变频空调室外系统的综合研究设计毕业论文.doc

摘 要变频空调由于性能优异、节省能源等特点，逐渐成为各大空调生产企业的发展方向，变频技术也日渐得到各个厂家的重视。变频空调的优点在于高效节能，起动电流小，工作噪音低，温度控制精度高，能够创造更舒适的房间温控环境。同时，采用无刷直流电机作为压缩机，能效比高，使用寿命大大延长。本设计从硬件软件两方面着手进行变频空调室外系统的综合研究设计，提出了性能指标和功率指标，规划了空调系统下位机的整体框架。空调室外控制系统室外机控制器选用智能功率模块和单片机组成整个系统，用智能功率模块IPM（三菱PM20CT060）替换分立元件搭成的逆变桥，由CPU独立控制压缩机运行、温度采样、电室外机风机转动、四通阀驱动、电压电流采样保护电路使空调室外控制系统结构简洁、高效、可靠性高。 室外机系统以Microchip公司的中档8位单片机PIC16F877为核心，结合硬件的特点设计而成。使用PIC16F877利用单片机的A/D转换模块功能，实现了室外冷凝管温度和压缩机温度的采集。室内机与室外机采用半双工异步通讯，使用RS-485保证了室内、外机通讯的准确性。 关键词：变频空调；PIC16F877；PM20CT060；通讯Abstract Because of the excellent performance and the energy saving，the inverter air- condition becomes the main leading product of most air-condition manufacturer. The inverter technology is more and more valuable for each factory. The advantage of inverter air-condition lies on the high efficiency, high precision of temperature control, low startup current and low noise. Furthermore, using brushless DC motor as the compressor can get high efficiency and long life span.The paper takes hardware design and software design into account to make the control system of the outdoor unit the inverter air-condition. In this Paper works out its own feature index and efficiency index, and also design the whole scheme of the air-condition system of the outdoor unit.The controller of the outdoor control system is made up of IPM and microcomputer. In the system , IPM works as the inverter. CPU of the outdoor unit independently controls the work of the compressor, the temperature sampling circuit , the timing of outdoor fan, driver of 4-way valve, the voltage and current sampling circuit, the communication between the indoor unit and the outdoor unit ,and so on. During the experiments, the compressor works smoothly, and has a wide speed span.In the design of indoor-system, we use PIC16F877 which is produced by Microchip company as its core. It is developed in terms of the characters of both the hardware and the software involved. We also carry out the