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    新業防爆空調:空調工作原理及電路控制詳解

    發布日期:[2017-04-10 22:53:00]    共閱[]次

    新業防爆空調:近年來,我國空調器產業的發展十分迅猛,2000年我國空調行業的生產規模便已經發展到1800萬臺左右,2003年度我國家用空調器行業的總生產能力已超過4000萬臺,2004年度這一數據已經擴大到了5500萬臺。目前,中國的空調器產量已占世界總產量的3/5左右,中國已成為名副其實的空調器制造大國,也正在逐漸成為全球空調器生產基地。在過去的五年中,中國空調器行業的工業總產值和銷售收入都經歷了持續的增長,其中2001年度、2003年度和2004年度的增長尤為顯著。
    此外,近年來,百戶城市居民家庭的空調器擁有量每年都有顯著提高。空調擁有量在各地區差異較大。隨著國內市場的擴大, 中國的空調器出口也在連年迅速增長,空調器出口額占家電產品出口總額的份額也在不斷提高。2002年度、2003年度和2004年度我國空調產品的出口保持了十分強勁的增長勢頭,其中2003年度國內空調企業的出口額首次突破千萬臺大關,超過了1400臺。2004年度國內空調器企業的出口量更是超過了2300萬臺,與國內銷量形成了齊頭并進的格局。這篇文章的主要目的是希望能夠大力推動SPMC65系列芯片的應用,并根據國家標準驗證其性能,走進國內各家電生產廠家。
    1 空調工作原理
    (1)制冷原理

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    圖 1-1空調制冷原理
    空調制冷原理如圖 1?1所示,空調工作時,制冷系統內的低壓、低溫制冷劑蒸汽被壓縮機吸入,經壓縮為高壓、高溫的過熱蒸汽后排至冷凝器;同時室外側風扇吸入的室外空氣流經冷凝器,帶走制冷劑放出的熱量,使高壓、高溫的制冷劑蒸汽凝結為高壓液體。高壓液體經過節流毛細管降壓降溫流入蒸發器,并在相應的低壓下蒸發,吸取周圍熱量;同時室內側風扇使室內空氣不斷進入蒸發器的肋片間進行熱交換,并將放熱后的變冷的氣體送向室內。如此,室內外空氣不斷循環流動,達到降低溫度的目的。
    (2)制熱原理

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    圖 1-2空調制熱原理
    空調熱泵制熱是利用制冷系統的壓縮冷凝熱來加熱室內空氣的,如圖 1?2所示。低壓、低溫制冷劑液體在蒸發器內蒸發吸熱,而高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器內放熱冷凝。熱泵制熱時通過四通閥來改變制冷劑的循環方向,使原來制冷工作時做為蒸發器的室內盤管變成制熱時的蒸發器,這樣制冷系統在室外吸熱,室內放熱,實現制熱的目的。
    2 功能介紹
    ◆ 制冷

    1) 設定溫度范圍:16℃~30℃,默認設定溫度為24℃。
    2) 具有防霜凍保護功能。 
    ◆ 除濕
    在除濕運轉模式下,設定溫度由遙控器決定,溫度設定范圍:16℃~30℃。控制器根據室內溫度和設定溫度的差值決定運轉模式。
    ◆ 制熱
    1) 設定溫度范圍:16℃~30℃。
    2) 具有防冷風功能。
    3) 具有化霜功能。
    4) 具有高溫保護功能。 
    ◆ 送風模式
    風速可在高、中、低檔之間轉換,不受設定溫度所控制。 
    ◆ 定時開/關機功能
    定時開/關機時間以10分鐘為最小單位進行設置,定時時間到達,空調啟動和停止工作。 
    ◆ 風門片工作情況
    1) 遙控器可設置風門片工作于連續方式或固定方式。
    2) 制冷、除濕、送風和自動擺風在150°與105°之間大約45°做周期擺動。
    3) 制熱擺風在90°與150°之間大約60°做周期擺動。 
    ◆ 健康運行
    可以在任何模式下,產生健康負離子,進行空氣殺菌。 
    ◆ 自動運行
    遙控器設定為自動運轉模式時,空調器根據室內溫度與設定溫度的差值,自動判定運轉模式。設定溫度默認為24℃。 
    ◆ 睡眠
    科學的溫度-睡眠曲線,自動調節室內溫度,保證用戶有一個非常舒適的睡眠。 
    ◆ 應急開關
    遙控器丟失或損壞時,可以使用應急開關進行開機、關機、制冷和制熱。
    3 系統總體方案介紹
      硬件組成框圖如圖 3?1所示。主要由CPU、信號檢測和控制部分組成。CPU首先接收遙控器發出的紅外信號,獲得命令參數,同時檢測環境變量(溫度、過流、電網斷電等),然后綜合分析,下達命令,控制空調各部件的正常工作。顯示面板可以顯示空調當前的工作狀態。

