由表3-1可知，7812的输出电压12V刚好满足7805的输入电压735V，因此，可以不必采用两个变压器来满足两个集成稳压器的输入电压，而只要用一个变压器来满足7812的输入电压，它产生的12V输出电压即可作为7805的输入电压，这样就省去一个变压器，继而也就节省了成本。经过以上分析，整个电源的方案已经确定：由一个变压器满足7812的输入要求，即它的输入电压是市电220V,50Hz，输出电压在35V14V之间；然后再经过二极管整流，电容滤波，7812集成稳压管稳压，这时就满足12V的直流电源，而输出的12V直流电源，刚好满足7805的输入电压要求，再经过滤波，7805集成稳压器稳压，就可以满足5V直流电源。具体方案如图3-2。变压整流滤波稳压稳压滤波220V,50Hz图3-2 稳压电源方案变压器选择输入电压220V,输入频率50Hz;输出电压14V到35V的变压器，根据实际供应，这里选择TAISHENG公司生产的TDB-8-21B型变压器,它的输入为220V,50Hz;输出电压为14V，输出电流为45mA。经大概估算，此输出可以满足后续电路的要求，而且有一定的裕度。然而，市电220V实际上有一定波动，为了加强电源的可靠性，必须在变压器原级电路上增加电源保护电路。具体做法是在变压器初级线圈中增加热保护器，在电压较高时引起线圈过热而保护。 由于空调室外机组一般都安装室外露天的地方，这样结很容易受到雷电的袭击，因此在控制系统中必须要有保护电路，以避免空调器被雷击而损害这种情况发生。压敏电阻（是起防雷击的作用），简称VSR，是一种半导体非线性电阻元件，由氧化铁或氧化铋等烧结而成，其体积小，对浪涌电压反应快，正常电平下成高阻状态，漏电流极小，过压时引起电子雪崩，电阻迅速变小，漏电流较大，使过压能量消耗在非线性电阻上。它的阻值与其两端施加的电压大小有关，当两端电压大于一定的值（压敏电压值）时，压敏电阻的阻值急剧降低，当电压恢复正常时，压敏电阻阻值也恢复正常。因此，可以从电子元器件手册，根据压敏电阻的电压值就可以查出适当的压敏电阻，这里选用561型号的压敏电阻，保险丝是起防电路短路以及各元气件过流，如电机等短路时，保险丝自动熔断，这样就保护了相关元器件，以防损害。由压敏电阻和保险丝FUSE一起组成电气保护电路，可以防止雷击、过压和过流，详见电路原理图和及本节最后的电源原理图，RZ1压敏电阻和FUSH保险丝。当电压过高时RZ1急剧减小，相应的FUSE上通过的电流则急剧增大，导致FUSE熔丝熔断。起到了电流保护作用。电源整流电路采用桥式全波整流，由四个整流二极管IN4007组成，详见图3-1电路原理图。IN4007整流二极管是面结型大功率整流硅管，它由于PN结面较大，能承受较大的正向电流和高反相电压，性能比较稳定，而且其还有价格低，体积小等优点，技术指标如表3-3。整流后的电压波形如图3-3。表3-3 IN4007硅整流二极管的技术指标最高反向工作电压额定整流电流最大正向压降最高结温封装形式1000V1.0A1.0V175D0-41图3-3 整流后输出电压波形整流后输出电压平均值：Uo=1.2U2，U2指变压器次级线圈的输出电压，这里等于14V。Uo=1.2U2=1.2*14=16.8V每管承受的的最高反向电压：Udrm=1.4U2=19.6V。这里，整流二极管因正向电流较大，故采用硅材料面结合型结构的二极管，由电子元器件手册可以查到，IN4007的反向耐压为1000V，正向电流为1A，因此，选用4007二极管满足这里的条件。整流之后，用二极管D5检波降压，由电子元器件手册知：检波二极管一般采用锗材料点接触型结构，结间电容要小，工作频率较高，整流所用的4007二极管和此正好相符，故检波二极管也选用4007。检波后为了使电压脉动减小，还需滤波。滤波的目的是为了抑制噪声干扰，在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声，如在数字电路中，当电路从一个转台变为另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大尖峰电流，形成瞬时噪声电压，这里选用电容滤波电路，其原理是：根据电容器的端电压在电路状态改变时不能跃变的道理构成的。