空调工作原理及电路控制详解

空调工作原理及电路控制详解近年来，我国空调器产业的发展十分迅猛，2000年我国空调行业的生产规模便已经发展到1800万台左右，2003年度我国家用空调器行业的总生产能力已超过4000万台，2004年度这一数据已经扩大到了5500万台。目前，中国的空调器产量已占世界总产量的3/5左右，中国已成为名副其实的空调器制造大国，也正在逐渐成为全球空调器生产基地。在过去的五年中，中国空调器行业的工业总产值和销售收入都经历了持续的增长，其中2001年度、2003年度和2004年度的增长尤为显著。此外，近年来，百户城市居民家庭的空调器拥有量每年都有显著提高。空调拥有量在各地区差异较大。随着国内市场的扩大,中国的空调器出口也在连年迅速增长，空调器出口额占家电产品出口总额的份额也在不断提高。2002年度、2003年度和2004年度我国空调产品的出口保持了十分强劲的增长势头，其中2003年度国内空调企业的出口额首次突破千万台大关，超过了1400台。2004年度国内空调器企业的出口量更是超过了2300万台，与国内销量形成了齐头并进的格局。这篇文章的主要目的是希望能够大力推动SPMC65系列芯片的应用，并根据国家标准验证其性能，走进国内各家电生产厂家。1空调工作原理（1）制冷原理图1-1空调制冷原理空调制冷原理如图1?1所示，空调工作时，制冷系统内的低压、低温制冷剂蒸汽被压缩机吸入，经压缩为高压、高温的过热蒸汽后排至冷凝器；同时室外侧风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压、高温的制冷剂蒸汽凝结为高压液体。高压液体经过节流毛细管降压降温流入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围热量；同时室内侧风扇使室内空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后的变冷的气体送向室内。如此，室内外空气不断循环流动，达到降低温度的目的。（2）制热原理图1-2空调制热原理空调热泵制热是利用制冷系统的压缩冷凝热来加热室内空气的，如图1?2所示。低压、低温制冷剂液体在蒸发器内蒸发吸热，而高温高压制冷剂气体在冷凝器内放热冷凝。热泵制热时通过四通阀来改变制冷剂的循环方向，使原来制冷工作时做为蒸发器的室内盘管变成制热时的蒸发器，这样制冷系统在室外吸热，室内放热，实现制热的目的。2功能介绍◆制冷1)设定温度范围：16℃～30℃，默认设定温度为24℃。2)具有防霜冻保护功能。◆除湿在除湿运转模式下，设定温度由遥控器决定，温度设定范围：16℃～30℃。控制器根据室内温度和设定温度的差值决定运转模式。◆制热1)设定温度范围：16℃～30℃。2)具有防冷风功能。3)具有化霜功能。4)具有高温保护功能。◆送风模式风速可在高、中、低档之间转换，不受设定温度所控制。◆定时开/关机功能定时开/关机时间以10分钟为最小单位进行设置，定时时间到达，空调启动和停止工作。◆风门片工作情况1)遥控器可设置风门片工作于连续方式或固定方式。2)制冷、除湿、送风和自动摆风在150°与105°之间大约45°做周期摆动。3)制热摆风在90°与150°之间大约60°做周期摆动。◆健康运行可以在任何模式下，产生健康负离子，进行空气杀菌。◆自动运行遥控器设定为自动运转模式时，空调器根据室内温度与设定温度的差值，自动判定运转模式。设定温度默认为24℃。◆睡眠科学的温度－睡眠曲线，自动调节室内温度，保证用户有一个非常舒适的睡眠。◆应急开关遥控器丢失或损坏时，可以使用应急开关进行开机、关机、制冷和制热。3系统总体方案介绍硬件组成框图如图3?1所示。主要由CPU、信号检测和控制部分组成。CPU首先接收遥控器发出的红外信号，获得命令参数，同时检测环境变量（温度、过流、电网断电等），然后综合分析，下达命令，控制空调各部件的正常工作。显示面板可以显示空调当前的工作状态。图3-1硬件组成框图4系统硬件设计4.1空调电路原理硬件电路如图4?1所示。根据工作电压的不同，整个系统可以分为三部分：微控系统、继电器控制和强电控制，分别工作于DC5V、DC12V和AC220V。图4-1系统电路原理图4.2芯片特性简介SPMC65P2408A是由凌阳公司设计开发的8位工业级单片机，采用凌阳SPMC65内核，支持位操作指令。具有强大的定时/计数器、丰富的外部中断源以及ADC、PWM、标准通讯接口等多种功能。适用于通用工控场合、计算机外围控制和家电等。SPMC65P2408A有28管脚和32管脚两种封装，32管脚封装多了UART功能。本设计选用28管脚封装，如图4-2所示。