中央空调系统大学设计方案.docx

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中央空调系统大学设计方案

摘要

本论文是用89C51型单片机对中央空调空气源热泵控制器进行的硬件电路设计。

系统可分为电源电路、驱动电路、采集电路、保护电路和显示电路等部分。

出于抗干扰及强弱电隔离等方面的考虑，对驱动电路、保护电路、采集电路，论文中进行了光耦隔离处理。

对于单片机内部的干扰，文中设置了看门狗电路，随时准备引导单片机恢复正常的工作状态。

对于工作电源中的尖峰波干扰，本设计中通过增加一定数量的电容、电感器件进行削弱。

系统中的处理信号为温度，而温度信号具有缓变性，所以采用串行的方式即可满足采集、显示等部分的电路设计，这种设计同时为单片机节省了大量的可用端口。

由于编程的需要必须进行内存空间的拓展。

端口数量的限制决定了只能采用串行的方式。

为了满足和计算机之间的通讯，我们采用了RS485这种高质量的通讯方式。

通过对控制器各个模块的独立设计，达到了对整个空调系统的控制。

关键词:

中央空调、热泵、供应链管理、串行通信

Abstract

Thisthesisisusedforcentralairconditioningtype89C51microcontrollerairsourceheatpumpcontrollerhardwarecircuitdesign.Systemcanbedividedintopowersupplycircuit,drivecircuit,acquisitioncircuit,protectcircuitanddisplaycircuit.Stronganti-interferenceandelectricalisolationfromtheaspectsofdrivingcircuit,andprotectcircuit,acquisitioncircuit,thethesisconductedlight-couplerisolation.Forinternalinterference,thechipsetwatch-dogcircuitchip,readytoresumenormalworkguide.Thepeakworkpowerforthedesignandbyincreasingtheamountofcapacitanceandinductancecomponentstoweaken.Thesignalprocessingsystemfortemperatureandtemperaturesignalhasaslowdegeneration,sousingserialmannercansatisfycollection,suchaspartofthecircuitdesign,suchaschipdesigncansavethemalotofusableport.Duetotheneedsofprogrammingtoextendthememoryspace.Limitsonthenumberofportsdeterminestheserialmanner.Inordertosatisfythecommunicationbetweencomputerand,weadoptRS485thishighqualitycommunicationmode.Throughthecontrollerdesign,theindependentmodulestotheairconditioningsystemofthecontrol.

Keywords:

centralairconditioning,pump,SCM,serialcommunication

第1章绪论

1.1概述

在二十世纪六,七十年代,美国地区发生罕见的干旱天气,为解决干旱缺水地区的空调冷热源问题,美国率先研制出风冷式冷水机,用空气散热代替冷却塔,其英文名称是:

AircoolChiller,简称为Chiller!

在空调历史中，美国已经发展和改进了有风管的中央单元式系统，并得到了正在现场安装和修理有风管的单元式空调系统的空调设备分销商和经销商的强力支持。

WRAC是最简单和最便宜的系统，能够很容易的在零售商店中购得，并在持续高温来的时候自己安装。

同时，无风管的SRAC和SPAC自70年代起在有别于美国市场的动力下在日本得到发展和改进。

之后，设备设计和制造技术在90年代被转让到中国，这是通过与当地公司（包括主要元件如压缩机、热交换器、电动机、精细阀和电子控制器的本地制造商）组成的合资公司进行的。

在90年代中国也从其它先进国家吸收了较大型空调设备的先进高新技术，并与多数是美国的大公司组成合资企业。

现今，中国已是一个顶级国家，她的当地主要工厂和合资企业制造了大量SRAC和SPAC以满足增长的国内市场和出口需要。

日本过去几年在把SRAC和SPAC机组出口到中国、欧洲和中东以建立新的市场。

但是中国现今已是最大的空调出口国，在2001年出口的WRAC，SRAC和SPAC机组总数达500万台，2002年预计有750或800万台机组出口，而日本正在失去出口的地位。

在我国，家用空调和中央空调木是两个独立的概念。

家用空调一般是指窗式机、分体壁挂式和柜式机等几种家庭一般空调机组。

中央空调则是指具有集中的冷/热源和冷/热媒的空调系统，主要应用宾馆、写字楼等，能够为较多的独立划分的空间提供冷量和热量的空调系统。

“非典”之后，人们充分认识到了新鲜流通的空气对人体健康的重要性，各个厂家纷纷把“换气”“自山呼吸”等作为产品的卖点，家用中央空调能够向居室内补充足够、适量的室外新鲜空气，从而改善居室内的空气品质，使室内空气始终保持新鲜、舒适，对人们的身体健康是非常有利的。

