變頻空調控制系統(tǒng)設計機電一體化課程設計論文

1、. . . . 目錄1 空調器的發(fā)展和基本分類12 變頻空調器的結構框圖13變頻空調器制冷制熱的工作原理24 變頻空調器的總體結構設計34.1硬件單元電路的設計34.2電源電路的設計34.3步進電機的控制電路的設計34.4各部分硬件的設計35 變頻空調器的控制系統(tǒng)設計35.1 風機的控制電路35.2 變頻空調模型分析35.2.1模型分析35.2.2 MATLAB仿真35.2.3仿真結果36 軟件流程圖和主程序36.1系統(tǒng)程序流程圖36.1.1主程序設計36.1.2 路溫度采集程序設計36.1.3 顯示部分程序設計36.1.4 風擺電機控制程序320 / 201 空調器的發(fā)展和基本分類隨著近年來

2、我國人民生活水平的提高，空調越來越多的進入到普通家庭。而定速空調與變頻空調相比，存在高能耗，低效，溫度波動大，舒適感較差等缺點。本次變頻空調的設計可以減小房間溫度的波動，使人感覺到舒適，同時又能省電節(jié)能，而且使空調的控制功能增強，控制設計人性化，這就為空調控制器的設計提出了更高的要求。設計提出以后就有了對變頻空調的控制要求。按季節(jié)來分：夏季溫度較高，濕度較大，空調器可以降溫和減濕。冬季氣溫較低而且干燥，空調器可以升溫和加濕。本次設計是結合普通實物空調，在分析了其電氣控制系統(tǒng)的基礎上，針對普通空調的缺點，在充分考慮系統(tǒng)安全性與可靠性的基礎上，對變頻空調進行設計開發(fā)2 變頻空調器的結構框圖根據(jù)任務

3、書可知，該系統(tǒng)需要人機界面（按鍵輸入LCD1602顯示），AD采樣，以與單片機控制部分等模塊，并且可以得到以下硬件系統(tǒng)框圖圖 3硬件系統(tǒng)框圖3變頻空調器制冷制熱的工作原理變頻空調與普通空調或稱定轉速空調的主要區(qū)別是前者增加了變頻器。變頻空調的微電腦隨時收集室環(huán)境的有關信息與部的設定值比較，經運算處理輸出控制信號。交流變頻空調的工作原理是把工頻交流電轉換為直流電源，并把它送到功率模塊(大功率晶體管開關組合)；同時模塊受微電腦送來的控制信號控制，輸出頻率可調的交變電源(合成波形近似正弦波)，使壓縮機電機的轉速隨電源頻率的變化作相應的變化，從而控制壓縮機的排量，調節(jié)制冷量或制熱量。直流變頻空調同樣把

4、工頻交流電轉換為直流電源，并送至功率模塊，模塊同樣受微電腦送來的控制信號控制，所不同的是模塊輸出受控的直流電源(無逆變環(huán)節(jié))送至壓縮機的直流電機，控制壓縮機的排量，因此直流變頻空調更省電，噪聲更小。其運行經濟性、舒適性以與其特點如下：1、變頻器能使壓縮機電動機的轉速無級連續(xù)可調，其轉速是根據(jù)室空調負荷而成比例變化的，當室需要急速降溫(或急速升溫)，空調負荷加大時，壓縮機轉速就加快，制冷量(或制熱量)就按比例增加，當達到設定溫度時，隨即處于低速運轉維持室溫基本不變。 2、變頻空調的節(jié)流是運用電子膨脹閥控制流量，它的室外微處理器可以根據(jù)設在膨脹閥進出口、壓縮機中氣管處的溫度傳感器收集的信息來控制閥

