家用变频空调电气控制系统设计.docx
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家用变频空调电气控制系统设计
家用变频空调电气控制系统设计
摘要：
本课题设计的家用变频空调电气控制系统基于AT89S51单片机，总共分为两部分，分别是室内机系统和室外机系统，二者通过通讯线进行信息传输。
室内机系统的主要工作是对设定的温度与测得的实际温度进行比较然后通过一定的逻辑运算完成加速或者减速指令的传输，室外机系统由AT89S51单片机、SA8281芯片、IR2110驱动器、整流电路和三相逆变电路组成主要完成AT89S51单片机对压缩机的PWM变频调速控制。
关键词：
变频空调；AT89S51单片机；PWM变频调速
1引言
1.1家用空调的发展历史及研究意义
从美国成功研制出第一台空调算起,往后的20年里空调的服务对象一直是机器。
二十世纪二十年代空调开始进入家庭,家用空调应运而生。
1974年国产第一台空调CKF-3A在泰州市无线电元件九厂研制成功,经过四十多年的发展空调技术不断更新。
家用定频空调只能工作在标准电压和频率的环境下，因为供电频率不变所以只能通过控制继电器的开断来控制空调的启停，在调节温度的同时空调反反复复的启停对电网造成了污染并且消耗的电能较多。
家用变频空调通过变频器对压缩机进行调速，使空调不是通过简单的启停进行调温而是通过功率的不断变化进行温度调控，当与设定温度相差较大时空调功率增加，相反当空调接近设定温度时空调功率会减少到正常功率的百分之十以保证始终处于恒温状态，减少了空调的反复启停消除了压缩机启动时的峰值电流并且节约了电能。
在日常的生活工作中变频空调越来越多的取代定频空调为我们服务。
1.2家用变频空调工作原理
空调CPU通过变频器对压缩机进行调速从而改变空调的输出功率完成变频。
空调刚启动时，由于房间冷负荷大，空调压缩机电机高频运转，空调制冷量达到最大值，使室温在尽可能短的时间内下降；当房间温度接近设定温度时，压缩机的工作效率可相应降低，降低空调制冷量，实现系统制冷量的调节，减少空调的启停次数使温度变化更加平稳[1]。
2设计方案
2.1空调电气控制系统总体设计方案
在分体式空调中,运行部分包括室内外两部分。
室内机单片机对设定的温度与测得的实际温度进行比较然后通过相应的逻辑运算发出加减速和复位控制指令,控制信号通过通讯线传输到室外单片机，由室外单片机完成对压缩机的控制与调速[2]。
系统结构框图如图1所示。
图1系统结构框图
2.2室内机系统设计方案
AT89S51单片机作为室内机的核心,A/D转换器将负温度系数热敏电阻采集到的温度由模拟信号转为数字信号并送入单片机中,采集的温度数据与设定的温度数据（20℃）在单片机内进行一定的逻辑运算来决定压缩机加速或者减速运行。
室内机主要实现以下功能：
（1）人工设定所需的环境温度（20℃）
（2）设定温度与实际温度进行逻辑运算（3）通过LED显示设定温度（4）输出压缩机调速信号
2.3室外机系统设计方案
室外机的AT89S51单片机接受室内机传来的加减速或者停止信号通过PWM变频调速控制压缩机的运行状态[3]。
整个室外机电路分为主回路、单片机控制SA8281芯片的控制电路两大部分，主要实现压缩机的变频调速。
3硬件设计
3.1所需主要硬件简介
3.1.1AT89S51单片机
本设计之所以采用AT89S51单片机是因为它的获取渠道广、价格低廉、功能足够满足本次设计，其兼容标准的51指令编程简单与80C51引脚结构相似使用方便[4]。
AT89S51单片机引脚结构如图2所示。
图2AT89S51单片机引脚结构
AT89S51最小复位系统电路如图3所示。
图3系统复位电路
3.1.2A/D转换芯片ADC0809
传感器采集到的是模拟信号不能直接与单片机进行数据传送，所以必须采用模数转换器。
ADC0809为8通道模数转换器，其分时采集八个模拟信号，芯片有八个模拟门完全适用本次设计。
它具有转换时间短、功耗低等特点。
ADC0809的外部引脚如图4其内部有八位模拟开关、八位开关树形A/D转换器、定时电路等组成。
图4ADC0809外部引脚图
3.1.3SA8281的功能介绍
本设计的一个关键就是产生可控的三相脉宽调制波。
MITEL公司的SA8281正好符合要求。
它使用一套标准的MOTEL总线，内置波形只读存储器和对应的控制逻辑可以独立产生三相脉宽调制波形。
其具有与单片机连接方便、输出精度高、温度稳定、工作的频率范围宽等特点。
单片机只需在它要改变输出频率和振幅时对其产生干预。
因此，非常适合本次设计。
SA8281利用对称双边缘采样产生数字PWM波形，该波形存储在一个内部ROM中，有可选的可移动的最小脉冲宽度和死区时间。