同时，家用中央空调是每个住户独立使用，空调的独立循环系统可保证不和其他住户的空调相串通，因此也不会产生住户之间的交叉感染。

此外，家用中央空调的机组大多数是风冷热泵型机组，节省了冷却塔的使用，也避免了由此产生的军团病菌传播的环节。

家用中央空调的机组可引入新风，改善室内空气品质，免除“空调病”的烦恼。

同时，居室内空气成分更为合理，温度均匀，波动小，舒适感好。

利用室内吊顶能方便地将室内机安置在人花板内，能大大改善因采用多台分体式空调器所造成的室外机太多，因而影响建筑物外观及造成不安全的隐患

随着经济的发展，我国的人居而积有较大幅度的增长，人们对室内空气品质的要求也越来越高一个多居室的家庭往往需要安装多台家用空调，才能满足不同空间的:

温度要求。

一个家庭安装数台家用空调有许多弊端:

1.整机能效比低，一般为2.7-3.1，具体表现为家庭耗电量大，城市电网峰值剧增。

2.难以保证室内良好的温度场和气流场，影响室内环境的品质和舒适性。

3.几无新风机组过滤不完全，导致室内空气质量变差。

4.大量安装的室外机不但破坏大楼的外观的美感，更成为安全隐患等等。

家用中央空调几乎不存在上述问题，因而中央空调越来越成为现代都市人们最明智的选择。

1.2研究内容

空气源热泵机组其控制器在软件上可分为主模块和子模块而硬件结构完全一样，主模块控制器主要控制水泵、压缩机、风机、四通阀、键盘管理、LED显示器的管理以及输入信号采样与远程通讯，以及各子模块的管理，查询各设备的工作状态、故障分析、报警。

子模块控制器接受主模块的控制命令，完成对压缩机、风机、四通阀的控制，以及输入信号采样，采用RS-485通讯方式，可方便组成现场控制网络。

本设计主要负责单片机硬件电路设计，元器件选择以及原理图绘制。

主要研究内容有以下几点：

1、按照基本要求和控制过程设计硬件电路，并根据外部被控元件要求和控制点、控制量进行控制器硬件设计，主要包括模数转换电路、显示电路、驱动电路、保护电路、电源电路等。

2、用Protel完成电路原理图的绘制；

3、用电气CAD完成相关的连接图的绘制；

4、书写计算书，写明各集成模块和独立元件的选择原则及相关的技术资料；

5、符号和相关图形要求符合国家标准。

第2章空气源热泵控制系统的工作原理

2.1工作原理

空气源热泵又称热泵热水器，由热泵吸收空气热源制取热水，节能效率是电热水器的4倍以上，比太阳能热水器还要节能，是目前世界上最为先进的节能环保热水系统。

　　热泵用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，传输至水箱，加热热水，所以它能耗低、效率高、速度快、安全性好、环保性强，源源不断的供应热水。

作

图一空气源热泵工作原理图

为热水系统它具有无以比拟的优点。

热泵热水机组遵循能量守恒定律和热力学第2定律，运用热泵的原理，只需要消耗一小部分的机械功（电能），将处于低温环境（大气或地下水等）下的热量转移到高温环境下的热水器中，去加热制取高温的热水。

热泵可以与水泵相比拟，水是不能自发地从低处流向高处，要将低处的水输送到高处，必须用一台水泵，消耗一部分电力，才能将水送到高处的水箱中。

同样，根据热力学第二定律，热量也是不能自发地从低温环境向高温环境中转移（传送），而要实现这个目的，必须要有一台机器，消耗一部分机械功（例如电能），才能将低温环境中的热量传送到高温环境中去。

