專利名稱：變頻空調系統微電腦控制器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種變頻空調系統微電腦控制器，屬自動化控制技術領域。
傳統的變頻空調系統中，由于室內外機的兩片單片機距離較遠，如果用導線將兩片單片機的SCI直接相連，將會從該導線上引入電磁干擾信號，而且因兩根導線將不可避免地與市電的N和L線緊密并行，會為一些干擾(如工頻50Hz噪聲)的引入提供途徑，所以在通訊的方案中必須考慮隔離等方法來防止電磁干擾。
傳統空調系統室內機風扇電動機多采用抽頭單相交流電動機或PG電動機。抽頭單相交流電動機靠繼電器切換實現電動機變速，其設計簡單，成本很低，但交流電動機體積較大，運轉時噪聲較大，電動機效率低，風速切換時繼電器吸合噪聲較大。
本發明的目的是設計一種變頻空調系統微電腦控制器，使被控空調系統的容量變化范圍寬、噪聲低、振動小，實現了變頻空調系統的高效節能和室內環境的舒適性控制。
本發明設計的變頻空調系統微電腦控制器，由室外機控制部分、室內機控制部分和液晶遙控器三部分組成，室外機控制部分包括單片機、電流互感器、溫度傳感器、變頻壓縮機、整流及功率模塊和電機，室內機控制部分包括單片機、溫度傳感器、遙控接收電源和通信電路。室外機控制部分還包括融霜電磁閥，室外機控制部分還包括直流無刷電機。室內機控制部分與室外機控制部分為電流環通訊，室內控制部分單片機+5V電源與室外機控制部分單片機+5V電源隔離，電流環電源由R130、VD110、D101、C123組成。電流環與室內室外兩單片機供電系統隔離由PC201、PC202、PC101、PC102光電藕合器組成。室外機控制部分的電源由室內機控制部分的單片機控制，控制電路包括單片機IC201、驅動器IC203和功能繼電器K201。
本發明設計的空調控制器中，遙控器包括單片機IC1、液晶顯示器、操作鍵盤、功放及紅外發射、室內溫度傳感器TH401和電池電壓檢測電路，溫度傳感器TH401與單片機IC1、分壓電阻R403組成室內測溫電路，電池電壓檢測電路包括單片機IC1、穩壓二極管Z和分壓電阻R401。
本發明設計的變頻空調系統微電腦控制器，室內機、室外機之間采用了電流環光藕隔離的強電通訊方式，消除了電磁干擾對通訊的影響。節省了一只相對成本很高的工頻變壓器和整流濾波元件，同時使室內、外機之間的兩根通訊線減少為一根。本發明的室內機中采用無位置傳感器直流無刷電動機控制技術后，可充分利直流無刷電動機的調速范圍寬且無位置傳感器和不易損壞的優點，實現了空調系統室內機風機的無級變速、低噪聲、高效率運行，其控制精度和可靠性得到大幅度提高。
圖1是本發明的結構原理圖。
圖2是室外機控制部分電路框圖。
圖3是室外機控制部分電路圖。
圖4是室內機控制部分電路框圖。
圖5是室內機控制部分電路圖。
圖6是室內機控制部分對室外機電源控制的電路圖。
圖7是室內控制部分與室外控制部分通訊電路圖。
圖8是遙控器測溫電路圖。
圖9是遙控器電池電壓檢測電路圖。
下面詳細介紹本發明的內容。
如圖1所示，本發明設計的變頻空調系統微電腦控制器，由室外機控制部分、室內機控制部分和液晶遙控器三部分組成，室外機控制部分包括單片機(IC101)、電流互感器(A)、溫度傳感器、變頻壓縮機、整流及功率模塊和電機，室內機控制部分包括單片機(IC102)、溫度傳感器、遙控接收電源和通信電路。室外機控制部分還包括融霜電磁閥，室外機控制部分還包括直流無刷電機。室內機控制部分與室外機控制部分為電流環通訊，室內控制部分單片機+5V電源與室外機控制部分單片機+5V電源隔離，電流環電源由R130、VD110、D101、C123組成。電流環與室內室外兩單片機供電系統隔離由PC201、PC202、PC101、PC102光電藕合器組成。室外機控制部分的電源由室內機控制部分的單片機控制，控制電路包括單片機IC201、驅動器IC203和功能繼電器K201。
