1.1 制冷与空调技术基础

制冷与空调技术都是以改变某一区域内物质的热学性质（温度、湿度等）为目的，为此需要先了解一些制冷与空调技术所涉及的热力学方面的基础知识，以便进一步理解和掌握制冷与空调技术。

1.1.1 制冷与空调技术的基本概念

1. 温度和温标

夏季气温高，人们感觉炎热；冬季气温低，人们感觉寒冷。可见，温度是反映物体冷热程度的物理量。

为了能准确地描述物体的冷热程度，物理学把标准大气压下水的溶点规定为0℃，水的沸点规定为100℃，然后把这0～100℃，由冷到热平均分为100等份，每1等份为1摄氏度，用1℃表示，这样一种温度的数值表示方法叫做温标。

常用的温标有三种：摄氏温标、华氏温标、热力学温标。刚才提到的温标就是摄氏温标，也是我国日常生产、生活中采用的温标。

2. 热量

热量是传热过程中能量变化的量度。高温物体传热到低温物体时，能量从高温物体传递到低温物体，高温物体释放热量简称放热，低温物体吸取热量，简称吸热。

3. 压力与压强

在物理学上，压力是指垂直作用于物体的力（F），单位为牛顿（N）。压强是指垂直作用于单位面积上的力（P），即P=F/S，单位为帕斯卡（Pa）。制冷与空调技术中，习惯地把压强也称为压力，它与物理学上定义的压力概念不一样。制冷与空调技术中，压力常用的单位有兆帕（MPa）、标准大气压（atm）、工程大气压（kgf/cm2）三种。它们之间关系如下：

1MPa=1×106Pa=1000kPa

1atm=0.101MPa≈0.1MPa=100kPa

1kgf/cm2=0.0981MPa≈0.1MPa=100kPa

4. 汽化与液化

汽化是物质从液体转变为气体的过程，在此过程中，物质要吸热。液体汽化形式有两种：蒸发与沸腾。在一定的压力下，蒸发可以在任何温度下发生，而沸腾则必须是液体温度上升到某一个定值才能发生，这个值称为该液体的沸点。

液体的沸点是可以改变的，当液体的压力下降时，液体的沸点会随之下降，即液体可以在更低的温度下沸腾吸热。制冷技术就是利用这个原理制冷的。制冷技术中制冷剂的汽化是一种定压沸腾形式，但在制冷工程中却习惯地被称为蒸发，所以沸点也相应地被称为蒸发温度。沸点所对应的压力被称为蒸发压力。制冷技术中使用的制冷剂，在1个标准大气压下，蒸发温度都很低，如氟利昂12为-29.8℃，氟利昂22为-40.8℃。

液化是与汽化相反的过程。在此过程中，物质从气体转变为液体，并放热。在一定压力下，气体温度下降到一个定值时，就会液化，这个值称为液化温度。气体的液化温度不是恒定不变的。当气体压力减小时，液化温度也随之降低；反之，当气体压力增加时，液化温度也随之升高；但当气体温度高于某一个值时，即使再增加压力，气体也不会液化，这个温度被称为临界温度。在临界温度以内，任何一个温度下使气体液化的最低压力叫临界压力。只要是在临界温度以下，当气体的压力增加时，物质的液化温度是可以升高的。制冷技术就是通过提高气态制冷剂的压力来提高其液化温度的，即让气态制冷剂在较高的温度下也能液化。

5. 空气湿度

人类赖以生存的空气除了含有氧气、氮气、二氧化碳等成分外，还含有大量的水蒸气，而且空气中水蒸气的含量不是一成不变的，它与空气的温度、压力都有密切的关系。物理学上，用空气湿度来表示空气中水蒸气含量的多少。它有绝对湿度、相对湿度、含湿量三种表示形式。空调技术中，为了方便和确切地表示空气湿度，常采用含湿量来表示湿度。含湿量是指空气中水蒸气质量（以g为单位）与除水蒸气以外的其他气体质量（以kg为单位）的比值（单位为g/kg干空气）。空气湿度是影响人体舒适感的一个重要因素。比如，空气在25℃时，含湿量在10～20（g/kg干空气）的范围时，人体普遍感觉舒适，既不感觉干燥，也不感觉潮湿。

空气的含湿量是可以调节的。空气在一定的温度下，水蒸气的含量是有限度的，当水蒸气增加到一定值时，就不能再增加了。此时，水汽化成水蒸气进入空气中的量与空气中的水蒸气液化成水的量持平，人体皮肤的水分无法蒸发减少，人们普遍感到潮湿。