这样的机器就称之为“热泵”。

热泵的作用是将空气中或低温水中的热量取出，连同本身所用的电能转变成的热能，一起送到高温环境中去应用。

2.2发展前景

随着节能一词的推出，空气源热泵以这一显著的优点不断的被广大用户所接受，国内销售成绩在逐年的增长，这个是空气源产品的发展趋势，可以想象不久这将会是热门的产品。

试想在大型浴场、酒店宾馆，大规模的热水供应将耗费多少能源，用电？

用火？

从经济角度上空气源热泵的应用将带来的节能效应是很大的。

　　可以说，空气源热水器是目前最节能、最环保的热水系统。

目前，生活热水主要依赖于燃气热水器、电热水器、太阳能热水器和空气源热水器。

其中，燃气热水器因能源消耗量较大，基本已经淘汰。

而电热水器因为电加热直接进水箱，存在一定的不安全因素，而且其用电量很大，是空气源热水器的4倍左右。

太阳能热水器还是不错的，虽然它具有显著的节能环保特性，但是在具体应用上还有一定的局限性，比如恶劣天气条件下就不能得到正常使用。

“而空气源热水器是利用空气烧水，水电彻底分离，并设有多重保护，不存在任何安全隐患，它可以用少量的电能将空气中的热能搬运到水中，给水加热，消耗能源是电热水器的1/4，而且不论阴天、雨天、白天、黑夜，只要有空气就有热水。

”蘧孝宽说，空气源热气器正因为综合了安全、节能、环保等多重优势，才深受消费者的青睐

从多个角度跟实例了解可以证明空气源的发展是将会成为一个富有竞争力的市场。

第3章硬件电路设计

3.1系统硬件结构框图

图二硬件框图

1.该系统主体分为驱动部分、采集部分、保护部分和显示部分组成。

2.主控制系统的核心部件为89C51单片机和EEPROM存储芯片。

3.驱动部分有7个继电器和7个光耦组成。

4.采集部分4条5K温敏电阻，TLC1543模数转换芯片组成。

5.保护部分由8个TLP521光耦元件组成光隔离。

6.显示部分采用用了四位LED数字显示和设备指示LED，屏能够充分显示系统的各种信息，让用户了解热水器的运作情况，且比较直观大方，价格低廉。

3.2电源电路设计

直流供电电路图3是空调器的直流供电电路，该电路是整个系统的供电部分，它通过一个双路12V的变压器分别供应系统供电部分和继电器驱动部分。

空调器中的电路器件需要直流电源，例如单片机需要+5V电源，继电器、步进电动机则需要+12V电源。

空调器中的直流电源多采用三端集成稳压器件，图中的IC1是用于+12V的三端集成稳压电路（7812）这种电路有三个引脚，输入为+12V，输出为+12V。

输入的电压是由降压变压器降压后经整流滤波后形成的。

接在电路中的电容是用以平滑、滤波的，使直流电压稳定。

IC2是用+5V的三端集成稳压电路（7805），这种电路有三个引脚，输入为+12V，输出为5V。

图三电源电路

3.3单片机的时钟、复位电路设计

MCS-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

常用的时钟电路的设计有两种方式，一种是内部时钟方式，一种方式为外部时钟方式。

3.3.1内部时钟方式

MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，如图4是MCS-51内部时钟方式的振荡器电路。

电路中的C1和C2的典型值通常选择为30pF左右。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶振的震荡频率的范围通常是1.2MHZ~12MHZ之间。

晶振的频率越高，系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度就越快。

但反过来运行速度越快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，即要求线间的寄生电容要小；晶振和电容应尽可能安装的与单片机的芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定、可靠地运行。

为了提高温度的稳定性，应采用温度性能好的电容。

MCS-51常选择震荡频率6MHZ或12MHZ的石英晶体。

随着集成电路制造工艺的发展，单片机的时钟频率也在提高，现在的某些高速单片机芯片的频率已达40MHZ。

图四内部时钟

3.3.2外部时钟方式

外部时钟方式是使用外部震荡电路产生的脉冲信号，常用于多片单片机同时的工作，以便于多片单片机之间的同步，一般为低于12MHZ的方波。

目前市场上常用的89C51外部时钟电路如图5所示。

外部时钟源直接连接到XTAL1端，XTAL2端悬空。

图五外部时钟

本次设计中采用内部时钟方式，芯片采用AT89C51。

AT89C51时钟电路由振荡器及定时控制单元、时钟发生器及地址锁存允许信号ALE组成。

单片机内部带有时钟电路，因此，只要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制单元（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。

振荡器的工作频率一般在1.2～12MHZ之间，现在由于制造工艺的改进，频率范围可达0～40MHZ。

本设计电路选用12M晶振。

3.3.3复位电路

AT89C51的复位是由外部复位电路实现的。

复位电路常采用上电复位和按键复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路如图6所示。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。

当电容接通时只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。

当时钟频率选用6MHZ时，C取22μF，R取1K。

图六复位电路

3.4驱动电路设计

3.4.1直流电磁式继电器功率接口

一般用功率接口集成电路或晶体管驱动.在使用较多继电器的系统中,可用功率接口集成电路驱动,例如SN75468,一片SN75468可驱动7个继电器,驱动电流可达500mA,输出端最大工作电压为100V.

