SPMC65P2408A在空调中的应用

SPMC65P2408A在空调中的应用

 

文主要介绍定频空调机主控板方案的实现。本设计以凌阳科技公司的8位单片机SPMC65P2408A为核心，使用四路AD实现温度、AC220V电流和断电检测，使用两路外部中断实现室内风机的风速检测和过零检测，使用捕获功能进行遥控器红外码的接收…… SPMC65P2408A良好的性能和合理的资源非常适合于空调机、洗衣机等家电。
关键词：空调  凌阳单片机  SPMC65P2408A
引  言：
　　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

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

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。

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。

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

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。

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。

图 4-4过零检测电路

图 4_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。

图 4‑6室内风机控制电路

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。

风速	高	中	低
风机频率（Hz）	70	50	30

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。

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。

 

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。

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。

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。