collection of temperature with the MCUs A/D conversion module. The indoor unit and the outdoor unit use half-duplex asynchronous communication, use the RS-485 esure that the Interior, the accuracy of external communication. Key Words：inverter air-condition ；PIC16F877 ；PM20CT060 ；communicati目录第1章 绪论11.1毕业设计选题的背景11.2变频空调国内外现状及发展趋势21.3内容分析61.4设计实现的主要功能6第2章 设计内容及技术指标72.1 设计的主要内容72.2主要技术指标7第3章 系统设计83.1方案的提出83.2变频空调基本原理和结构83.3 设计原理103.4方案的选择12第4章 系统的硬件设计134.1 变频空调室外系统（下位机）的概述134.2 系统单片机选择154.2.1 PIC18F4550单片机154.2.2 PIC16F877单片机164.3 单片机三要素电路设计194.3.1 PIC16F877的电源设计194.3.2 PIC16F877的复位204.3.3 时钟振荡电路214.4 输入电路224.4.1 温度采集电路224.4.2 电压检测电路264.4.3 电流检测电路294.5 输出电路314.5.1 模块驱动电路314.5.2 室外风机与四通阀驱动电路374.6 室外机开关电源电路384.6.1 交流输入电路和直流300V电压形成电路384.6.2 室外机开关电源电路394.7 通讯电路434.7.1 RS485芯片介绍434.7.2 光电隔离45第5章 软件设计465.1 主程序设计465.2 温度采集程序设计465.3 通讯程序设计465.4 室外机风机与四通阀驱动505.5 PWM中断服务程序51总结52参考文献53外文翻译54致谢83程序清单84第1章 绪论1.1毕业设计选题的背景近几年，随着人民生活水平的逐步提高，居住条件也越来越宽敞；另一方面，环境保护运动的蓬勃发展，也要求进一步提高制冷和空调系统的利用率。制冷空调设备的低效率用电是增加大气温室效应的间接因素；此外，人们对舒适的生活品质与环境越来越重视，要求也越来越高，不仅对室内温、湿度提出了较高的要求，也希望室内环境趋于自然环境。并且，节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，也是当前极为紧迫的一项任务。为了顺应国家政策的号召，推动社会开展节能降耗，缓解能源瓶颈制约，建设节能型社会，促进经济社会可持续发展，需大力推广变频节能技术。作为变频技术的应用产品，变频空调也逐步走入人们的视线。我国变频空调器起步于1994年左右，到现在有十多年的历史，但发展速度仍比较缓慢。2004年4月17日中国国务院发展研究中心在京召开了题为“变频中国空调行业的新动力”的新闻发布会，强调变频空调是当前的发展方向。国内空调业正处在一个从发展到成熟的转变时期。变频空调可以实现节能和舒适这两个要求，因此变频技术是在家用电器中实现技术革新的重要途径，在未来的发展中将扮演越来越重要的角色。中国变频空调器正朝着有交流变频向直流变频转变的时期，随着能效标准的出台，直流变频空调将会有更大的发展。变频空调按运行频率可分为四代:第一代指运行频率从50赫兹到100赫兹；第二代指运行频率从30赫兹到100赫兹；第三代指运行频率从15赫兹到120赫兹；第四代指运行频率从10赫兹到130赫兹。在这四代变频空调技术中,业界将第一代称为“假变频”,与普通的定频空调没有实质性差别；第二代基本上是采用国外企业卖给中国的过时变频技术,低速性能差,运行频率最低才能达到30赫兹,低于30赫兹运行就会停机,室内温度波动大,节能效果也并不显著；第三代为目前行业内最先进的变频技术,运行稳定,控温精准,舒适性高,节能效果强,为少数日系企业掌握。第四代变频技术在全球都仍处于研发阶段。据全国冷冻空调设备标准化技术委员会委员、清华大学教授石文星介绍,当前国内市场流通的直流变频空调大多为第二代变频,其运行频率基本只能维持在30赫兹到100赫兹。国内唯一掌握第三代变频核心技术的企业是格力,它的“GMatrik”变频技术能够保证15赫兹稳定运行,大大提高了变频空调的节能性、舒适性和可靠性,达到了国际先进水平。2009年2月,“变频之父”美誉的日本大金与格力电器签约合作,共同研发第四代变频技术,使空调压缩机可以在10赫兹甚至更低的频率下成功运转。