常用的继电器大部分属于直流电磁式继电器,也称为直流继电器.图7是直流继电器的接口电路.继电器的动作由单片机8031的P1.0端控制.P1.0端输出低电平时,继电器J吸合。

P1.0端输出高电平时,继电器J释放.采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合.

二极管D的作用是保护晶体管T.当继电器J吸合时,二极管D截止,不影响电路工作.继电器释放时,由于继电器线圈存在电感,这时晶体管T已经截止,所以会在线圈的两端产生较高的感应电压,极性是上负下正。

图七直流电磁式继电器功率接口

3.4.2交流电磁式继电器功率接口

继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触器.接触器的触点数一般较多.交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电,所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制.图8是交流接触器的接口电路图.

交流接触器C由双向晶闸管KS驱动.双向晶闸管的选择要满足:

额定工作电流为交流接触器线圈工作电流的2～3倍。

额定工作电压为交流接触器线圈工作电压的2～3倍.对于工作电压220V的中,小型的交流接触器,可以选择3A,600V的双向晶闸管.

光电耦合器MOC3041的作用是触发双向晶闸管KS以及隔离单片机系统和接触器系统.光电耦合器MOC3041的输入端接7407,由单片机8031的P1.0端控制.P1.0输出低电平时,双向晶闸管KS导通,接触器C吸合.P1.0输出高电平时,双向晶闸管KS关断,接触器C释放.MOC3041内部带有过零控制电路,因此双向晶闸管KS工作在过零触发方式.接触器动作时,电源电压较低,这时接通用电器,对电源的影响较小.

图八交流电磁式接触器的功率接口

3.4.3光耦合双向可控硅驱动器

单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件,由两部分组成,输入部分是一砷化镓发光二极管,该二极管在5~15mA正向电流作用下发出足够强度的红外光,触发输出部分.输出部分是一硅光敏双向可控硅,在红外线的作用下可双向导通.有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有过零检测器,以保证在电压为零（接近于零）时才触发可控硅导通,如MOC3030/31/32（用于115V交流）,MOC3040/41（用于220V交流）.图12为这类光耦驱动器与双向可控硅的典型电路.在使用晶闸管的控制电路中,常要求晶闸管在电源电压为零或刚过零时触发晶闸管,来减少晶闸管在导通时对电源的影响.这种触发方式称为过零触发.过零触发需要过零检测电路,有些光电耦合器内部含有过零检测电路,如MOC3061双向晶闸管触发电路.

图九光耦合双向可控硅驱动器

由于驱动部分往往需要较大的功率，所以不能与单片机直接相连，设计中用光耦器件进行隔离，隔离电路如图9,图10为交流接触器的接口电路。

交流接触器C由双向晶闸管T驱动。

双向晶闸管的选择要满足：

额定工作电流为接触器线圈工作电流的2~3倍；额定工作电压为接触器线圈工作电压的2~3倍。

对于工作电压为220V的中、小型交流接触器，可以选择3A、600V的双向晶闸管。

光电耦合器MOC3041的作用是触发双向晶闸管T以及隔离单片机系统和接触器系统。

光电耦合器MOC3041的输入端接7407由单片机P0端口给出。

选定端口为低电平时，双向晶闸管T导通，接触器C吸合。

所选定的端口为高电平时，双向晶闸管T关断，接触器C释放。

MOC3041内部带有过零控制电路，因此双向晶闸管工作在过零触发方式。

接触器动作时，电源电压较低，这时接通用电器，对电源的影响较小

图十驱动电路

3.5保护电路设计

AT89C51与光电耦合器的接口

光电晶体管除没有使用基极外,跟普通晶体管一样.取代基极电流的是以光作为晶体管的输入.当光电耦合器的发光二极管发光时,光电晶体管受光的影响在cb间和ce间有电流流过,这两个电流基本上受光的照度控制,常用ce极间的电流作为输出电流,输出电流受Vce的电压影响很小.光电晶体管的集电极电流Ic与发光二极管的电流IF之比称为光电耦合器的电流传输比.光电耦合器在传输脉冲信号时,对不同结构的光电耦合器的输入输出延迟时间相差很大.图11是使用TLP521型的光电耦合器接口电路图

TLP521使两部分的电流信号独立.输出部分的地线接机壳或接大地,而８９C51系统的电源地线浮空,不与交流电源的地线相接.可避免输出部分电源变化对单片机电源的影响,减少系统所受的干扰,提高系统的可靠性.TLP521输入输出端的最大隔离电压>2500V.

