光伏变频空调控制系统设计

1、光伏变频空调控制系统设计摘要2013年初，气象台多次发布北京大雾黄色预警。随着资源能源的严重短缺和全球范围环境的日益恶化，环境保护和资源节约成为人们普遍关注的两大社会热点问题。然而，节能减排在缓解资源短缺固然起着重要作用，但是如果不及时调整源结构，传统的节约能源对解决全球的能源只是杯水车薪。我国家用电器的用电量占整个发电量的20.70%，而空调用电量又在家用电器中独占鳌头，因此光伏系统在日常电器，尤其是空调上的应用有着非同寻常的意义。本次设计研究的是光伏变频空调控制系统的设计，旨在小范围内应用太阳能空调。鉴于条件限制，采取不并网，且9V太阳能6V蓄电池组合，对变频空调压缩机进行供电。电机变频采

2、用89C51单片机根据DS18B20温度传感器采集到的温度对三极管的通断进行控制，改变电机电压脉冲宽度，继而达到改变电机转速的目的。关键词：能源，光伏，太阳能，变频空调，DS18B20 The design of control system on solar inverter air conditioning AbstractAt the beginning of 2013, Beijing Meteorological Observatory has issued several yellow fog warnings. With the serious shortage of resou

3、rces and energy and the global environmental degradation, the protection of environmental and the conservation of resource have become two social issues of common concern. Energy-saving and emission reduction is playing an important role to alleviate the shortage of resources, however, if we not adj

4、ust the source structure in time, the traditional energy conservation to solve the shortage of the global energy is just as a drop in the bucket. China household electrical appliances consumption accounted for 20.70% of the entire generating capacity. In particularly, the electricity consumption of

5、air conditioning stands out in household appliances, so the application of the photovoltaic system on daily electrics, especially on the air conditioning, have a great significance.This study is on the design of the air conditioning control system of photovoltaic inverter, within a application of so

6、lar energy air conditioner in a small range .In view of conditions, take a combination 9V solar cell with 6V battery, with no grid, to supply power to the inverter air conditioner compressor. The motor adopts 89C51 MCU to control, according to the temperature from DS18B20 temperature sensor, to chan

7、ge the transistor on or off, then change the pulse width of motor voltage, and result to the change of motor speed.Keywords: energy, photovoltaic, solar energy, frequency conversion air conditioning, DS18B201 绪论1.1 课题研究背景和意义调查显示，近一半家庭都有5件以上大功率家用电器。相比电视机，电脑，冰箱前三种电器，家庭空调拥有率只有2809。国际制冷学会最新调查报告显示，目前全球所有

8、空调的耗电量占全球发电总量的15，占所有住宅和商用建筑能耗的451。由此可见，空调的耗电量十分惊人。尽管现在不同品牌空调采取变频（即智能调速节电技术，SVE）节能方式，可以有效控制空调频繁启动，使其处于“工作”“待机”两种状态，但是空调耗电量大仍然困扰着生产厂家和消费者。特别是在当前能源紧缺，资源匮乏的时代，只有改变能源结构，才能从根本上解决这个问题。发达国家诸如世界上能源消费大国美国， 就采取许多办法节约能源，如国会立法推动资源和能源的节约，制造商大力支持能源节约技术，能源结构调整等等2。作为世界上最强大的发展中国家，由于资源能源分布的不平衡以及我国能源技术发展相对滞后，我国煤炭的使用比例（

9、70.0%）高于世界平均水平（29.4%）40多个百分点,而石油使用比例（17.8%）低于世界平均水平（34.8%）17个百分点，天然气使用比例（3.9%）比世界平均水平低将近20个百分点；尽管如此一直以来我国我国在能源节约和能源结构调整做着不懈努力，如2004年建成投产的西气东送工程，2006年黑龙江启动的北电南送有效缓解了我国能源供需不平衡的状况。十二五”中国能源结构调整的目标是:到2015年,煤炭在一次能源消费中的比重将从2009年的70%从上下降到63%左右,天然气、水电与核能以及其他非化石能源(主要是风能、太阳能和生物质能)的电力消费比重将从目前的3.9%、7.5%和0.8%上升到8