而这两家世界上最大的空调专业化企业的强强联手,有望推进变频技术在全球空调行业的普及和发展。1.2变频空调国内外现状及发展趋势1.2.1变频技术通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶闸管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广泛应用。VVVF变频器的控制相对简单，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，因此人们又研究出矢量控制变频调速。矢量控制变频调速的做法是：将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流、 (相当于直流电动机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流回路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。20世纪70年代，家用电器开始逐步变频化，出现了电磁烹任器、变频照明器具、变频空调器、变频微波炉、变频电冰箱、IH(感应加热)饭堡、变频洗衣机等。20世纪90年代后半期，家用电器则依托变频技术，主要瞄准高功能和省电。比如，要求具有高速高出力、控制性能好、小型轻量、大容量、高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等优点。首先是电冰箱，由于它处于全天工作，采用变频制冷后，压缩机始终处在低速运行状态，可以彻底消除因压缩机起动引起的噪声，节能效果更加明显。其次，空调器使用变频后，扩大了压缩机的工作范围，不需要压缩机在断续状态下运行就可实现冷、暖控制，达到降低电力消耗，消除由于温度变动而引起的不适感。近年来，新式的空调器已采用无刷直流电动机实现变频调速，其节能效果较交流异步电动机变频又提高约1015。为了进一步提高装置的效能，近年来，日本的空调器又逐步从单纯的PWM控制改为PWM+PAM混合控制方式。即较低速时采用PWM控制，保持Uf为一定；当转速大于一定值时，将调制度固定在最大值附近，通过改变直流斩波器的导通占空比，提高逆变器输入直流电压值，从而保持变频器输出电压和转速成比例，这一区域称为PAM区。采用混合控制方式后，变频器的输入功率因数、电机效率、装置综合效率都比单独PWM控制时有较大幅度的提高。近年来，新式的变频冷藏库不但耗电量减少、实现静音化，而且利用高速运行能实现大幅度时快速冷冻；在洗衣机方面，过去使用变频实现可变速控制，提高洗净性能，新流行的洗衣机除了节能和静音化外，还在确保衣物柔和洗涤等方面推出新的控制内容；电磁烹饪器利用高频感应加热使锅子直接发热，没有燃气和电加热的炽热部分，因此不但安全，还大幅度提高加热效率，其工作频率高于听觉之上，从而消除了饭锅振动引起的噪声；电饭堡得到的火力比电加热器更强，而且利用变频可以进行火力微调，只要合理设计加热感应线圈，可得到任意的加热布局，炊饭性能上了一个档次；变频微波炉利用高频电能给磁控管必要的升压驱动，电源结构小，炉内空间更宽敞，新式微波炉能任意调节电力，并根据不同食品选择最佳加热方式，缩短时间，降低电耗；照明方面，荧光灯使用高频照明，可提高发光效率，实现节能，无闪烁，易调光，频率任意可调，镇流器小型轻量。变频技术正在给形形色色的家电带来新的革命，并将给用户带来更大的福音。今后变频技术还将随着电力电子器件、新型电力变换拓扑电路、滤波及屏蔽技术的进步而发展。1.2.2变频空调技术的起源及其特点（1）变频空调器作为节能产品以其高技术、高性能而逐渐得到空调行业及用户的关注。到2007年，变频空调器以占日本市场的99%以上。在欧美等发达国家，变频空调的普及率也在70%以上。（2）“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。“变频空调”是可根据环境温度，通过变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢调节制冷量，从而达到控制室温的目的。变频空调器还有直流和交流之分。交流变频是通过改变压缩机输入电流的频率以达到改变压缩机转速来调节制冷剂流量，从而改变空调的制冷（热）量，相应地，电能消耗也随之改变。而直流变频其实不是变频，而是通过改变压缩机的直流无刷电机的输入电压来达到改变压缩机转速的目的，器频率并不改变，但习惯上称之为变频机。（3）“变频空调”与传统空调相比，具有快速制冷（热）、节能、温度控制精确、电压适应范围宽等优点。