光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送.

（1）可以起到隔离两个系统地线的作用,使两个系统的电源相互独立,消除地电位不同所产生的影响.

（2）光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件,可以形成电流环路的传送形式.由于电流环电路是低阻抗电路,它对噪音的敏感度低,因此提高了通讯系统的抗干扰能力.

电路原理：

该电路部分是整个系统对各个设备部分的故障检测，该系统分别能够检测8个故障点，分别是高压保护故障、低压保护故障、排气保护故障、堵塞保护故障、低温保护故障、靶流保护故障、除霜保护故障、防冻保护故障。

它们各个模块都是高压，不能够直接接入单片机的I/O口，所以它们都通过光耦进行隔离后得到单片机的信号电平，最后再送到单片机的I/O口处理。

它们都接上了上拉电阻和一个100UF的电容。

因为各个故障检测模块正常工作的情况下都是常闭的，所以没有故障时光藕一直导通是低电平，有故障就是高电平。

图十一保护电路

3.6采集电路设计

数据采集电路主要由温度传感器、A/D转换器、放大电路等组成。

具体电路如图12所示。

图十二A/D转换电路

3.6.1A/D转换电路

1）TLC1543模数转换器

TLC1543是美国TI公司生产的众多串行A/D转换器中的一种，它具有输入通道多、转换精度高、传输速度快、使用灵活和价格低廉等优点，是一种高

性价的A/D转换器。

TLC1543是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器。

它有三个输入端和一个3态输出端：

片选（CS）、输入/输出时种（I/OCLOCK）、地址输入（ADDRESS）和数据输出（DATAOUT）。

这样通过一个直接的四线接口与主处理器或其外围的串行口通讯。

片内含有14通道多路选择器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试（SELF=TEST）电压中的一个。

2）TLC1543引脚说明

A0~A10为模拟输入端。

CS为片选端。

在CS端的一个由高至低变化将复位内部计数器，控制和使能DATAOUT、ADDRESS和I/OCLOCK.一个有低至高的变化将在一个设置时间内禁止ADDRESS和I/OCLOCK.

ADDRESS为串行数据输入端。

一个4为的串行地址选择即将被转换的所需要的模拟输入或测试电压。

串行数据一MSB为前导并在I/OCLOCK的前4个上升沿被移入。

在4个地址位被读入地址寄存器后，这个输入端对后续的信号无效。

DATAOUT用于A/D转换结果输出的3态串行输出端。

DATAOUT在CS为高时处于高阻状态，而当CS为低时处于激活状态。

CS一旦有效，按照前一次转换结果的MSB值将DATAOUT从高阻抗状态转变成相应的逻辑电平。

I/OCLOCK的下一个下降沿将根据MSB的下一位将DATAOUT驱动成相应的逻辑电平。

剩下的各位依次移出，而LSB在I/OCLOCK的第九个下降沿出现，在I/OCLOCK的第十个下降沿，DATAOUT端被驱动为逻辑低电平，因此多于十个时钟，串行接口传送是一些“零”。

EOC转换结束端。

在第十个I/OCLOCK，该输出端从逻辑高电平变成低电平并保持低，直到转换完成及数据准备传输GND接地端。

I/OCLOCK输入%输出时钟端。

I/OCLOCK接收串行输入并完成以下四个功能：

1.在I/OCLOCK的前4个上升沿，它将4个输入地址健入地址寄存器。

在第4个上升沿之后多路器地址有效；

2.在I/OCLOCK的前4个下降沿，在选定的多路器输入端上的模拟输入电压开始向电容器充电并继续到I/OCLOCK的第十个下降沿；

3.它将前一次转换的数据的其余9位移出DATAOUT端

4.在I/OCLOCK的第十个下降沿它将转换的控制信号传送到内部的状态控制器

REF+正基准电压端。

基准电压的正端（通常为Vcc）被加到REF+。

最大的输入电压范围取决于与加于REF-端的电压差。

REF-负基