10、.3%、9%和2.6%3。当前世界各国都在改变能源消费结构，逐步摆脱对石油和煤炭等常规能源的依赖，大力发展清洁绿色能源，走可持续发展道路。空调行业面临着严峻的挑战，也迎来了新的发展机遇。作为清洁、绿色、可再生能源的代表，太阳能无疑是当今世界新能源发展的宠儿4。在当前全球能源资源匮乏的时代背景下，光伏变频空调，能够利用太阳能这种清洁，绿色和可再生的新能源，有着非凡的意义。第一，它能利用这种源源不断，取之不尽用之不竭的一次能源，减少煤炭的消耗，缓解能源危机给人类带来的能源危机5。第二，不并网的光伏变频空调大规模的使用，在用电高峰时段和用电高峰季节很大程度上减小对电网的频率和电压的冲击，并对节能减排

11、有重要意义61.2 课题研究现状和发展趋势HYPERLINK /view/875579.htm t _blank太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“HYPERLINK /view/4748.htm t _blank硅”。目前太阳能发电主要有两种形式：光-电和光-热-电。光电效应（Photoelectric effect）指光照射到某些HYPERLINK /view/35675.htm t _blank物质上，引起物质的电性质发生变化，是将光直接转化为热的方式。另一种太阳能发电方式是光-热-电，通过利用太

12、阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。当前太阳能电池主要采用的是光伏发电，其原理与光电效应类似，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。为缓解全球范围内的能源危机，各国政府都在积极地推广节能降耗技术，定频空调器由于其运行效率低下正在逐渐退出市场，变频空调以其高效、节能和舒适性好等优点成为今后的发展趋势。变频空调器是通过内置的变频器改变频率，从而控制空调器压缩机的转速，使压缩机转速连续变化，实现压缩机能量的无级调

13、节7。变频空调较定频空调有以下优点：（1）压缩机能够实现无级调速，调速范围大，工作效率高，节能省电；（2）起动平滑，降低了电机起动时的大电流冲击，延长了压缩机的寿命；（3）采用数字控制技术，能够实现较为齐全的系统保护功能；（4）起动迅速，能够在较短的时间内达到最佳工作状态；（5）具有多种工作方式如制冷、制热、除湿等8。变频空调又分为直流和交流变频空调。直流变频空调采用无刷直流电机的压缩机，较交流变频空调具有以下优点：（1）高效节能。采用数字直流涡旋压缩机，运转平稳，大大提高整机效率，比交流变频更高效、省电、节能。（2）噪音低。（3）整机系统安全可靠9。太阳能光伏空调分为独立光伏空调和并网光伏空

14、调，其模式有太阳能家用交流电混合供电模式，太阳能蓄电池家用交流电耦合供电模式，太阳能蓄电池耦合供电模式，太阳能蓄电池并网发电式模式10。为了充分利用储量巨大、不受地域限制、清洁的太阳能，各国都进行了相应的规划，如日本的“阳光计划”，美国的“百万屋顶计划”，德国的“10万屋顶发电计划”以及我国的“光明工程”计划等。目前，太阳能光伏的利用主要集中在LED灯上，在家电上的应用还处在实验室研究阶段，相应的批量化生产的产品比较匮乏。因此，随着太阳能光伏技术的成熟11，在空调器、电视机、电话、冰箱、换气扇等家电上的应用前景非常广阔。70年代后期，世界各国对太阳能利用的研究蓬勃发展，太阳能空调技术也随之出现

15、。随着太阳能制冷空调关键技术的成熟，特别在太阳能集热器和制冷机方面取得了迅猛发展12，太阳能空调也得到了快速发展。九十年代真空管集热器和嗅化铿吸收式制冷机大量进入了市场。目前也有将光伏空调应用于汽车。日本三菱化学公司，ICL 股份有限公司，弗吕霍夫有限公司合作开发了名为 i-Cool Solar 的卡车用光伏空调，使用三菱化学公司生产的薄膜光伏电池，在汽车运行时为蓄电池充电，汽车停止时仍可以驱动空调13。综上所述，光伏太阳能直流变频空调既节约了能源，还不使用破坏大气层的氟里昂等有害物质，是名副其实的绿色空调，在节能和环保方面有很大的发展潜力。从太阳能空调的特性和技术特点看，加之2013年全国两

16、会对“太阳能光伏提案看点”14,尚未在我国成熟的太阳能直流变频空调技术有更加广阔的应用前景。2 光伏变频空调控制系统的总体设计本次设计目的是将太阳能电池板提供的有限且时变的受限功率，通过电能变换技术，不并网，直接应用于驱动恒转矩负载特性的空调压缩机，达到空调制冷。因此设计包括电源模块，温度显示模块，PWM控制电机转动模块15，过流保护模块。2.1 设计方案选定2.1.1 电源模块太阳能电池的主要参数有空载电压，短路电流，转换效率，工作电压，工作电流。太阳能电池的功率是空载电压与短路电流的乘积，即P=UI，P的单位是瓦（W）,U的单位是伏特（V）,电流的单位是安培（A）。工作电流一般为短路电流的