5、門的開啟度，隨時改變制冷劑的流量。壓縮機的轉速與膨脹閥的開啟度相對應，使蒸發(fā)器的能力得到最大限度的發(fā)揮。同時，由于采用了電子膨脹閥作為節(jié)流元件，化霜時不停機，利用壓縮機排氣的熱量先向室供熱，余下熱量送到室外，將換熱器翅片上的霜融化。 3、常規(guī)定速熱泵型空調的制熱量、制熱系數(shù)受室外環(huán)境的影響較大。天氣越冷，房間需要的供熱量就越大，然而此時由于室外溫度低，蒸發(fā)溫度也就越低，室外機從環(huán)境中所能提取的熱量就少，因此往往不能達到供熱需求，也就是說常規(guī)定速熱泵運行的熱舒適性較差。而變頻熱泵空調就能克服這一缺陷。在室外溫度較低時，它能以較高的頻率運行，因此變頻熱泵在供熱需求量高的寒冷天氣里依舊能提供足夠的供

6、熱量，運行的熱舒適性較好，制冷亦然;4 變頻空調器的總體結構設計4.1硬件單元電路的設計根據(jù)前一章的理論分析，和在理論分析基礎上提出的方案論證，最后得到設計的最終方案，我們就根據(jù)上面提出的方案來進行單元電路的設計。這部分的設計是具體的硬件電路的搭接，就是運用最基本的電器元件或集成元件進行硬件電路的設計。根據(jù)前面提到的，我們本部分將設計以下幾個電路：電源電路、溫度采集電路、步進電機的控制電路、風扇電機的控制電路、顯示電路、紅外接收電路、通信電路以與過流、過壓、過零電路的設計。在這些電路的設計搭接過程中，我們還將對一些用到的元氣件進行參數(shù)的計算、校驗和元氣件的選型。對具體的元氣件我將列出詳細的元氣

7、件清單和參數(shù)表做為設計的依據(jù)。4.2電源電路的設計根據(jù)方案選擇和確定中，對電源電路和設計中對電源的要求做出分析，列出電源設計方案，在此將設計電源的實際電路。下面將先畫出電源的設計電路，然后進行工作方式的分析。圖 3.4 空調電源的電路圖本電源設計中，220v的原始電源是從市電取的，即才插頭P1取的。在這個電路中FU是快速熔斷器，是為了保護該電路在短路的情況下，不損壞設備與相關的電器元件。220v的電源一路經P2送室外機用電；一路經過FU，由濾波電容C0濾波，壓敏電阻防止過壓后，經三繞組變壓器T0后，變成13.5v和6.5v兩個電壓級別的電壓，供室機的控制單元和驅動單元使用。變壓器T0的選擇：三

8、邊的電壓等級比為：220：13：6，這也是變壓器繞組數(shù)的比例。在變壓器的容量選擇上，我們選擇電壓等級220v，容量的計算：容量等于功率和電流的乘積，在這個電路中，電壓為220v。原邊的最大電流是副邊的所有電流的和。由電路可以知，微處理器控制端的電壓最大是30毫安，在驅動電路側，功率大的電機有風扇電機和步進電機，對于風扇電機，選擇的是12w，額定電壓220v的電機；步進電機選擇的是3w6w的電機，額定電壓12v。由此可以見變壓器的容量，也就是30w左右，可選的型號有：MTD30w的變壓器做為我們電源側的變壓器。變壓器的副邊的穩(wěn)壓和濾波調制單元中，13v等級的電壓經整流器進行整流，使輸出為直流，整

9、流后的電壓經帶極性電容C1和固態(tài)電容的濾波，送入穩(wěn)壓器LM7812，輸出+12的直流穩(wěn)壓電源，這部分電源主要供給步進電機的驅動和風扇電機的控制電路使用；另一路6.5v等級的電壓經整流器進行整流，再經電解電容和固態(tài)電容濾波后，送入穩(wěn)壓器LM7805，輸出+5v的直流穩(wěn)壓電源，這一路的電源可以直接供給控制電路作為控制信號的觸發(fā)或者是驅動環(huán)節(jié)的控制，+5v電源經過2個2極管后降壓成3.4v左右的直流電源，這部分就供給主控制器SPCE061A的VDD使用，這是因為SPCE061A的端口承受的最大電壓是3.3v左右，所以我們要采取這樣的做法，這樣一方面可以保護控制器的安全工作；另一方面，還可以保證控制器