28管脚封装芯片的具体特性如下：l工作电压：3.0V～5.5Vl工作速度：8MHzl工作温度：-40℃～85℃l超强抗干扰、抗静电ESD保护能力l8KbyteROM，256byteRAMl23个通用输入输出口l强大的定时计数器：2个8位、2个16位具有Capture\Compare\PWM功能l1个1Hz～62.5KHz的时基l8通道10位精度的ADC(带外部参考电压)l4个外部中断，11个内部中断lSPI串行通讯接口l2种省电模式：Halt、Stopl蜂鸣器输出功能l4.0V/2.5V可选低电压复位功能l可编程看门狗功能图4-2SPMC65P2408A*28P封装4.3供电系统分析整个主控板上有三种电压：AC220V、DC12V和DC5V。AC220V直接给压缩机、室外风机、室内风机和负离子产生器供电；AC220V经过降压，变为DC12V和DC5V，用于继电器和微控系统供电。供电系统如图4-3所示，AC220V先经过变压器降压，然后从插座J1输入，经过整流桥进行全波整流，通过电容C2滤波，得到DC12V，再经过稳压片7805稳压，得到DC5V。图中的采样点ZDS用于过零点的检测，二极管D1防止滤波电容C2对采样点ZDS的影响。图4-3供电系统4.4过零检测电路过零检测电路如图4-4所示，用于检测AC220V的过零点，在整流桥路中采样全波整流信号，经过三极管及电阻电容组成整形电路，整形成脉冲波，可以触发外部中断，进行过零检测。采样点和整形后的信号如图4-5所示。过零检测的作用是为了控制光耦可控硅的触发角，从而控制室内风机风速的大小。4过零检测电路5采样点和整形后的信号4.5室内风机的控制图4-6为内风机控制电路，U1为光耦可控硅，用于控制AC220V的导通时间，从而实现内风机风速的调节。U3的3脚为触发脚，由三极管驱动。AC220V从管脚11输入，管脚13输出，具体导通时间受控于触发角的触发。室内风机风速具体控制方法：首先过零检测电路检测到AC220V的过零点，产生过零中断；然后，在中断处理子程序中，打开Timer的定时功能，比如定时4ms，4ms后由CPU产生一个触发脉冲，经三极管驱动，从U3的3脚输入，触发U3的内部电路，从而使U3的管脚11和13的导通，AC220V给室内风机供电。这样，通过定时器的定时长度的改变可以控制AC220V在每半个周期内的导通时间，从而控制室内风机的功率和转速。图4?6室内风机控制电路4.6室内风机风速检测当室内风机工作时，速度传感器将室内风机的转速以正弦波的形式反馈回来，正弦波的频率与风机转速成特定的对应关系，见下表所示。正弦波经过三极管整形为方波，CPU采用外部中断进行频率检测，从而实现对风速的测量。风速高中低[风机705030频率（Hz）图4-7室内风机风速检测电路4.7过流检测电路采用电流互感器L1检测火线上电流的变化情况。图中L1为电流互感器，输出0～5mA的交流电。当电流突然增大时，电流互感器输出电流也随之增大，经过全桥整流、电流－电压转换、低通滤波，从COD端输出直流电压信号。CPU通过对COD端电压的AD采集来感知AC220V电流的变化，当COD端的电压过高时，CPU可以对电路采取保护措施。图4-8过流检测电路4.8低电压检测电路采用电阻分压原理，CPU利用AD采集对7805前端的12V电压进行检测。当电网掉电后，AD端会采集到7805前端的12V电压的降低，由于7805输出端电容的存在，所以即使12V电压降低到6V，7805仍能提供5V电压使CPU正常工作，此时，CPU立即将空调当前的运行参数保存在AT24C01里面。图4-9低电压检测电路4.9压缩机、四通阀、外风机和负离子产生器（健康运行）的控制压缩机、室外风机、四通阀和负离子产生器均由AC220V供电，所以通过继电器控制AC220V的通断便可以控制各个部分的运行。R1为压敏电阻，用于过压保护。SI1为保险管。插座J2为AC220V输出端，外接变压器，将AC220V降压，降压后接到电源模块，分别得到DC12V和DC5V。图4-10压缩机、四通阀和健康运行的控制电路4.10驱动电路继电器、峰鸣器和步进电机均由12V直流电压控制，U4为驱动芯片。Neg－lonC控制负离子发生器的继电器；ValveC控制四通阀的继电器；ComprC控制压缩机的继电器；Buzzer控制峰鸣器；A、B、C、D为步进电机的四相。图4-11驱动电路4.11断电记忆采用U5（AT24C01）作为串行存储芯片，保存电网断电前空调的运行参数。该芯片只需两根线控制：时钟线SCL和数据线SDA/Ion，存储器大小为128×8byte。图4-12断电记忆电路5系统软件设计5.1主流程主程序流程如图5?1所示，一个主循环时间为10ms，采用时基进行定时。首先等待10ms的到来，10ms来临，进行遥控器信号的解码，根据解码得到的信息选择空调的工作模式，然后进入该模式执行。图5-1主流程图6结语SPMC65系列芯片以优异的性能和丰富的资源适合于各个公控场合。本次以SPMC65P2408A为主控芯片开发的空调主控板，在没有专门加EMC防治的情况下，经过EFT测试，其抗干扰能力达到国家最高级别±4KV。