17、80%-90%，工作电压一般为空载电压的80%-90%。转换效率指在外部回路上连接上最佳负载电阻时的最大能量转换，等于太阳能电池的输出功率与照射到太阳能电池板上表面的能量比值。蓄电池也称电瓶，主要参数有电压，电池容量，充电、放电电流。常见电压有3V,6V，12V,36V等。一般电源设备的容量用KVA或者KW来表示，密封的铅蓄电池选用AH表示其容量更准确，小电池则采用mAH表示，常见的容量有4AH,6AH,12AH，20AH,40AH等。最佳充放电电流一般按照10小时充放电时间计算。比如，10AH的蓄电池，其充放电的最佳电流都为1A；7AH的蓄电池，其充放电的最佳电流都为700mA。充放电电流过

18、大都会影响蓄电池的使用寿命16。设计题目要求使用太阳能电池板作为空调的电源，且不并网，直接向空调供电。若向传统变频空调那样采用交-直-交或交-直电压变换方式，则首先要将太阳能电池的直流电转化为交流电，能耗又将增加。其次，逆变，整流又会使电路复杂，成本增加。按照太阳能电池板与蓄电池的匹配原则，6V蓄电池需要8-9V太阳能电池板为其充电。考虑以上因素，本次设计使用9V太阳能电池板6V蓄电池组合方式。2.1.2 温度显示模块温度采集使用温度传感器DS18B20，温度显示有数码管显示LED和液晶LCD显示两种。由于LED具有亮度高，低功耗，可视角度大，刷新速度快等优势，设计采取2个7段共阴极数码管显示

19、。2.1.3 PWM控制电机模块蓄电池的电压为6V，采取电阻分压法来得到5V的电压，一部分给所有VCC供电，一部分通过三极管给电机供电。电路中采用控制一个MOS管和二极管组合开断的方式给电机提供方波电压，从而控制电机的转速。2.1.4 电机保护模块对于小型电机，装设过电流保护，防止电机短路瞬时大电流造成电机的损坏。对于直流电机，峰值电压等于其高电平电压值，因此可以采用峰值保护电路对电机进行过电流保护。本设计采用5V电压，电压较低，而且过电压时必然过电流，考虑到过电压保护又将增加成本，因此设计省去不必要的过电压保护。2.2 总体设计在本次设计中，利用温度传感器DS18B20采集室内空气温度，将所

20、采集到的温度通过数码管显示（精确到度），同时用温度控制脉冲电压的宽度，从而改变电机两端的平均电压，达到通过温度改变脉冲电压宽度继而控制电机转速的目地，即变频。9V太阳能电池板收集太阳能，并通过6V蓄电池向系统供电。白天阳光相对充足，将多余的电能储存，在夜间或者光线不足时向系统供电，在不并网的条件下尽量保证电机的工作电压。整体设计框架见图2.1。图2.1 整体设计框图3 硬件设计说明3.1 部分元器件简介3.1.1 AT89C51芯片89C51单片机由CPU，存储器和I/O接口组成，包括2个16位定时器/计数器，5个中断源、2个中断优先级的中断系统，一个全双工串行口UART，4个8位并行I/O口

21、。CPU是计算机的核心，是单片机的控制和指挥中心，包括运算器和控制器。单在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用两个8位暂存器TMP1和TMP2、8位累加器、寄存器B和程序状态寄存器PSW。存储器包括程序存储器Flash ROM和数据存储器RAM。程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲。89C51有2个串行通讯口和4个并行口。4个8位并行口（即P0-P3）与外部交换信息，是准双向口，每个各有8条I/O线，均可输入/输出。2个可编程的串行口（RXD、TXD）可与外界实现串行通信17。89C51的结构框图和DIP封装引脚图分别

22、见图3.1和图3.2。 图3.1 89C51的结构框图 图3.2 89C51引脚图3.1.2 1位七段数码显示管LED是发光二极管Light Emiting Diode的缩写。LED数码管里面有8只发光二极管，分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp,其中dp为小数点。每只二极管有一根电极连到外部引脚上，而另一只也连到一起也连接到引脚外部COM端。不同型号的数码管引脚会有所不同。图3.3为数码管的引脚图和共阴极、共阳极的显示原理。市面上常见的LED数码管有两种，共阴极与共阳极。共阳极COM端接VCC数码管点亮，共阴极COM端接GND数码管点亮，下面举例说明数码管的工作原理。比如显示数字1，只需