空气中的含湿量很大时，可以通过降低空气温度，使空气中水蒸气的液化量大于汽化量，减少空气的含湿量，使人体不再感到潮湿。

空气中的含湿量过小时，人会感到口干舌燥，皮肤干裂不适，此时可以通过适当提高温度来提高空气含湿量的限度，达到增湿的目的。

6. 空气洁净度

室内空气长时间不与外界空气充分交换，室内空气中所含不同气体成分的比例就会发生变化，尤其是氧气含量会明显下降。一般来说，在常压下，空气中氧气含量的比例在19%～12%时，人们感觉到空气新鲜。当空气中氧气含量的比例明显下降时，人们会感觉气闷、头疼。另外，空气中还含有微量的粉尘、细菌和有害气体，当这些成分超过允许浓度时，空气变得不洁净，而且对人体健康不利。

为此我们用空气洁净度来作为衡量空气洁净程度的指标，它主要以含氧比例和粉尘、有害气体浓度为衡量内容。

7. 制冷量

制冷量是单位时间内制冷剂在制冷系统所吸收的热量。单位为瓦（W）或千瓦（kW），它是衡量制冷装置制冷能力的主要参数。

现在空调销售行业中习惯用“匹”作为制冷量的单位。其实“匹”是非法定计量单位。空调器厂家也不用“匹”作为制冷量的单位。空调中所谓的1匹大约相当于2300W的制冷量，1.5匹约为3450W，2匹约为4600W，依次类推。其实，空调销售行业中“匹”的标准并不统一，例如，同为1.5匹的挂式空调器，海尔空调器制冷量约为3300W，海信空调器约为3200W。

1.1.2 制冷技术基础

在自然界中，有很多的物理现象会引起温度的降低，制冷技术实际上就是利用这些物理现象获得低温的。

1. 制冷原理

利用不同的物理现象制冷，其制冷原理也各不一样，在家用制冷设备中，常见的制冷原理有以下几种。

1）压缩式制冷

压缩式制冷是利用压缩机先使气体制冷剂液化，然后又使液化后的制冷剂汽化吸热，从而降低温度来达到制冷的目的，其工作原理如图1-1所示。压缩式制冷系统主要由压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器等部件组成。系统在消耗电能的条件下，利用制冷剂（如氟利昂）在蒸发器中蒸发来大量吸收热量，实现制冷的目的。其具体过程是：压缩机通电后工作，将蒸发器内已吸热的低压、低温气体制冷剂吸入，经压缩后，形成高温、高压的气态制冷剂，进入冷凝器。在冷凝器中，制冷剂降为常温，并液化为液态制冷剂。液态制冷剂再通过毛细管进入蒸发器。液态制冷剂经过毛细管后，压力急剧降低，进入蒸发器大量蒸发，吸收热量变成低压、低温的气态制冷剂，再次被压缩机吸入。如此不断循环，将蒸发器所在环境的热量不断转移到冷凝器所在的环境中。

由于在制冷系统中，冷凝器和蒸发器都是进行热量交换的部件，所以又被统称为热交换器。

2）吸收式制冷

吸收式制冷也是利用制冷剂汽化吸热来达到降温的目的。根据日常现象可知，在平常气压条件下（大气压力为760mmHg），水要达到100℃才沸腾，但是在低于大气压力的特殊条件下，水可以在温度很低时沸腾。比如在密封的容器里制造6mmHg的低压条件，水的沸点只有4℃。化学物质溴化锂就可以制造这种低压条件。溴化锂是一种吸水性极强的化合物，可以连续不断地将密封容器里的水蒸气吸走，从而在容器里制造并维持低压条件。吸收式制冷系统就是利用这样的原理来制冷的。

吸收式制冷系统中有两种不同物质，一种为吸收剂（如溴化锂），沸点较高，能强烈溶解吸收制冷剂；另一种为制冷剂（如水），沸点较低，能溶于吸收剂。制冷剂在系统内的真空条件下大量汽化，带走系统的热量。吸收剂强烈溶解吸收汽化后的制冷剂，使系统内的真空条件得以维持，同时吸收剂浓度下降。吸收剂吸收制冷剂后，把制冷剂中的热量释放到系统之外的环境中。浓度下降了的吸收剂经过加热浓缩，把制冷剂分离出来。分离出来的制冷剂再次在真空条件下汽化。加热浓缩后的吸收剂再次去吸收制冷剂。如此不断循环，从而达到制冷的目的。

根据吸收剂和制冷剂搭配不同，吸收式制冷又分为溴化锂吸收式制冷和氨吸收式制冷。溴化锂吸收式制冷系统中，用水作为制冷剂，溴化锂作为吸收剂。氨吸收式制冷系统中，用氨作为制冷剂，水作为吸收剂。