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    圖 3-1硬件組成框圖
    4 系統硬件設計
    4.1 空調電路原理
    硬件電路如圖 4?1所示。根據工作電壓的不同,整個系統可以分為三部分:微控系統、繼電器控制和強電控制,分別工作于DC5V、DC12V和AC220V。

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    圖 4-1系統電路原理圖
    4.2 芯片特性簡介
    SPMC65P2408A是由凌陽公司設計開發的8位工業級單片機,采用凌陽SPMC65內核,支持位操作指令。具有強大的定時/計數器、豐富的外部中斷源以及ADC、PWM、標準通訊接口等多種功能。適用于通用工控場合、計算機外圍控制和家電等。SPMC65P2408A有28管腳和32管腳兩種封裝,32管腳封裝多了UART功能。本設計選用28管腳封裝,如圖4-2所示。
    28管腳封裝芯片的具體特性如下:
    l 工作電壓:3.0V~5.5V 
    l 工作速度:8MHz
    l 工作溫度:-40℃~85 ℃ 
    l 超強抗干擾、抗靜電ESD保護能力
    l 8K byte ROM,256 byte RAM
    l 23個通用輸入輸出口
    l 強大的定時計數器:2個8位、2個16位具有Capture\Compare\PWM功能
    l 1個1Hz~62.5KHz的時基
    l 8通道10位精度的ADC(帶外部參考電壓)
    l 4個外部中斷,11個內部中斷
    l SPI串行通訊接口
    l 2種省電模式:Halt、Stop
    l 蜂鳴器輸出功能
    l 4.0V/2.5V可選低電壓復位功能
    l 可編程看門狗功能

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    圖 4-2 SPMC65P2408A*28P封裝 
    4.3 供電系統分析
    整個主控板上有三種電壓:AC220V、DC12V和DC5V。AC220V直接給壓縮機、室外風機、室內風機和負離子產生器供電;AC220V經過降壓,變為DC12V和DC5V,用于繼電器和微控系統供電。供電系統如圖4-3所示,AC220V先經過變壓器降壓,然后從插座J1輸入,經過整流橋進行全波整流,通過電容C2濾波,得到DC12V,再經過穩壓片7805穩壓,得到DC5V。圖中的采樣點ZDS用于過零點的檢測,二極管D1防止濾波電容C2 對采樣點ZDS的影響。

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    圖 4-3供電系統
    4.4 過零檢測電路
    過零檢測電路如圖4-4所示,用于檢測AC220V的過零點,在整流橋路中采樣全波整流信號,經過三極管及電阻電容組成整形電路,整形成脈沖波,可以觸發外部中斷,進行過零檢測。采樣點和整形后的信號如圖4-5所示。
    過零檢測的作用是為了控制光耦可控硅的觸發角,從而控制室內風機風速的大小。