室外機控制電路框圖如圖2所示，室外機控制部分由單片機(IC101)、電流互感器(A)、溫度傳感器、電源部分(B、D)、通訊電路(C)、E2PROM(E)、繼電器等組成。
AC220V由CN1、CN2輸入經整流橋G整流后，電解電容C2濾波后，連接到智能功率模塊IPM(F)上。另外還連接到電源部分(B)的輸入上。IPM(F)的輸出連接三相變頻壓縮機的U、V、W端子上。
從圖2中可以看出，整塊室外機板的核心為單片機(IC101)，它的輸入量有以下幾個①電流互感器A傳來的電流信號；②三支溫度傳感器輸入量(T1,T2,T3)；③片外數據存儲器E2PROM(E)的數據讀入信號；④通訊電路(C)的信號接收。輸出量有以下幾個繼電器，K1-K5,E2PROM寫入信號，通訊發送信號，IPM驅動信號。K1為啟動電阻切換繼電器。當首次上電時，電容C2未充電，充電初始電容相當于短路，電流很大，如不加以限制會損壞C2和其他元件。所以加入R1限制啟動電流。正常工作開始后，單片機通過閉合K1把R1切換掉。K2為融霜電磁閥開關，K3為四通閥開關。K4、K5為室外風機開關。單片機根據環境及自身系統狀況決定電磁閥開關及風機轉速切換。壓縮機的轉速是由IPM(F)輸出的波形頻率決定的。而IPM輸出的波形頻率是由單片機輸出的驅動控制信號決定。IPM的驅動電源由B提供，單片機的+5V電源由5V電壓調整器D提供，C1,L3為諧波校正器。
電路圖3中CN10、CN11接AC220V,DC+、DC-接IPM(F)，插座XS101接融霜電磁閥，XS102接四通閥，XS103接室外風機，XS104接風機啟動電容，XS110接IPM驅動輸入，XS107接壓機溫度傳感器，XS108接室外溫度傳感器，XS109接室外盤管傳感器。室外機的電流部分B控制電路采用集成電源管理器STR-D1706。控制方式采用RCC方式。用高頻變壓器T102實現多繞組輸出及隔離。5V電壓調整器D采用集成三端穩壓電路SI-3051N。E2PROM(E)選用ATMEL公司的93C46。系統的參數及一些信息可由單片機方便的寫入和讀取。由于IPM與單片機之間電氣上需隔離，所以電路中采用TOSHIBA的光藕TLP521-1接于單片機與XS110間。另外板上的繼電器及指示燈的驅動采用MOTOROLA驅動芯片MC1413(IC102)。
室內機控制電路框圖和電路圖分別如圖4和圖5所示，室內機控制部分由單片機(IC201)，遙控接收電路A，通訊電路EEPROM電路C，室內風機驅動接口D(XS208)、狀態指示EED(L4～L7)，溫度傳感器接口FXS210，功率繼電器接口G(XS202)蜂鳴器BZ以及風門頁片步進電機接口XS203,XS204,XS205組成。單片機及外圍電路所需電源由電源板經XS208接口連接到室內控制板，電源板還為室內直流風機供電。
單片機通過紅外接收部分A接收遙控器傳來的命令信號，讀取E2PROM(C)中數據，確認上次開機時無嚴重故障(非關機取消故障)而且工況命令信號需室外機上電(“送風”工況不需室外機上電)時，單片機通過驅動電路IC203以及接口XS202吸合繼電器K201給室外機上電。上電后，室內室外機進行通訊，室外機向室內機發送狀態信息，室內機根據室內溫度狀態綜合判定后，再向室外發送允許室外機工作信號。同時，室內單片機(IC201)還根據綜合狀況點亮L4～L7相應指示燈；通過XS208送出室內風機驅動信號使送風開始，并根據遙控器信號決定風速以及判斷出故障，將立即斷開室外機電源繼電器K201，并點亮相應LED指示燈提醒用戶。