其具有工作范围广、精度高、稳定性强、三角载波频率可调等特点。
该电路有6个标准TTL电平输出驱动逆变电源开关元件，通过软件改变电路的载波和调制频率等就可以控制逆变器，电机的正反转则将通过改变SPWM脉冲的相序实现。
SA8281内部由单片机接口、波形生成和波形输出三部分组成,它有28个引脚其中AD0~AD7为8位地址与数据复用总线,RPHT/HB，YPHT/HB，BPHT/HB为三相PWM信号的输出端，其引脚如图5所示。
图5SA8281引脚图
3.1.4IR2110集成驱动器
三相脉宽调制波发生器SA8281不能直接驱动三相逆变电路因此需要采用驱动器进行驱动。
而IR2110芯片正好符合要求，其具有体积小、成本低、响应快、驱动能力强等特点非常适合本设计的压缩机电机变频调速。
3.2硬件电路设计
3.2.1室内机硬件电路设计
室内硬件系统的核心为AT89S51单片机,电源为+5V直流电压源，采用内部时钟电路[5]。
温度设定等操作指令由手动按键设定,通过手动传送到室内单片机控制板，共阳LED七段码显示温度。
选择负温度系数热敏电阻作为本次设计的温度传感器。
ADC0809转换器把温度传感器采集的温度信号转换成数字信号以无条件输入方式输入P1。
P1端口是在A/D转换之后200μs开始采集数据。
脉冲电路以中断方式工作，其产生的温度设置信号通过数据线与单片机引脚相连。
减速指令由P3.7输出,加速指令由P3.6输出,复位指令由P3.5输出。
室内机硬件设计电路总共分为四部分分别是显示电路、升降温按键电路、电源和温度检测电路。
（1）显示电路设计
本设计选用LED数码管,它能够显示0-9个数和小数点所以能够完全适用本系统。
具体采用共阳极数码管，如图6，将所有LED的阳极连接到共节点上，每个LED的标记分别为a、b、c、d、e、f、g、dp小数点。
图中8个LED分别对应图6中从a到dp的每一段，数字通过每个LED的亮灭来显示。
图6共阳极LED数码管内部结构
因为要驱动两个数码管显示数字所以需要用到位选通和段选通。
单片机控制8550PNP型三极管通断来控制数码管的位选通，段选通电路由74HC164芯片组成，由P2.0控制。
只要我们把显示数码管的选通控制打开，该位就会显示数字,依次给出每个LED数码管的段选就可以得到所需要的显示数字[6]。
具体连接电路如图7，图中三极管起到驱动作用。
图7显示电路连接电路图
（2）按键接口设计
按键K1和K2组成按键输入电路。
单片机的P3.1接通K1，P3.2接通K2。
K1控制降温；K2控制升温，为了设定两位的温度，K1,K2分别对应两个LED显示器。
K1、K2按下后相应的单片机引脚P3.1和P3.2只能监测到低电平。
要将按键与一个反相器串接后再与单片机相连。
抖动消除电路由一个1K电阻串联在+5V电源上接地，以及一个并联的100pf电容器组成，电路如图8所示。
图8按键控制电路
（3）电源电路设计
电源由图9中四部分组成。
图9电源结构框图
设计中本着电路简单方便的原则，变压器把220V电压变为9V，整流电路使用IN4007二极管组成，采用2200uf电解电容和0.1uf的电磁电容平缓波形和过滤杂波，最后经过7805芯片稳压，220uf电解电容和0.1uf电磁电容再次平缓波形和过滤杂波后为AT89S51单片机运行提供稳定的+5V电源[7]。
电源电路图如图10所示。
图10电源电路图
（4）温度检测电路设计
温度检测电路采用负温度系数热敏电阻（NTC），其25℃标称阻值为5KΩ，B值为3950K，它的阻值随温度的升高而降低，线性度好，测量误差小。
电路设计中它需要串联一个电阻R（7.5KΩ）对5V电压进行分压然后通过电容C（2000uf）滤波后传入A/D转换芯片ADC0809，传入的电压模拟量其实是R的电压值，所以温度与检测的电压成正比。
ADC0809通过锁存器与单片机相连，单片机采集信号的速度和ADC0809的发送速度不同需要采用锁存器保持同步传输，其中锁存器采用74LS373，它获取方便功能符合设计要求。
温度检测电路图如图11所示,ADC0809与单片机连接电路图如图12所示。
NTC的电阻与温度变化数值可以根据厂家提供的表格查表得到，20℃时NTC阻值为8.9KΩ。
电源为5V，电阻R分压2.3V。
图11温度检测电路
图12ADC0809与单片机连接电路图
3.2.2室外机硬件电路设计
室外机主要通过AT89S51单片机实现对压缩机PWM交流变频调速[8]。
室外机系统结构框图如图13所示，其中压缩机选用额定功率2200W，额定定子电压380V，额定定子电流5A，额定转速1420r/min的三相异步电机。