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    4過零檢測電路

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    5采樣點和整形后的信號
    4.5 室內風機的控制
    圖4-6為內風機控制電路,U1為光耦可控硅,用于控制AC220V的導通時間,從而實現內風機風速的調節。U3的3腳為觸發腳,由三極管驅動。AC220V從管腳11輸入,管腳13輸出,具體導通時間受控于觸發角的觸發。
    室內風機風速具體控制方法:首先過零檢測電路檢測到AC220V的過零點,產生過零中斷;然后,在中斷處理子程序中,打開Timer的定時功能,比如定時4ms,4ms后由CPU產生一個觸發脈沖,經三極管驅動,從U3的3腳輸入,觸發U3的內部電路,從而使U3的管腳11和13的導通,AC220V給室內風機供電。這樣,通過定時器的定時長度的改變可以控制AC220V在每半個周期內的導通時間,從而控制室內風機的功率和轉速。

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    圖 4?6室內風機控制電路

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    4.6 室內風機風速檢測
    當室內風機工作時,速度傳感器將室內風機的轉速以正弦波的形式反饋回來,正弦波的頻率與風機轉速成特定的對應關系,見下表所示。正弦波經過三極管整形為方波,CPU采用外部中斷進行頻率檢測,從而實現對風速的測量。

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    風速 高 中 低 

    [風機 70 50 30
    頻率(Hz)
    圖 4-7室內風機風速檢測電路
    4.7 過流檢測電路
    采用電流互感器L1檢測火線上電流的變化情況。圖中 L1為電流互感器,輸出0~5mA的交流電。當電流突然增大時,電流互感器輸出電流也隨之增大,經過全橋整流、電流-電壓轉換、低通濾波,從COD端輸出直流電壓信號。CPU通過對COD端電壓的AD采集來感知AC220V電流的變化,當COD端的電壓過高時,CPU可以對電路采取保護措施。

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    圖 4-8過流檢測電路
    4.8 低電壓檢測電路
    采用電阻分壓原理,CPU利用AD采集對7805前端的12V電壓進行檢測。當電網掉電后,AD端會采集到7805前端的12V電壓的降低,由于7805輸出端電容的存在,所以即使12V電壓降低到6V,7805仍能提供5V電壓使CPU正常工作, 此時,CPU立即將空調當前的運行參數保存在AT24C01里面。 

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    圖 4-9低電壓檢測電路
    4.9 壓縮機、四通閥、外風機和負離子產生器(健康運行)的控制
    壓縮機、室外風機、四通閥和負離子產生器均由AC220V供電,所以通過繼電器控制AC220V的通斷便可以控制各個部分的運行。 
    R1為壓敏電阻,用于過壓保護。SI1為保險管。
    插座J2為AC220V輸出端,外接變壓器,將AC220V降壓,降壓后接到電源模塊,分別得到DC12V和DC5V。

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    圖 4-10壓縮機、四通閥和健康運行的控制電路
    4.10 驅動電路
    繼電器、峰鳴器和步進電機均由12V直流電壓控制,U4為驅動芯片。
    Neg-lonC控制負離子發生器的繼電器;
    ValveC控制四通閥的繼電器;
    ComprC控制壓縮機的繼電器;
    Buzzer控制峰鳴器;
    A、B、C、D為步進電機的四相。

    圖 4-11驅動電路
    4.11 斷電記憶
    采用U5(AT24C01)作為串行存儲芯片,保存電網斷電前空調的運行參數。該芯片只需兩根線控制:時鐘線SCL和數據線SDA/Ion,存儲器大小為128×8 byte。

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    圖 4-12斷電記憶電路
    5 系統軟件設計
    5.1 主流程
    主程序流程如圖 5?1所示,一個主循環時間為10ms,采用時基進行定時。
    首先等待10ms的到來,10ms來臨,進行遙控器信號的解碼,根據解碼得到的信息選擇空調的工作模式,然后進入該模式執行。



    圖 5-1 主流程圖 
    6 結語
    SPMC65系列芯片以優異的性能和豐富的資源適合于各個公控場合。本次以SPMC65P2408A為主控芯片開發的空調主控板,在沒有專門加EMC防治的情況下,經過EFT測試,其抗干擾能力達到國家最高級別±4KV。

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