23、将共阴极数码管b、c置1，或将共阳极数码管b、c置0。数码管显示工作方式包括静态显示和动态显示。静态驱动的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。动态驱动是将所有数码管的段选线并连在一起，有位选线决定哪一位数码管有效。静态显示占用CPU时间短，但占用较多端口。动态显示占用端口少，功耗低。图3.3 数码管的引脚图和共阴极、共阳极的显示原理3.1.3 DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器是美国Dallas半导体公司生产的总线式智能数字温度传感器。DS18B20可根据实际需要通过简单编程实现912位分辨率数字值读数方式，其工作电源既可采用远端引入方式，也可采用寄生电

24、源方式产生。多个DS18B20可以并联到3根或者2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，比如多点温度的测量就可将数个DQ端并联接到一个CPU端口。DS18B20引脚排列及定义如图3.4。图3.4 DS18B20的TQ-92封装3.1.4 74LS16474LS164是8位移位寄存器，串行输入，并行输出，可用来驱动数码管。如图3.5(a)为74LS164的引脚图，（b）为74LS164的封装图。其中，A、B是串行输入口，Q0-Q7是并行输出口。CLK和CP对应，是时钟输入端。和对应，是同步清除输入端，低电平有效。 （a）引脚图 （b）封装图图3.5 74LS164的引脚与封装

25、3.2 功能电路介绍3.2.1 89C51复位电路复位是指是程序的指针指向地址0，每个程序都从地址0开始执行，即复位是让程序从头执行。常见复位电路（图3.6）有两种：上电自动复位和手动复位。自动复位是加电瞬间电容通过充电来实现。手动复位是指接通一按钮开关，使单片机处于复位状态。设计采用上电自动复位电路。 a晶振频率=6MHz b晶振频率=12MHz图3.6 上电自动复位电路复位电路非常重要，通常，一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能够复位成功。3.2.2 时钟电路图3.7 89C51的时钟电路3.2.3 温度采集（显示）电路本次设计中采用2片74LS164驱动两个数码管，用温度传感器D

26、S18B20收集室内温度18。DS18B20可提供9位温度读数寄存器，有三个引脚，电路连接简单，只需将VCC接电路板VCC端，接地端接地,DQ端与单片机芯片89C51连接，实现通讯19。单片机驱动LED数码管的方法很多，按显示方式可以分为动态显示和静态显示；按译码方式可以分为硬件译码和软件译码。由于74LS164没有数据锁存端，因此在数据传送过程中，数码管有闪动现象，且驱动位数越多，数码管闪电越明显。为消除这种闪动现象，可以在电路中增加一个PNP三极管通过控制其接地端在数据传输过程中关断三极管使数码管断电而不显示；而在数据传输完毕后开通三极管使数码管得电后立即导通。这样驱动数码管的方法有效消除

27、了数据传输过程中的抖动现象20。图3.8 温度采集电路3.2.4 PWM电机控制电路PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。本设计中通过程序，根据采集到的温度对P1.0输入信号的控制，当室内温度在1626，室内温度较为适宜，空调压缩机以一个较低的转速转动，减少频繁启动对压缩机的电流冲击；当室内温度在26以上时，室内温度较高，电机压缩机随温度升高转速加快，以达到一个较好的

28、制冷效果。二极管与MOS管反接并联用来防止MOS管烧坏21。图3.9 PWM控制 图3.10 电机控制电路 图3.11 分压法得到VCC3.2.5 过电流保护设计过电流保护旨在保护在外电压过大或者电机短路时大电流对电机的冲击和烧坏22。电机正极接Q2的栅极（门极），当电机短路时，电机正极电压几乎为0，Q2的UBE 0.7V，且几乎为0，因而源极与栅极PN结不导通，同样的，UB二极管导通电压，因而二极管发光。当电机正常工作时，电机正极电压0.7V，因而源极与栅极PN结导通，而源极电压漏极电压，栅极与漏极PN结导通，Q2与R3连接点电压几乎为0，R2,R3与C5组成的回路电压也较低，按串联电路分压