图13室外机系统结构框图
室外机系统整个电路分为主回路（包括整流滤波电路和三相逆变电路）和单片机控制的脉宽调制产生器控制电路两大部分。
（1）室外机整流滤波电路设计
使用三相二极管不可控整流外加幅值较大的滤波电容（2200uf/400v），所需整流二极管为大电流整流二极管额定电流需大于10A，所以采用KBPC1015（1000V，15A）,图中电阻R（100k）当断电后起加速电容放电作用，整流电路如图14所示。
图14整流电路
（2）室外机三相逆变电路设计
采用IGBT作为可控元件的电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式是180°导电方式，同一相上下2个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°[9]。
T为周期，具体导通情况如表一。
续流二极管选择上的参数同整流二极管，IGBT的峰值电压为
V,峰值电流为
A，因为有两倍左右的安全系数所以IGBT选择IRG7CH44K10EF（25A/1200V）。
表一每个周期IGBT的导通情况
周期
V1
V2
V3
V4
V5
V6
第一个T/6
导通
截止
截止
截止
导通
导通
第二个T/6
导通
导通
截止
截止
截止
导通
第三个T/6
导通
导通
导通
截止
截止
截止
第四个T/6
截止
导通
导通
导通
截止
截止
第五个T/6
截止
截止
导通
导通
导通
截止
第六个T/6
截止
截止
截止
导通
导通
导通
电压型三相桥式逆变电路如图15所示。
图15三相逆变电路图
（3）室外机控制硬件电路设计
控制电路使用单片机控制SA8281三相正弦波发生芯片外加设定和保存参数的EEPROM组成。
单片机与SA8281芯片连接示意图如图16所示。
图16单片机与SA8281连接示意图
从整个电路来说室内机单片机传输加速、减速、复位指令，具体为室内单片机P3.7口与室外机P1.2口相连传输减速信号，室内机P3.6口与室外机P1.1口相连传输加速信号，室内机P3.5口与室外机P1.0口相连传输复位信号，最终实现对SA8281输入初始化参数和控制参数。
在主程序中判定是哪种信号用的是查询方式。
检测到P1.0口电平发生变化进入初始化子程序，检测到P1.1口电平发生变化进入加速子程序，检测到P1.2口电平发生变化进入减速子程序[10]。
AT89S51为了隔离潜在的噪声干扰，在正常情况下，将输出断开引脚SETTRIP设置为接地，同时设置一个开关，以便在紧急情况下快速关闭所有PWM输出。
为了使脉宽调制输出处于有效状态，输出关断引脚连接到高电平。
外部时钟CLK引脚连接的12M有源晶体振荡器为SA8281芯片提供时钟基准，以控制与脉宽调制相关的时间。
4软件设计
家用变频空调主程序流程图如图17所示。
图17主程序流程图
4.1室内机软件设计
4.1.1主程序模块设计
主程序主要包括设置默认显示温度20℃和进行系统初始化包括设定中断、定时方式等工作。
程序流程图如图18，具体子程序见附录。
图18主程序流程图
4.1.2温度设定中断程序设计
温度设定包括升温和降温两段程序，升温系统温度上限为30℃，降温系统温度下限为10℃。
按下升温按键单片机会判断温度是否大于30℃上限，大于30℃程序不会运行，若不到30℃将升高1℃，降温时按下降温按钮单片机判断是否低于温度下限，若低于10℃就返回，反之，将其值降低1℃调整为十进制显示新值。
升温流程图如图19所示。
图19升温流程图
降温流程图如图20所示。
图20降温流程图
4.1.3温度控制系统设计
温度控制系统主要完成三个任务，第一读取温度信号值，第二转换对应的温度值，第三与设定温度进行比较计算差值△，△T≥3时P3.6口发生电平变化，0<△T<3时P3.7口发生电平变化，△T=0时，P3.5口发生电平变化。
将P0口输入量转化为温度值的方法分析如下：
ADC0809的基准电压为5V，所以P0口数据值对应的电压VT=P0/256×5（V）。
计算时，取其整数部分：
T=210-[（10×P0）/256]。
流程图如图21所示。
图21温控系统流程图
4.2室外机软件设计
4.2.1室外机主程序设计
单片机对PWM波形发生器的控制是通过单片机接口将相应的参数输入SA8281芯片内部的24位初始化寄存器R4和24位控制寄存器R3来实现的。
具体的参数传输过程是先被读入临时寄存器R0-R2中,然后通过虚拟的写入操作传输到相应的R4、R3寄存器[11]。
初始寄存器R4设置与电机和逆变器有关的一些基本参数。
这些参数一般在系统启动前就被初始化，系统运行后不会改变。
