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新业防爆空调:空调工作原理及电路控制详解

发布日期:[2017-04-10 22:53:00]    共阅[]次

新业防爆空调: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

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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

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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。

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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。

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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~5.5V 
l 工作速度:8MHz
l 工作温度:-40℃~85 ℃ 
l 超强抗干扰、抗静电ESD保护能力
l 8K byte ROM,256 byte RAM
l 23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
l 1个1Hz~62.5KHz的时基
l 8通道10位精度的ADC(带外部参考电压)
l 4个外部中断,11个内部中断
l SPI串行通讯接口
l 2种省电模式:Halt、Stop
l 蜂鸣器输出功能
l 4.0V/2.5V可选低电压复位功能
l 可编程看门狗功能

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图 4-2 SPMC65P2408A*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。

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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。

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4过零检测电路

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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。

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图 4?6室内风机控制电路

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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。

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风速 高 中 低 

[风机 70 50 30
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。

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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。 

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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。

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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128×8 byte。

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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。

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