（4）自1997年中国第一台变频空调问世，尽管变频技术带动了国产空调的升级换代，然而，目前国内变频空调的市场占有率也仅有10%左右。就变频技术而言，交流变频已经逐渐淡出市场，先进的正弦波直流变频技术，DSP（数字信号处理器）变频控温技术与AVPWM（空间矢量脉冲宽度调节）控制技术等技术逐渐成为主流。1.2.3变频空调技术的现状（1）变频空调技术的发展阶段1）按变频压缩机采用的控制方式来划分，变频空调经过了交流变频空调和直流变频空调到全直流数字变频空调再到数码涡旋变频空调等四个过程。2）变频空调的发展按压缩机的自身结构演变来划分，经历了“单转子变频”、“双转子变频”、“全直流数字变频”以及“数码涡旋变频”等四个阶段。3）在电气控制技术方面，主要分为如下三个阶段a.传统的交流变频空调的变频模块采用PWM（脉冲宽度控制）调制方法。PWM技术是按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。通过三极管的通断，给压缩机三相线圈同时通电。采用的等宽度PWM变频器，虽然具有扭矩大、灵敏度高的特点，但输出电压能力不足，制约了压缩机的最高转速。b.PAM调制方式在空调器上的应用。PAM是英文Pulse Amplitude Modulation（脉冲幅度调制）缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度以调节输出量值和波形的调制方式。直流变频压缩机为保持电机转矩不变，必须使为常数，转速提高时，压缩机输入电压应按比例上升。PAM调制方式能在相同电网输入电压的情况下，获得较高的逆变器输出电压，因此在压缩机低速范围内沿用等宽度PWM调制方式，而在高速范围内采用PAM高效、低噪的混合调制方式。目前家用直流变频空调主要采用单PAM、单PWM以及PAM加PWM这三种变频方式。c.现在，越来越多直流变频空调采用用于电机调速的DSP数字信号处理技术。诸多全直流数字变频空调就是采用了DSP变频控温技术与先进的AVPWM控制技术，在全面提升整机控制反应速度与功率因素的基础上，精确控制温度波动的大小，另外室外机采用了电压补偿，使系统能在150250V的超宽电压和-15至60的超宽温度范围内正常运行，适应能力强。（2）最新的变频空调技术综上所述，目前最新的变频空调技术为数字直流变频空调技术，它采用直流无刷电机压缩机，具有显著的节能、低噪音和优良的调速性能的特点。它采用的是数字处理的传感器。传感器是环境温度与空调温控系统对话的窗口，将代表真实环境的模拟信号转换成数字信号，并进行处理，精确地控制压缩机和风机的转速，可使温控精确到±0.5范围内，使室内温度始终处于一种近似恒温状态。它的室外风扇电机也是直流数字电机，即采用数字脉冲控制的、转速非常精确的电机，在转动和改变转速期间能够实现减速加速，可以保证风机以最佳方式平稳安静地运转。同时避免了交流电机引起的交流噪音，大大降低了它的噪声级。它采用的节流装置用电子膨胀阀节流技术代替毛细管。在制冷剂方面，变频空调由传统的氟利昂制冷剂R22向环保制冷剂R410a转换。1.2.4变频空调技术的不足和发展趋势随着经济和技术的发展，以及对节能和环保要求的不断提高，变频空调代替传统的定频空调是不可逆转的趋势。变频空调技术的发展趋势可以从以下几个方面体现出来：（1）控制技术随着技术的进步变频空调的控制将向智能化、集成化、可靠化的方向发展，而其控制的核心芯片也将越来越先进。目前，变频空调均采用DSP控制技术，大大提高了整机的控制性能。尽管直流变频空调具有许多优越性，但需要高品质的速度检测器和复杂的闭环控制系统，使其发展受到了一定限制。基于此，可采用无速度传感器矢量控制或直接转矩控制技术可以得到更好的性价比。如果将神经网络和模糊控制结合起来的模糊神经网络或神经网络模糊控制来实现直接转矩控制可能意义更大。用DSP或CPU实现DTC系统的全数字化也是一个重要的发展方向。（2）制冷剂现在家用变频空调普遍采用R22作为制冷剂，技术力量比较强的企业逐步采用R407C或R410A来代替R22。R410A与HCFC-22的各性能差异较大，压力和制冷量均比HCFC-22大。因此，用R410A替代R22时，必须对压缩机结构进行重新设计、材料应选择强度较高的耐磨材料，空调系统也有较大改动，才能满足R410a的制冷剂特性。由于R410A等HFC制冷剂分子中不含有亲油性基氟原子的氢氟化碳构成的物质，因此，它不能与以往使用的矿物质油亲和，容易产生沉淀堵塞毛细管。所以，要保证冷冻机油与制冷剂良好的相容性，人们大多采用PEO油或AB油。这些都意味着再用R410A制冷系统来替代R22制冷系统还有很长的路要走。（3）标准的制定制定全国通用的规范的变频标准将是大势所趋。