控制寄存器R3用于设置控制参数,在电机运行时起作用控制电机的转速,该寄存器参数不断更新以便完成对电机加减速控制。
主程序流图如图22所示，具体子程序见附录。
图22室外机主程序流程图
4.2.2初始化子程序设计
在初始化子程序中，设置与电机和变频器有关的基本参数（载波频率设置、调制波频率范围设置、脉冲延迟时间设置、最小删除脉冲宽度设置、调制波形选择、幅度控制设置等）这些参数以8位格式存储在临时寄存器R0-R2中，然后通过写虚拟寄存器R4存储在初始化寄存器中[12]。
SA8281初始化子程序流程图如图23所示。
图23SA8281初始化子程序流程图
4.2.3加速子程序设计
加速子程序的控制参数为频率控制字和幅度控制字,由电机的U/F曲线可求出调制波的频率和振幅，根据频率和振幅得出相应的频率控制字和振幅控制字[13]。
频率控制字和幅度控制字的传输将采用查表法，减速子程序与此相近。
调制波的频率和振幅对照如表二所示：
表二调制波频率与幅值对比表
电源频率（f）
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
对应的电压幅值（V%）
13
23
32
42
52
62
71
81
91
100
100
100
加速子程序流程图如图24所示。
图24加速子程序流程图
5总结
本家用变频空调的电气系统设计使用两个AT89S51单片机完成对室内机和室外机的控制，使用了多种电气元件简化了系统电路。
室内机组AT89S51单片机完成了温度设定指令接收、温度的检测及运算等功能,室外机组由SA8281作为正弦波发生器，IR2110作为驱动器，通过AT89S51单片机控制完成压缩机调速控制功能，控制方式为PWM变频调速。
本设计基本能够实现空调变频的功能。
本次毕业设计理论联系实际，把理论变为实践使我受益匪浅。
设计期间查阅了大量的资料和文献，仔细研究了通过51单片机可以实现的功能和三相异步电机的PWM调速，学到了很多知识，尽管在初期由于知识储备和实践经验不足遇到了种种难题，但最终还是通过老师同学的帮助和自己的努力完成了设计。
附录
室内主程序：
ORG0030H
MAIN:
MOVR7,#20H；上电后默认设定温度20℃
ACALLDISPLAY；显示默认设定值
MOVTCON,#05H
MOVTMOD,#02H；循环定时方式
MOVTH0,0CEH；
MOVTL0,0CEH
SETBTR0；
MOVIE,#87H；
SJMP“$
升温程序代码：
ORG0050H
UP:
PUSHA
CJNER7,#30H,GOUP；最高为30℃
SJMPUPEND
GOUP:
MOVA,R7
ADDA,#01；升高1℃
DAA；
MOVR7,A
ACALLDISPLAY
UPEND:
POPA
RETI
降温程序代码：
ORG0060H
DOWN:
PUSHA
CJNER7,#10H,GODOWN；最低10℃
SJMPDOWNEND
GODOWN:
MOVA,R7
CLRC
SUBBA,#01；降低1℃
JNBPSW.6,GOON；
SUBBA,#06
GOON:
MOVR7,A
ACALLDISPLAY
DOWNEND:
POPA
RETI
温度显示程序代码：
ORG0075H
DISPLAY:
MOVDPTR,#LEDTAB；LED显示码表首
MOVA,#0FH；取各位
ANLA,R7
MOVCA,@DPTR+A
MOVP1,A
MOVA,#0F0H；取十位
ANLA,R7
WAPA
MOVA,@DPTR+A
MOVCP2,A
RET
ORG0090H
LEDTAB:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H；共阳显示码
DB92H,82H,0F8H,80H,90H
温度控制程序代码：
ORG0100H
TIME:
PUSHA
SETBP3.1；
SETBP3.0；
MOVP0,#0FFH
MOVA,P0
MOVB,#10；
MULAB；
MOVA,#210
CLRC`
SUBBA,B
MOVB,#10；
DIVAB；
SWAPA；
ADDA,B；（A）=T
CJNEA,R7,CON；
温度比较程序代码：
UcharADD,B,T,ad;
P3^1=1;
P3^0=1;
P0=0xff;
ADD=P0;
B=10*ADD/256;
T=20;
ad=ADD-T;
if（ad>=3）
{
P3^6=~P3~6;
}
else
{
if（ad==0）
{
P3^5=~P3^5;
}
else
{
P3^7=~P3^7;
}
}
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