29、计算，UD20，因而D2不能发光。过电流保护电路见图3.12。简而言之，当电机短路时D2亮；当电机正常工作时，D2灭。图3.12 过电流保护电路4 软件设计说明4.1 软件设计说明设计中过电流保护采用硬件保护，温度采集，温度显示以及电机控制信号均采用软件设计23。4.2 软件设计流程图 图4.1 主程序流程图 图4.2 温度采集显示流程图5 设计与仿真5.1 PROTEUS使用简介图5.1 元件搜索图5.2 电源接地放置图5.3 线或地线放置5.2 仿真过程和结果5.2.1 KEIL程序烧入点击菜单栏File|New新建文件，点击Project|New Project新建工程，保存文件（C语言

30、编写保存为.c，汇编语言保存为.asm）。点击Source Group添加工程，将保存的.c或者.asm添加进来，点击编译文件，查找并改正错误24。点击Project|Options for GroupSource Group 1打开对话框，点击第三个Output,在Creat HEX File前面打勾，点击确定，下载文件，生成HEX文件。在PROTEUS双击89C51，打开元件编辑对话框，Program File点击将HEX文件添加进去25。程序见附录A。5.2.2 仿真结果设计中所编程序在1626（不包括26），电机低速转动，故采集了20，26两组数据；在2638（不包括38），电机随温度

31、升高转速加快，且故采集30，37两组数据；在38及其以上保持最大转速，采集数据4026。图5.4 20仿真结果图5.4 26仿真结果图5.4 30仿真结果图5.4 37仿真结果图5.4 40仿真结果图5.5 32仿真结果图5.6 32短路仿真结果6 PCB版图与控制系统实物制作6.1 PROTEL结构图绘制6.1.1 设计图纸大小在菜单栏设计|选项或者单击右键文档选项中进行图纸大小，系统默认为B图纸，可根据实际原理图大小选择，本次设计中选择A4图纸27。图6.1 图纸选择6.1.2 添加、创建元件库图6.2 添加元件库图6.3 新建原理图元件库此外，在protel SCH的绘制过程中，往往有些

32、元件不再元件库中，可以下载一个比较完善的元件库，也可以自己创建一个新的元件库，将设计中没有的元件加入到自己创建的库中，使用起来会比较方便。6.1.3 元件的创建在自建的元件库中可以画设计中没有的元件，具体见图6.428。（a）打开元件编辑界面（b）编辑元件图6.4 创建新元件6.1.4 整体电路整体电路见附录B。6.2 PROTEL PCB版生成（绘制）6.2.1 元件的封装Protel由结构图生成PCB版图，所有元件必须进行封装。元件的封装可以点击右键进行设置，如图6.5。另外，对封装库里没有的元件，我们可以自己画封装，或者修改元件库里的封装，见图6.6。常见的封装见表6.129。图6.5

33、元件添加封装图6.6 修改的DIP12四位数码管的封装表6.1 设计中使用的封装6.2.2 SCH图生成PCB图由原理图SCH生成PCB版图有两种方法，一是生成网络表，即设计|生成网络表（图6.7），然后在PCB版图界面中在KeepOutLayer层画出禁止布线区域，选择设计|装入网络将已经生成的网络表装入PCB图中，见图6.8。 图6.7 生成网络表 图6.8 装入网络表6.2.3 PCB图的布局在protel中，往往先排好元件，然后自动布线即自动布线|全部|ROUTE ALL，最后手动调整。自动布线规则设置见6.930。图6.9 自动布线线宽设置6.2.4 PCB版图PCB版图见附录C。6

34、.3 实物制作6.3.1 电路板的打样图6.1 打样好的板子6.3.2 元件的焊接图6.2 焊接元件后板子7 总结本次设计完成了温度采集与收集，LED数码管显示和电机的PWM控制电机转速。74LS164移位寄存器有鬼影现象，加入消隐电路效果会更佳。鉴于条件限制，设计中电源采用5V,而在汽车、列车等使用的空调，电源电压一般为24V。而一般空调有温度设置按键，可以根据需要设定工作温度。另外，实际应用的保护电路较为齐全，如过压，延时启动等，由于设计中电压较低，因此没有涉及。在当前时代背景下，光伏太阳能空调的设计的研究，特别在汽车等光线充足的环境下，是未来空调发展的必然趋势。我们即将毕业走向社会，会对光伏太阳能空调有更多认识和了解，日后也会将设计更加贴近生活，贴近实际，贴近应用。附录A 控制程序#include#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit load =P34;sbit load