（4）网络化变频空调网络控制技术主要是利用Internet的接口，通过电话线或光缆来传输控制信号，同时在变频空调器上安装信号接收器、信号传输器，将传输的控制信号接收，转变为操作信号来指导变频空调的操作，同时变频空调控制器信号又通过Internet显示控制信号，从而达到对其进行远程控制、远程故障诊断和控制软件升级等功能。一些新型变频空调产品开始预留网络接口，实现网络开放。通过选配的网络控制器可实现千里之外的网络遥控。1.3内容分析本设计的目标是:基于PIC单片机设计变频空调的室外智能变频控制系统，实现硬件电路的设计和控制系统的软件设计；采用先进的SPWM实现对空调压缩机的变频控制；采用RS-485总线方式实现室内、室外机之间的通讯。1.4设计实现的主要功能 （1）控制系统由上位机和下位机两部分组成；下位机实现室外温度（包括冷凝器温度和压缩机温度）信号的采集、压缩机运行控制、换向阀的控制、室外风扇的控制、与上位机的通讯等功能； （2）逆变电路采用智能功率模块IPM； （3）上位机和下位机的通讯采用RS-485总线方式；（4）压缩机驱动采用SPWM控制方式。第2章 设计内容及技术指标2.1 设计的主要内容采用单片机，设计一套变频空调控制系统，该系统由上位机和下位机两部分构成；本设计为系统的下位机部分。 本设计需与另一位同学共同完成系统设计。 根据系统对下位机的要求，从单片机中选择恰当的一款作为下位机。 完成下位机设计包括硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括室外控制单元、室外温度检测电路、室外风扇电机控制电路、主电路、阀控制电路、RS-485通信电路等，软件部分包括控制算法、流程图、程序编写与调试等。2.2主要技术指标（1）电源：220V/50Hz； （2）电压波动范围为：160V-260V； （3）室内温度控制精度范围±3； （4）压缩机运转频率范围为30Hz-100Hz，启动频率为20Hz； （5）空调使用温度条件：15-45，压缩机的功率为2KW。第3章 系统设计3.1方案的提出随着近年来我国人民生活水平的提高，空调越来越多的进入到普通家庭。我国已成为世界上的空调生产和消费大国。与变频空调相比，定速空调存在高能耗，低效，温度波动大，舒适感较差等缺点，因此，变频空调一经推出，就引起了政府、厂家和用户的关注。目前我国的空调市场上已经出现了一些变频空调，为减小房间温度的波动，使人感觉到舒适，同时又能节点，提高用电效率，而且使空调的控制功能强，控制设计人性化，这就为空调器的设计提出了更高的要求，本设计就是在此背景下提出的。我们将从空调的基本原理入逐步了解和深入，在此基础上提出我们合理的设计方案。3.2变频空调基本原理和结构空调器可以分为室内机和室外机两个部分。室内机由蒸发器、室内控制器、室内风机、步进电机等组成；室外机由压缩机、冷凝器、四通阀、除霜电磁阀、毛细管组、过滤器和室外控制器等组成。变频空调的基本结构如图3.1所示。其运行模式为：房间空调的室内部分装备有室温传感器，并把设定温度及运行状况等信息送给室外部分，室外部分通过分析此信息，了解温差及室温变化的时间等内容然后运算并指定压缩机电动机的频率。如果初始运行时室温与设定温度温差较大，则采取高频率运行模式；当温差变小时，则转向低频模式。如果室温急剧变化，则控制频率使其大幅变化，反之，使频率小范围变化，控制压缩机输出平衡冷暖气负载，以最短时间使室温达到希望值。空调器的制冷原理框图如图3.2所示。室内机和室外机通过制冷机连接管（物流）和供电通讯电缆（信号流）连接。空调器通电后，制冷系统内制冷剂的低压蒸汽被压缩机吸入并压缩为高压蒸汽后排至冷凝器。同时轴流风扇吸入的室外空气流经冷凝器，带走制冷剂放出的热量，使高压制冷剂蒸汽结为高压液体。高压液体经过过滤器、节流毛细管降压降温后喷入蒸发器，并在相应的低压下蒸发，吸取周围的热量。同时贯流风扇使空气不断进入蒸发器的肋片间进行热交换，并将放热后变冷的空气送向室内。如此，室内空气不断循环流动，达到降低温度的目的。空调室内机的微处理器接受遥控器的信息，判定运行的状态，并且调整室内风机的转速和风门叶片的角度，同时根据室内的温度和设定的温度计算出压缩机的转速等相关信息，通过室内外机间的通讯线，传送给室外机。室外机的微处理器根据室内机发送来的数据信息，调节压缩机转速，室外风机转速等，并且把当前运行状态信息回传给室内机，从而完成系统的设定功能。众所周知，我国的电网电压为220V、50Hz，在这种条件下工作的空调称之为“定频空调”。由于供电频率不能改变，传统的“定频空调”压缩机的转速基本图3.1 变频空调整机结构方框图不变，依靠不断地“开、停”压缩机来调整室内温度，其一开一停之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。