10、部的程序、以與控制命令的正確運行。以上就是本次設計中電源模塊的硬件電路設計，因為穩(wěn)壓電源在實際工作中，已經很成熟而且很完善，所以本次設計中，只是利用一些實際中常用的參數(shù)作為本次電源的設計參數(shù)。這樣可以提高電壓的可靠性，使工作更加安全、流程更加完善。4.3步進電機的控制電路的設計根據(jù)設計任務書的要求，以與前面對設計方案的選擇和論證，我們可以知道，本次設計中步進電機的控制的作用，也就是對風擺電機的控制，近而控制進入室的風的風向風素，以與風的強若，以達到使室流動的風給人們最好的感覺，風山電機的控制只是根據(jù)人對風的感受，進行控制。所以說在程序和硬件接線圖上，并沒了什么特別的地方，只是四相八拍的步進電機

11、的接法值得思考和學習。下面我們先列出本次設計的步進電機的控制電路的電路圖，然后再從設計原理、參數(shù)計算等方面進行詳細的闡述。圖 2.6 四項八拍電機的電路圖從實際電路圖可以看出，主要由驅動器ULN2003，以與四相八拍的電機構成整個電路。下面就這兩塊的容進行解釋。ULN2003是具有7個達林頓電路的集成驅動芯片,此芯片集電極可以收集電流達500mA。下面我們就其原理圖進行分析：圖 2.7 ULN2003原理圖這是一組達林頓管的工作原理圖，進信號經2.7K電阻分壓，然后經達林頓管的嵌位信號，最好反向輸出，在此過程中，對進入信號進行了放大和增強，使得輸出信號具有一定功率圍的驅動能力。下面我們就步進電

12、機進行選型和參數(shù)校正：根據(jù)設計要求，要采用四相八拍的，功率在3w6w，額定工作電壓直流12v的直流步進電機，根據(jù)這些要求我們選：57BYG007型。其主要參數(shù)是：額定電壓DC+12v，相數(shù)四相，步距角0.72°，電流0.38A，電阻32歐姆，最大力矩29.3g.cm。整個的性能指標和參數(shù)要求，都符合我們設計要求，其基本電路圖為：圖 2.8 直流進步電機電路圖下面就步進電機的工作特性和選取原則進行說明：步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過

13、一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。步進電機有步距角（涉與到相數(shù)）、靜轉矩、與電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。步距角的選擇    電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。靜力矩的選擇&#

14、160;   步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍好，靜力矩一旦選定，電機的機座與長度便能確定下來（幾何尺寸）根據(jù)以上的選擇步進電機的方法，我選擇了我們現(xiàn)在使用的這個57BYG007型的步進電機，在滿足我們設計要求的前提下，在性價比、重量等其他非主要因素上也是具有很突出的特點。4.4各部分硬件的設計(

15、1).a溫度傳感器選擇根據(jù)任務要求我們選擇了AT590作為溫度傳感器，根據(jù)電阻分壓（如下圖左），實現(xiàn)由溫度到電壓值的轉換，因為AT590的溫度系數(shù)比較大，經計算當溫度變化圍是0-99度時，可以不用運放，直接送到AD采樣的輸入端進行AD采樣。b.溫度傳感器AD590基本知識 AD590產生的電流與絕對溫度成正比，它可接收的工作電壓為4V30V，檢測的溫度圍為55150，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1，其電流增加1uA，AD590溫度與電流的關系如表1所示。攝氏溫度AD590電流經10K電壓0273.2 uA2.732V10283.2 uA2.832 V20293.2 uA2.932 V3