滤波后，输出电压的脉动将大为减小，并且电压的平均值提高，但随着负载的增加，电流将增大，但由于电容滤波的结果将使二极管的导通角减小很多。电容器耐压要求应大于输出电压的最大值，可以采用电解电容，根据手册，可以选用1000F的电解电容，即原理图中的C3。经电容滤波后，便是集成稳压管7812稳压，便可产生平稳的12V直流电源。由于7812在工作时将会产生较大的热量，故应该加装合适的散热器。为了加强电源的抗干扰性，在供给7805稳压前，再加上一个陶瓷电容C4和一个电解电容C5再进行一次滤波，其中一个滤除高频干扰，一个滤除低频干扰。具体电路图参照原理图。由于5V直流电源直接要供给单片机使用，所以其要求更高，除了C8、C9、C10、C11电容滤波外，还增加了电感滤波电路，以增强电路的抗电磁干扰能力，如原理图，电感，具有通直流阻挡交流的作用，滤波电感越大，其滤波效果越好，但其本身电阻也越大，使得负载电压平均值有所下降，因此，参照电子元器件手册，选用330H的电感。以上电容C11、C14出了滤波作用外，还可以起到消振作用，当各仪器或装置及各印刷电路板分别由各自的集成稳压器供电时，它可防止电源内阻而造成的串扰。C5、C10也可以有防振作用，可以提高稳压电源性能和减小输出波纹。综上，由保险丝FUSE，压敏电阻RZ1，变压器，二极管D1到D5,电容C1、C3、C4、C5、C8、C9、C10、C11，集成稳压器7805和7812等电子元件组成了整个电路所需的+12V电源和+5V电源。详细情况参见图3的电源原理图,从理论上讲，该电源具有抑制电网波动干扰功能和抑制外来电磁干扰功能。图3-1 电源原理图3.2 室内风机控制电路室内风机控制电路由一个闭环系统控制电路组成，包括过零检测电路、脉冲反馈电路及可控硅控制电路组成。所谓闭环控制系统，又称反馈控制系统，它是按偏差进行计算控制的，即操纵变量作用于被控对象去影响被控变量，而被控变量又会通过自动控制去影响操纵变量，从信息传递的关系来看，构成了一个闭合的回路，所以称为闭环控制系统。因为单片机要控制风机的转速，必须要有相应的输入信号，作为当前室内风机的转速的参考，单片机根据此参考才能判断风机的转速是否合乎要求，当不符合要求时单片机通过控制电路再行相应的调整。所以，以单片机为控制中心，以室内风机为被控对象，通过的外接控制电路，和室内风机的反馈电路，便组成了一个闭环系统。3.2.1 过零检测电路过零检测电路的设计：如总电路原理图及图3-3，由Q4、R4、R23、R24、C14组成，用于检测交流电源的过零点。软件定义者定义单片机33端口为过零检测输入端口，从东芝单片机手册可以查到33端口为P12引脚，其功能是两个8位可编程输入/输出口，在软件的控制下33端口可作为外部中断2或定时/计数器输入口。变压器次级线圈输出经过桥式全波整流后即得到脉动的直流电压，如图3-4所示。图3-3 过零检测电路图3-4 整流后的脉动电压波形这样的波形不适合单片机检测，要设法将此波形变为方波信号以便于单片机进行检测。考虑到半导体晶体管的导通特性，当电压低于某一值时，管子将截至，而高于某一值时，管子将导通，刚好可以将此脉动的波形变为方波。由电子元器件手册查到2N5551三极管参数如表3-4,由于2N5551比较常用，故选择此管。表3-4 2N5551三极管参数表型号VCBO/VVCEO/VICM/APCM/WHFEFT/MHz2N55511600.61.080100由于整流电压的有效值为UO=14/1.4=10V所以要经过电阻分压限流，方可与三极管基极接通，但分压后接在三极管基极电压应大于5V,根据手册中电阻标称值，故选用R4的值为1.5K，R24的值为10K，两者串联后，取R24上面的电压接入三极管基极。为了防止外界干扰，再并联旁路滤波电容C14一个，为陶瓷电容104。给三极管集电极加上限流电阻R23=10K后接+5V直流电源，再把集电极接通到单片机33端口。