而与之相比，“变频空调”的变频器可以改变压缩机供电频率，调节压缩机转速。依靠压缩机转速的快慢达到控制室温的目的，空调制热的机理是令制冷机的流向发生改变，使其在室内冷凝放热，在室外蒸发吸热。室内机和室外机通过制冷机连接管（物流）和供电通讯电缆（信号流）连接，四通阀的导通方向决定了制冷剂的流动方向。空调室内机的微处理器接受遥控器的信息，判定运行的状态，并且调整室内风机的转速和风门叶片的角度，同时根据室内的温度和设定的温度计算出压缩机的转速等相关信息，通过室内外机间的通讯线，传送给室外机。室外机的微处理器根据室内机发送来的数据信息，调节压缩机转速，室外风机转速等，并且把当前运行状态信息回传给室内机，从而完成系统的设定功能。图3.2 制冷原理框图3.3 设计原理本设计中控制的核心部分是PIC系列单片机，控制的对象就是空调。首先，就单片机为什么能作为主控制器芯片来进行控制给以阐述，再次将对空调器的原理加以描述，结合单片机的控制，变频空调又是怎么工作的加以理解。3.3.1 PIC单片机的概述由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，率先采用了RISC结构的潜入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP和Flash技术等都体现出单片机产业的新趋势。目前PIC系列单片机在世界单片机市场的份额排名中已逐年升位，尤其在8位单片机市场，已从1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC单片机从覆盖市场出发，已有3种（又称三层次）系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到PIC单片机在电脑的外设、家电控制、电子通讯、智能仪器、汽车电子、金融电子、各个领域的广泛应用。现在的PIC单片机产品已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。PIC的8位单片机产品共有基本级、中档级和高档级3个系列。（1）基本系列。该产品的特点是低价位，如PIC10F和PIC12F系列，适用于各种对成本要求严格的家电产品选用。又如，PIC10F系列单片机是世界第一个8脚的低价位单片机，因其体积小，完全可以应用在以前不能使用单片机的家电产品中。（2）中档级系列。该级产品是PIC最丰富的品种系列，它在基本级产品上进行了改进，并保持了很高的兼容性。其外部结构也是多样的，具有从8位引脚到68位引脚的各种封装，如PIC16F87XA。该级产品的性能很高，如内部带有A/D转换器、EEPROM非易失性数据存储器、模拟比较器模块、PWM模块、C和SPI等接口模块。PIC中级系列产品适用于各种高、中、低档的电子产品设计。（3）高档级系列。该系列产品如PIC18F系列，其特点是速度快，所以适用于高速数字运算的应用场合中，加之它具备一个指令周期内（15ns）可以完成8×8（位）二进制乘法的运算能力，所以可以取代某些DSP产品。此外，PIC18FXXX还具有丰富的I/O控制功能，并可外接扩展EPROM和RAM，使其成为目前8位单片机中性能最高的机种之一。因此，很适用于在高档、中档的电子设备中使用。3.3.2 PIC单片机的优点PIC系列单片机除了具有一般单片机所具有的实用、低价、低功耗、高速度、体积小、功能强等特点之外，还具有品种多、指令集小、简单易学等特点。它的品种达近百种，用户可根据需要选择不同的档次和不同功能的芯片。通常无需外扩展程序存储器、数据存储器、A/D、CAN、USB、以太网模块等，真正体现了单片机的“单片”特性。PIC系列单片机还具有很多特点，且容易学习，因此如果能很好地利用其各种特性，可以设计出许多在电路合理性、成本控制、性能指标各方面都很优秀的产品。与其他单片机相比，它还具有如下特点。（1）品种多，选择余地大。PIC系列单片机有近百种可供选择，从18100脚，最高时钟频率为464Hz，程序存储器容量从几KB到一百多KB。（2）高速度，PIC系列单片机的内核吞吐率最高可达16MIPS(Million Instruction PerSecond)，每条指令最快可达51ns。因此，特别适合对于时间要求苛刻的实时应用。（3）用户可选择振荡器多。PIC系列单片机内核的振荡器内部集成有高精度的RC振荡器，频率从32kHz16MHz共有8个档位可供选择，同时支持外部的晶振荡器（464MHz）、陶瓷振荡器、外部RC振荡器等。