16、0303.2 uA3.032 V40313.2 uA3.132 V50323.2 uA3.232 V60333.2 uA3.332 V100373.2 uA3.732 V表 1圖4 溫度傳感器電路(2).AD轉換器的選擇因為溫度變化圍是-50-50度，理論上AD位數(shù)只要7位（128級）就夠了，所以系統(tǒng)采用了經典的ADC0809（8位AD）作為AD采樣芯片。溫度的計算公式：V=5*Rt/(R+R1+Rt)。ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以與微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。a.ADC0809的部邏輯結構8路模擬量開關8路A

17、/D轉換器三態(tài)輸出鎖存器地址鎖存與譯碼器IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7ABCALEVREF(+)VREF(-)OEEOCD0D1D2D3D4D5D6D7CLKST圖 5 ADC0809部原理由圖5可知，ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數(shù)據(jù)。b.引腳結構(如圖6)IN0IN7：8條模擬量輸入通道圖6 ADC0809引腳圖ADC0809對輸入模

18、擬量要求：信號單極性，電壓圍是05V，若信號太小，必須進行放大；地址輸入和控制線：4條。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表2所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表 2數(shù)字量輸出與控制線：11條ST為轉換啟動信號。當ST上跳沿時，所有部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。E

19、OC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束；否則，表明正在進行A/D轉換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。c.ADC0809應用說明 ADC0809部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。初始化時，使ST和OE信號全為低電平。送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。在ST端給出一個至少有100n

20、s寬的正脈沖信號。是否轉換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。當EOC變?yōu)楦唠娖綍r，給OE為高電平，轉換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。5 變頻空調器的控制系統(tǒng)設計5.1 風機的控制電路室風扇電機的作用，根據(jù)從理解設計任務書可以得知，室風扇主要是進行盤管溫度的快速傳遞，室風扇的風速的控制也就是控制向室流動的調節(jié)后的風量的多少。從任務書可以理解到，風扇的主要工作速度不是很高，主要是在中頻段。這就要對風扇進行合理的控制使其能隨著溫度的變化進行必要的速度調節(jié)，以下將就在滿足設計要求的前提下，怎么調節(jié)風扇的速度才能使室的空氣流量最合理。下面我們就把這次設計中設計的風扇電機的驅動電路列出來，并進行詳細的原理和參數(shù)計

21、算等方面的闡述。圖 2.9 風扇電機的驅動電路圖由這個電路的設計可以看出，里面包括了告訴雙向三極閘流晶閘管，交流風扇電機這兩塊構成。以下就這兩快分別進行闡述。雙向三極閘流晶閘管，在本設計可以看出，其額定電壓是220v，通態(tài)電流要根據(jù)電機的大小來計算。在這個電路設計當中，電機的額定最大功率是30w，所以在次設計中，雙向三極閘流晶閘管的通態(tài)電流大約是0.136A。在此基礎上，我們選擇的雙向三極閘流晶閘管的型號是：3CT16S。其具體參數(shù)如下：3CT16S 是NPNPN 雙向三極閘流晶閘管封裝形式為TO-220。制造中采用的主要工藝技術有：P隔離擴散技術、臺面玻璃鈍化技術、多層金屬化技術等在Tc=2

22、5時候的額定參數(shù)是：通態(tài)方均根電流IT（RMS），15 A通態(tài)浪涌電流ITSM ，150 A斷態(tài)重復峰值電壓VDRM ，±400，±500，±600 V門極耗散峰值功率PGM ，20 W門極耗散平均功率PG（AV），0.5 W門極正向峰值電流VRGM ，5 V等效結溫Tvj ，125 存儲溫度Tstg ，-40150 按照以上的參數(shù)，我們可以看出在我們設計的這個電路中，是完全可以滿足我們設計要求的。在這里闡述雙向晶閘管控制的調壓調速依據(jù)為：異步電動機的電磁轉矩為 (2-1)上式就是異步電動機的機械特性方程式，由方程式可知，當轉速或轉差率一定時，電磁轉矩與電壓的平方