这样，当整个电路接通时，若整流电压从0V开始逐渐增大，到大于0.8V，三级管导通，此后，整流电压继续逐渐增大，到最大值时又将逐渐减小，直到整流电压减小到0.8V，三极管就截至，这个工程中，通过三极管集电极便向单片机发出一个方波脉冲，继而整流电压继续下降，下降到零点后又将增加，在这个过程中，单片机就可以检测到一个过零点。如此循环，在单片机33端口便可得到如图3-5所示的方波信号。图3-5 单片机P12端口电压波形从图3-5可以看出方波信号的低电平的中心点即为交流信号的过零点。3.2.2 脉冲反馈检测电路脉冲反馈检测电路如图3-6,由晶体三极管Q5，电阻R26、R27，电容C15组成。其作用是通过它把室内风机的运行情况反馈到单片机中去，单片机根据其反馈的情况再进而对室内风机进行控制。从东芝单片机手册可以查到TMP87PH46N型号的单片机32管脚为P11端口，该端口是单片机内部两个8位可编程输入/输出口，它在软件的控制下可作为输入或输出口，具有外部中断的功能。室内风扇电机是一台单相异步电动机，内部自带有一个电式脉冲发生器，电机每转一周，脉冲发生器就产生一个脉冲信号，单片机通过在单位时间检测脉冲数，就可以计算出当前室内风机的实际转速。但该信号由于外界干扰和其自身产生特点，并不是标准的信号，单片机不易接受或接收到的信号失真，而成为错误的信号，那就必然引起对室内风扇电机错误的控制，这就大大降低了空调系统的性能。因此必须通过外接电路对其滤波整形，使其成为标准的脉冲信号，确保正确地反馈室内风扇电机的情况。跟上面过零检测的原理相似，同样利用三极管的导通特性，来对电机产生的脉冲整形，这里选取中小功率管9012型号的三极管，是因为9012管的共发射极小信号直流放大系数比较大些，它又是NPN极性，正好可以让检测到的信号与过零检测信号同步。其常用参数如表3-5。脉冲反馈检测具体电路参见总电路原理路。电路中并联的RC电路，主要是滤除外界干扰，此外，他还有对触点保护的作用，为触点瞬时断开时提供了一条放电回路，即阻容吸收电路，这里依然选取较常用的陶瓷电容104，而与之并联的下拉电阻R26阻值为10K.再通过一个1.5K的限流电阻R25把集电极和单片机32脚连接起来。这样，单片机的P11端口便可得到准确标准来自于室内风扇电机的反馈信息。表3-5 9012晶体三极管技术参数型号VCBO/VVCEO/VICM/APCM/WHFE901240200.50.62564200图3-6 脉冲反馈检测电路3.2.3 室内风机控制电路室内风机控制电路如图3-7,由电阻R7、R4、R3和R2，电容C24，晶体三极管Q6，光电耦合MOC3021，可控硅BT136组成。由于室内风扇电机电源用的是220V,5OHz的市电，而控制电路部分用的是弱电，为了弱电和强电有效分离以增加电路的安全性能，这里选用MOC3021光电耦合器，这样也正好满足了可控硅的要求。MOC3021半导体光电耦合器是由半导体光敏接收器件和发光二极管或其他发光器件组成的一种电子器件，当有信号电压加在光电耦合器的输入端时，发光器件发光，光敏接收器受光照而产生电流，使输出端产生相应的电信号，实现了电光电的传输和转换，其主要特点是：输入和输出之间在电气上是完全隔离的，R4是限流电阻，取值1K。可控硅又称晶闸管，是一种可控制其导通角的大功率二极管，通过门极上加入的很小的控制电流，即可控制其阳极和阴极的导通，由于晶闸管的门极与阴极间所需的控制电压很小（一般为几伏），即二者电位差较小，而阴极是接在220V交流主电路上的，故其门及一般要经过脉冲变压器或光耦合器进行隔离。对于交流负载，可以采用控制双向晶闸管在正半周和负半周交流电时均导通，从而使负载上得到交流电压。晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号，从接受的观点看，它的功率放大倍数很大，可达到数十万倍以上，可以实现交直，直交，交交，直直以及变频等各种电能的变换和大小的控制。