本發明空調控制器中所用的室內機風扇采用無位置傳感器直流無刷電動機驅動。傳統空調系統室內機風扇電動機多采用抽頭單相交流電動機或PG電動機。抽頭單相交流電動機靠繼電器切換實現電動機變速，其設計簡單，成本很低，但交流電動機體積較大，運轉時噪聲較大，電動機效率低，風速切換時繼電器吸合噪聲較大；PG電動機是把單速交流電動機和速度傳感器結合到一體的交流電動機，可在有限的范圍內實現無級調速，但由于速度傳感器普遍采用光電耦合器或霍爾器件，在長時間運行后易發生速度傳感器失靈等故障，且在低速運行時容易發熱，電動機效率低。采用無位置傳感器直流無刷電動機控制技術后，可充分利直流無刷電動機的調速范圍寬且無位置傳感器和不易損壞的優點，實現了空調系統室內機風機的無級變速、低噪聲、高效率運行，其控制精度和可靠性得到大幅度提高。
本發明采用了室外機的電源由室內機主控芯片控制方法。實現電路如圖6所不，它由室內單片機IC201、驅動器IC203及功率繼電器K201組成。IC201中的一個I/O口置為輸出狀態，輸出控制繼電器吸合或斷開的信號。但該信號不足以推動功率繼電器，所以在單片機和繼電器之間又加上驅動極IC203,IC203可采用三極管或集成驅動芯片，繼電器根據單片機IC201的信號接通或斷開室外機的交流電源L線，從而達到室內機控制室外機電源的目的。由于室外機須經受常年變化無常的天氣環境，所以室外機易出現的故障率遠大于室內機，雙方的聯系通過單片機之間的通訊來實現，一旦室內機單片機接收到室外機傳來的嚴重故障信號，控制器將立即斷開室內機繼電器，切斷室外機電源，避免造成事故。另外，如室內機在送風模式下工作時，不需要向室外機供電，室內機將不吸合控制繼電器，避免室外機耗費不必要的電能。
室內、外機之間的通訊依靠兩片單片機進行串行通訊，由于室內外機的兩片單片機距離較遠，如果用導線將兩片單片機的SCI直接相連，將會從該導線上引入電磁干擾信號，而且因兩根導線將不可避免地與市電的N和L線緊密并行，會為一些干擾(如工頻50Hz噪聲)的引入提供途徑，所以在通訊的方案中必須考慮隔離等方法來防止電磁干擾。本發明采用了電流環光耦隔離的強電通訊方式，消除了電磁干擾對通訊的影響。此法與常規做法不同的是，采用市電直接降壓整流為電流環提供電源，使得可以省略一只相對成本很高的工頻變壓器和整流濾波元件，同時使室內、外機之間的兩根通訊線減少為一根。采用強電通訊的電路如圖7所示。室內機+5V電源系統與室外機+5V電源隔離。電流環電源由R130、VD110、D101、C123構成。電流環與室內室外兩單片機供電系統隔離由PC201、PC202,PC101,PC102光電藕和器完成。R221,R220,R132,R129,R131為限流電阻。220V室內經電阻R130降壓VD110整流C123濾波后變為直流，穩壓二極管ZD101的穩壓值可根據環路電流的需求大小來選擇。室內室外單片機通訊接口SCI的發送口分接光藕PC201和PC101的發光二極管，可控制環路通斷；SCI的接收口分別接PC202和PC102的光敏三極管端。由于PC202和PC102的發光二極管串接在電流環上。所以電流環的通斷信號可以傳遞給單片機的SCI接收口實現了電流環的通訊。