23、成正比。這樣可以調節(jié)電壓來控制電磁轉矩的大小。負載電壓有效值U和晶閘管導通角的關系為： (2-2)式中為觸發(fā)角，為導通角。晶閘管電流有效值和負載電流有效分別為 (2-3)由(2-1)式和(2-2)式可知，當改變晶閘管的導通角時，相應的就改變了電動機定子上的電壓，從而改變了電動機的電磁轉矩。下面將風扇電機的選型給以說明。在風扇電機的選擇，一，必須滿足我們設計中對風扇電機的要求；二，價格要便宜等附加因素。我們這個設計中，因為是空調的設計，所以首先電機的體積要下，功率不是很大。額定電壓是220v，電流大約在1A以。在此基礎上我們選的是：YDK30E型，是由越球電機生產的。其參數(shù)如下：額定電壓：220

24、v，頻率：50HZ，電容：3.5uf，轉速H:530，M:450，L:410，功率：30w。電機和雙向三極閘流晶閘管選擇好以后，我將其控制功能在此進行簡單的闡述。在本次設計中，我們可以充分利用控制器SPCE061A的IOB8端具有的PWM輸出口，來實現(xiàn)對風扇電機的控制。這樣設計電路中就一個很關鍵的問題，就是PWM信號的頻率與風扇電機的驅動電源之間的頻率同頻的問題。在SPCE061A中我們可以通過檢測電源同向輸入端的電壓過零信號，來觸發(fā)PWM的發(fā)出，去控制風扇電機的控制電路。在程序中，我們可以將過零信號接到INTEXT1上，用每次的中斷來控制PWM的輸出，達到最終對風扇電機的控制。5.2 變頻空

25、調模型分析5.2.1模型分析（1）空調模型相當于一個積分環(huán)節(jié)與一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)。房間模型主要考慮室外溫度干擾與散熱片熱量共同作用于具有初始溫度房間，經空氣導熱延遲，簡化為具有一階慣性環(huán)節(jié)。（2）由任務書給定條件：房間熱慣性時間常數(shù) =450，空氣導熱延遲=35，通過分析,我們選擇PID控制算法進行控制。5.2.2 MATLAB仿真圖 1 MATLAB仿真5.2.3仿真結果圖 2 MATLAB仿真結果6 軟件流程圖和主程序6.1系統(tǒng)程序流程圖6.1.1主程序設計先列出其流程圖：如圖3.1，主程序是本次設計中，一切控制的開始，是整個系統(tǒng)中個單元模塊集合的地方，是集成度最高的地方。程序一開始，先對

26、在本次設計中用到的I/O端口進行設置，這里面包括，設置輸入、輸出口以與一些特殊功能口，為整個程序打下基礎。先進行室溫度的采集并送顯示，這主要是為用戶進行設定溫度提供參考點。然后檢測遙控器的控制命令的信號，要是有遙控器的控制命令，就根據(jù)命令的要求，進入遙控器控制子程序，進行處理。然后根據(jù)設定溫度和實際室的溫度進行比較做出，空調工作方式的選擇，即制冷或制熱。根據(jù)差值計算出壓縮機要運行的頻率，送下位機壓縮機運行。同時啟動故障檢測，檢測是否有過流、過壓，要是有就進行故障處理，要是沒就繼續(xù)等待遙控器的控制命令和整個系統(tǒng)的調節(jié)。圖 10 系統(tǒng)流程圖6.1.2 路溫度采集程序設計先列出其流程圖：如圖3.2、圖3.3溫度采集電路的作用，有兩部分，一是完成室環(huán)境溫度的采集，供控制器與設置溫度進行比較，然后作出運行方式的判斷處理；二是完成盤管溫度的采集的工作，然后根據(jù)盤管的溫度對風扇電機、壓縮機、電子膨脹閥進行控制。在本次溫度采集程序設計中。在溫度采集主程序中如圖1，一開始對要使用的IOA0和IOA1口進行端口設置，即進行輸入設置。然后開A口允許AD轉換，進行轉