其优点是：投资少，占地少，无噪声，运行费用低，效率高。在此，选用双向晶闸管BT136,它属于NPNPN五层半导体器件，它的两个方向控制导电，且只有一个控制极触发导通，在交流电压或可逆直流调速电路中，可以用来代替两个反向并联的普通晶闸管，因而可以大大简化电路，双向晶闸管有三个电极，即第一电极，第二电极和控制极，晶闸管有两个参数比较重要，即允许通过的最大工作电流和最高耐压。经查电子元件手册，BT136最高耐压275V,最大工作电流3A,完全满足这里的条件。整个室内风机控制电路参见总电路原理图。可以查到TMP87PH46N单片机35脚为P14端口，其功能是可编程脉冲发生器输出口。为了防止电机的误动作，因此，在单片机的输出端接上三极管Q6,它的型号选用9013H,其常用参数如表3-6。旁路电容C24和电阻R2串联后并联在旁路，主要其滤波作用。表3-6 9013H的参数型号VCBO/VVCEO/VICM/APCM/WHFE901340200.50.62564200综上，室内风机为单相异步电动机，通过控制交流电压值调节电机转速。单片机通过过零检测交流电压的过零点而精确计算控制可控硅的导通角，从而达到了控制调节输出端交流电压值的目的。检测电机反馈脉冲进而检测电机转速是否到达了设定转速，当转速低于设定转速是，加大导通角，提高输出电压；当转速高于设定转速时，减小导通角，降低输出电压，从而实现了室内风机的闭环控制。室内风机出风的方向是由导风板即风栅调节的，导风板由步进电机控制其摆动方向和角度。图3-7 单相异步电动机的控制电路3.2.4 室内风机风速设定电路为了增加芯片和程序的通用性以及方便空调制冷系统的调试；根据软件者的定义，单片机26、27和28脚为不同风速的选择端口，端口不同的电压对应于电机不同的转速。单片机26、27和28脚为其P63、P64和P65端口，这三个端口功能一样，都是8位可编程输入/输出口，每个口在软件的控制下，都可作为A/D转换模拟输入口。软件编制者定义，当输入电压为2.5V时为一档风速(N)，当输入电压为3V时，为2档风速（M），当输入电压为3.5V时，为三档风速（H）,这三档风速分别对应着单片机的28、27和26管脚，这三个电压值输入到单片机后，经模数转换，变为数字信号，经软件编程，也就对应着室内风机不同的转速。通过电源和电阻的并联很容易就能得到2.5V、3V和3.5V的电压。如总电路原理图及后面的图3-8，R29、R30作为一组串联，R31、R32作为一组串联，R33、R34作为一组串联，可以先确定R29、R32、R33三个阻值为标称电阻值5.1K,则很容易就可以算出另外的阻值。取电阻标称值，分别为5K，7.85K和12.9K。图3-8 风速设定电路3.3 温度检测电路要将温度输入到单片机中去，必须先把温度变化为相应的电压，即要经过温度传感器来变换。常用的温度传感器如表3-7。表3-7 常用温度传感器比较类别范围（单位：）优点缺点热敏50300精度高，便于远距离多点集中测量和自动控制不能测高温，须注意环境温度影响热电偶式0600范围广、精度高，便于远距离多点集中测量和自动控制须冷端温度补偿红外线503200不破坏被测温度场，响应快，范围广，适于测温度分布易受外界干扰，温度标定困难由上表比较而言，热敏电阻本身阻值较大，灵敏度较高，热响应时间短（小于1秒），结构简单，可加保护管，且所需的环境温度不高（基本均小于100）因此，在此选取热敏温度传感器。热敏电阻元件，是一种半导体温度传感器，在空调自控中使用相当广泛。热敏电阻常由铁、镍、钛、镁、铜等金属氧化物按一定比例混合经高温烧结而成。电阻值与温度关系：RT=RT0eB(1/TI/T0)，式中，RT、RT0指温度为T、T0时的电阻值；B为温度系数，与材料有关。对温度变化异常敏感，其阻值能随温度变化而变化，电子式温度器就是利用热敏电阻元件的温度和电阻值之间的变化关系实现温度取样的。具体在应用中是将电路中的惠斯顿电桥的一个桥臂更换为热敏电阻，而另一桥为一电阻器，热敏电阻将温度变化转变为电参数（阻值）的变化，当两个桥臂的参数相同时，电桥无输出，当参数不同时，电桥有输出，该输出信号进而输入单片机，从而再控制调节温度。