本發明在遙控器前緣設置室溫傳感器。在通常的空調系統中，都是以回風傳感器所檢測的溫度來代表房間的溫度，由于回風溫度大于室內溫度，用回風溫度代表室溫，不僅會使室溫低于設定室溫，而且會空調系統消耗更多的電能。本發明在遙控器前緣設置室溫傳感器，遙控器定時向室內機發出室溫信息，所以，空調系統所控制的室溫是室內空氣溫度，同時避免了不必要的能量損失。實現電路如圖8所示，由單片機IC1，溫度傳感器TH401和分壓電阻R403組成。A點通過傳感器TH401接V+，通過R403接GND并與單片機IC1的一路A/D輸入口相接。當室溫變化時，TH401的阻值相應變化，A點電位隨之變化，單片機A/D口采樣A點電壓VA，通過遙控器上的液晶顯示出相應室溫。
在本發明中，遙控器采用了低電壓檢測功能的設計。其電壓檢測電路如圖9所示。利用穩壓二極管Z的穩壓特性使A點的電位恒定(以V+作參考點)。單片機IC1的A/D的滿量程對應單片機的供電電壓及電池電壓。而A點的電位恒定。這樣當電池電壓發生變化時，將使(電位A/電池電壓)發生變化，而這一比值恰是A/D轉換的結果，軟件根據這一結果可計算出電池電壓。遙控器增加了一種新穎實用的功能，即電池低電壓檢測功能。隨著遙控器的正常使用，電池中的電量會逐漸減少，表現為電池電壓越來越低。當電池電量減少到不足以使單片機正常工作時會出現遙控距離變短。接收不靈敏或誤操作。此時遙控器外觀顯示正常，但已不能正常使用，應更換新電池。但一般遙控器在此狀態下無法提醒用戶更換電池。本設計中采用檢測電池電壓方法檢測電量，并通過液晶顯示提醒用戶。
權利要求
1.一種變頻空調系統微電腦控制器，由室外機控制部分、室內機控制部分和液晶遙控器三部分組成，室外機控制部分包括單片機、電流互感器、溫度傳感器、變頻壓縮機、整流及功率模塊和電機，室內機控制部分包括單片機、溫度傳感器、遙控接收電源和通信電路；其特征在于，室外機控制部分還包括融霜電磁閥，室外機控制部分還包括直流無刷電機；所述的室內機控制部分與室外機控制部分為電流環通訊，室內控制部分單片機+5V電源與室外機控制部分單片機+5V電源隔離，電流環電源由R130、VD110、D101、C123組成，電流環與室內室外兩單片機供電系統隔離由PC201、PC202、PC101、PC102光電藕合器組成；所述的室外機控制部分的電源由室內機控制部分的單片機控制，控制電路包括單片機IC201、驅動器IC203和功能繼電器K201。
2.如權利要求1所述的空調控制器，其中的遙控器包括單片機IC1、液晶顯示器、操作鍵盤、功放及紅外發射，其特征在于還包括室內溫度傳感器TH401和電池電壓檢測電路；所述的溫度傳感器TH401與單片機IC1、分壓電阻R403組成室內測溫電路；所述的電池電壓檢測電路包括單片機IC1、穩壓二極管Z和分壓電阻R401。
全文摘要
本發明涉及一種變頻空調系統微電腦控制器,該控制器由室內機控制部分、室外機控制部分和遙控器組成。其中的室外機控制部分加入了融霜電磁閥,室內風扇采用無位置傳感器直流無刷電動機驅動;室內控制和室外控制之間采用電流環光耦隔離強電通訊方式;室外機的電源由室內機主控芯片進行控制;所用的遙控器上設置了室內溫度傳感器和低電壓檢測電路。本發明設計空調控制器,實現了變頻空調系統的高效節能和室內環境舒適性控制。
文檔編號F24F11/02GK1213062SQ98120150
公開日1999年4月7日 申請日期1998年10月23日 優先權日1998年10月23日
發明者滿偉, 劉耀輝, 石文星, 張樹波, 高慧, 趙啟亮, 劉勇, 張崴, 彥啟森, 江憶, 梁強威 申請人:清華同方股份有限公司