此外，内部还集成有4倍频的PLL锁相环技术，用户只需要低频的振荡器就可以让内核工作于4倍于振荡器的时钟上，从而提高了系统的抗电磁干扰。（4）指令少，易学易用。PIC系列单片机内核是采用精简指令（RISC），指令集比CISC内核机要少的多，总共只有75条。（5）低功耗。PIC系列单片机内核采用全静态CMOS工艺设计，电源操作能耗低。可以用软件在必要的时候降低主频频率，大幅降低功耗，并可在程序不运行时进入休眠状态，CPU不执行运算，只维持RAM的供电，所需要的电流极小。（6）程序代码加密保护，具有较强的保密性能。（7）I/O口功能强大。I/O口除了具有基本的输入/输出功能外，还具有其他模块的功能，通过软件配置，每个I/O引脚都可以对输入/输出分别分时进行多路复用。（8）驱动能力强。数据输入允许有25mA的灌电流，输出允许也有25mA的拉电流，可以直接驱动发光二极管。3.4方案的选择 计方案的方案是根据设计任务的要求，在满足设计要求和目的的前提条件下，利用最有价值的电路和控制方法完成设计的要求。本次设计的变频空调由任务书可以知由上位机和下位机两部分组成，各完成自己的控制功能和控制算法。在进行设计方案的设计之前我们除了，前面了解设计的原理等外，还要很明确地知道设计的要求、目的和设计的设备要实现的功能。 作为室内单元（下位机）的设计，根据设计任务书的要求我们可以看出，需要设计的模块有：检测室外冷凝器温度和室外压缩机温度；检测电压电流是否正常；将室外各温度参数反馈给室外单片机，再由室外单片机确定工作状态的变化；控制室外风机的运行；控制四通阀的状态；具有与室内机通讯的功能。根据以上介绍的变频空调室外机的控制功能，可以看出室外机器在整个系统中处于很重要的地位，负责传递数据，并按照室内控制单元的要求进行工作，它是空调系统中与执行相关的部分，对空调系统性能是否优越、用户满意度如何起着决定性的作用，不容忽视。按照任务书和以上的分析，可以看出，变频空调的设计是一个集电子电路设计、控制理论设计、热力学应用、计算机控制技术应用、以及程序设计为一体的大型系统。具体单元电路设计方案的提出和论证发展已经经历了很长时间，各项技术已经达到成熟的标准，所以本次设计中，将在个别技术难点了进行详细的说明和设计，在一些已经很成熟和完美的单元模块，将采用比较成熟和性价比高的单元器件以达到设计的要求，满足设计的内容的目的。第4章 系统的硬件设计4.1 变频空调室外系统（下位机）的概述 下位机是直接控制设备状况的计算机，一般为PLC或者单片机；本次设计要求下位机系统采用PIC单片机。 上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。总言之，被控制者和被服务者是下位机。变频空调的室外机（下位机）主要承担压缩机马达变频和变压控制、温度控制、过电压检测、过电流检测以及与上位机之间的通讯功能等。变频空调控制器包括遥控发射器、室内控制单元及室外控制单元三个相对独立的部分。对于变频空调而言，遥控发射器与室内控制单元之间采用一定频率调制的红外信号进行通信，室内控制单元与室外控制单元之间进行双向通信以交换信息。室内控制单元根据遥控发射器发出的命令和系统的状态控制空调器的运行，并为室外机提供足够的信息，同时控制室外部分电源的开通于关断。室外控制单元根据室内控制单元的指令，控制空调室外部分的运行，并能够独立进行特殊状态运行，包括化霜运行/欠压保护运行/过负荷保护运行/压缩机过热保护运行。本章主要介绍变频空调室外控制单元。室外控制单元的主要功能如下：（1）检测室外机热交换器温度、室外环境温度、压缩机排气温度、室外机的盘管温度、室外机的回气温度；（2）检测母线电流及电网电压；（3）与室内机控制单元进行通讯，接收并分析室内控制单元的命令；（4）根据室内控制单元的命令和各个检测参数，控制空调器室外各部分的运行状态；（5）控制室外风机的运行，及调节风速；（6）控制四通换向阀的动作，及控制制冷或制热；（7）根据室外机回气温度的大小及变化，确定电子膨胀阀开启度；（8）控制压缩机的转速以及启动、停止；（9）进行除霜运行；（10）进行保护运行。根据以上介绍的变频空调室外机的控制功能，可以看出室外机在整个空调系统中所处的地位，不仅要处理室外机自身的功能，如检测室外机各点的温度和调节室外风机、四通阀、电子膨胀阀、压缩机的动作，还要与室内机进行通讯，获取室内机的信息，并对室内机的不同情况经行协调，再经行复杂的计算来确定电子膨胀阀和压缩机的具体动作。室外机控制处理的好坏情况对整个空调系统的制冷、制热起着决定性的作用。变频空调室外机控制系统包括:室外主电路和MCU控制板。室外主电路应包括:交流220V经电源滤波及整流桥和LC滤波之后，变成直流，再经智能功率模块逆变成交流后驱动变频压缩机。主电路