在电子式温控器中，一般采用负温度系数的热敏电阻，即温度升高，阻值变小，温度降低，阻值变大。具体电路图参照图3-9。这里选用美国白鹭公司的MF11型负温度系数的热敏电阻传感器，它的标称阻值（是指环境温度为25时的实际阻值）为5K,热灵敏度指标B值为3470，最高工作温度为85。根据软件着定义的基准，在25时输入单片机的电压应为2.5V,根据电阻串联分压的原理，把温度传感器与一分压电阻串联后接上+5V电源，取分压电阻阻值为5K,就可满足25时输入电压为2.5V的要求，但根据标称阻值系列，没有5K的电阻，那么可以近似选取5.1K标称阻值。在电路图中为了直观，不妨把三个温度传感器分别记为ROOM、PIP、EXIT，分压电阻R35、R36和R37及滤波电容C17、C19和C18组成。这样，温度变化时，热敏电阻传感器的阻值将会相应变化，分压电压值随之变化，单片机通过A/D变换查表，即可监测相应的温度值。CPU再根据设定温度和室温进行比较来作出反应，进一步控制压缩机的工作。图3-9 温度检测电路3.4 压缩机控制电路3.4.1 压缩机工作原理压缩机是空调器的重要部件，其作用是：将蒸发器中吸收热量而汽化的制冷剂吸入，压缩成高温高压气体松枝冷凝器中。目前压缩机式全封闭式的，电动机和压缩机装在同一个外壳内，且封闭起来，使压缩机实现了小型化高速化和轻量化。压缩机对每次吸入气体的压缩由四个过程完成：1.压缩过程：当汽缸内吸入低压蒸气后，活塞由下向上压缩，此时，汽缸的容量在逐渐减小，气体的压力和温度也在上升，对吸气阀而言，由于受到气体压力的作用而关闭，而非排气阀也因气体压力未达到排气腔压力而关闭，压缩过程一直持续到汽缸内气体压力等于排气腔内压力为止。2.排气过程：当活塞继续向上时，汽缸内气体压力大余当活塞继续向上时，汽缸内气体压力大于排气阀控制的压力时，排气阀打开，活塞继续向上运动，从排气阀中排出高温高压气体，活塞一直向上运动到上止点时，活塞与排气阀之间还留有间隙，此间隙中存有残余蒸气，这些蒸气的压力因小于排气阀的控制压力而无法排除，此时，排气阀自动关闭。3.膨胀过程：活塞运动到上止点后，开始向下运动，向下运动时，汽缸容积增大，残余的蒸气膨胀，其温度和压力均减小，直到蒸气压力与吸气腔压力相等时，膨胀过程便结束。4.吸气过程：在活塞向下运动过程中，缸内残余蒸气压力低于吸气阀控制压力时，吸气阀打开，活塞继续向下运动，蒸汽进入汽缸内，吸气过程直到活塞运行到下止点为止。3.4.2 继电器在自动装置里，继电器起到控制和转换电路的作用，它可以用小电流去控制大电流或高电压的转换变换，能实现自动接通和断开电路的功能。固态继电器（SSR）是采用固体电子元件组成的无触点电子开关，采用光电耦合器实现控制回路与负载回路的电气隔离和信号耦合传输作用，具有工作可靠，驱动功率小，无触点，无噪声，无火花，开关速度快等优点，因此应用极为广泛。固态继电器按负载可以分为交流固态继电器（ACSSR）和直流固态继电器（DCSSR）两类；按控制器触发形式可以分为过零触发固态继电器和非过零（随机）触发固态继电器。前者是当有控制信号输入是，只有在交流电源过零瞬间才能开始导通，导通后干扰很小。3.4.3 压缩机控制电路由于继电器由上述优点，所以，选取继电器作为压缩机的控制器件，来控制压缩机的开关。由题目要求知：压缩机工作电压是220V，而工作可以达15A，因此，这里选取继电器控制压缩机时应该选取功率大一点的继电器，又考虑压缩机为感性负载，存在功率因数，所以应考虑2倍的余量，其控制电流要大于30A，从手册可以查到HF2160继电器可以满足此条件。由于此继电器动作电流较大，控制信号相应也应该大一些,以达到可靠吸合的目的，所以，选取晶体三极管9013H来驱动。9013H常用参数见表3-6。具体电路图参见图3-10，由继电器J1，晶体三极管9013H，限流电阻R8,和二极管D8组成。单片机10管脚是I/O输出口，当他输出一个脉冲时，三极管导通，集电极向继电器送出控制