吸收式制冷系统的工作原理如图1-2所示，从图1-2中可以看出，制冷系统由吸收器、发生器、冷凝器、蒸发器组成。

系统工作时，首先对发生器加热。发生器中盛有吸收剂和制冷剂混合溶液。混合溶液吸热后，制冷剂汽化从吸收剂中大量逸出，同时吸收剂也吸热汽化，在这两种混合气体中，以制冷剂气体为主。发生器产生的混合气体上升，进入冷凝器，在进入冷凝器之前，混合气体在管道中放热、降温，其中吸收剂先降到液化温度，变为液体，并顺管壁流入吸收器，而制冷剂由于液化温度比吸收剂液化温度低，仍为气态，并继续上升，进入冷凝器。制冷剂通过冷凝进一步放热、降温，当温度下降到液化温度时，也变为液体，并流入蒸发器。在蒸发器中液体制冷剂吸热汽化，从而达到制冷的目的。汽化后的制冷剂再进入吸收器，并被吸收器中的吸收剂溶解吸收，又返回到发生器，进行第二次加热汽化，如此反复，形成制冷循环。

吸收式制冷的最大特点是：利用热能作为制冷系统的能量来源，没有电动机，所以无噪声，寿命长，且不易发生故障。制冷工质由制冷剂、吸收剂组成，它们在不断地加热的情况下可以连续地制冷。但吸收式制冷系统如果是把电能转换成热能，再用热能作为热源，那么其制冷效率就不如压缩式制冷系统的效率高。所以它主要是使用太阳能、天然气、煤气等产生的热能作为热源。

3）半导体式制冷

半导体式制冷是利用半导体温差效应，来达到制冷效果的。其制冷工作原理如图1-3所示。一块N型半导体和P型半导体连接成电偶，电偶接上直流电源E，组成闭合回路，回路中产生直流电流I。当电流I从N型半导体流向P型半导体时，P型半导体和N型半导体连接处，即铜电极A的温度会下降，从外界吸热；当电流I从P型半导体流向N型半导体时，P型半导体和N型半导体连接处，即铜电极B、C的温度会升高，向外界放热。这种现象称为半导体温差电效应，又称为珀尔帕效应。回路中的P、N型半导体称为半导体热电偶。吸热的电极称为冷端，放热的电极称为热端。串联在电路中的可变电阻RW用来改变电流的大小，从而控制单位时间内电极吸、放热的多少。当回路中的电源改变方向后，电流方向随之改变，热电偶的冷、热端也会随之改变，从而可使制冷变为制热，实现逆变。

为了增强制冷效果，一般在回路中有很多的半导体热电偶串联或并联，并将热端和冷端分别集中在一起，形成热电堆，其结构如图1-4所示。

半导体式制冷系统比较适用于要求重量轻、尺寸小、小容量制冷的场合，如家用冷热饮水机采用的就是半导体式制冷技术，家用电冰箱也有采用半导体式制冷的。半导体式制冷的优点是，无压缩机，结构简单，体积小，重量轻，无噪声，无污染，工作可靠，使用寿命长，检修方便。缺点是制造成本高，制冷效果较差，不能直接使用交流电。

2. 制冷剂

制冷剂又称为制冷工质，是压缩式制冷系统与吸收式制冷系统中的工作介质，制冷系统就是利用它汽化吸热，产生低温的。所以制冷剂的选择与使用对制冷效果至关重要。

1）制冷剂的特性

制冷剂一般应具备以下一些特性：

（1）临界温度较高，能在常温或普通低温下液化，且冷凝压力不是很高。一般情况下，要求冷凝压力为1200～1500kPa，这可以降低压缩式制冷系统的压缩机和管道所承受的压力，从而减少制冷剂的泄漏，降低成本。

（2）在一定的压力下，制冷剂蒸发温度要低，蒸发时吸热量大，有利于汽化吸热。蒸发压力高于一个大气压，这样能防止外界空气水分在大气压下渗入制冷系统内部，影响制冷效果，但也不宜太高，蒸发压力太高，制冷剂易从制冷系统泄漏，同样会影响制冷效果。

（3）单位容积的制冷量大，这样在制冷量相同的情况下可以减少压缩机的体积。

（4）化学性质稳定，在较高温度下也不分解，不燃烧，不爆炸，对制冷系统的材料无腐蚀性，对人体无毒，以保证使用的绝对安全。

在实际选择制冷剂时，不可能完全满足以上所有的特性要求，一般在基本满足要求的情况下，灵活选择。除此之外，还应把价格因素考虑进去，尽量做到价廉质优。

2）制冷剂分类

随着制冷技术的不断发展，新的制冷剂不断被开发出来，制冷剂的种类大幅增加，现已超过80种。制冷剂可选范围越来越大，但家用电冰箱与空调器所使用的制冷剂种类并不多，常见的有氟利昂、氟利昂代用品等。制冷剂大致可以按以下方法分类：

（1）按一个大气压下的蒸发温度分类。按一个大气压下，制冷剂蒸发温度不同，可以分为三种。高温制冷剂，蒸发温度高于0℃，如R11、R21、R113、R114等，主要用于使用离心式压缩机的中央空调器等。中温制冷剂，蒸发温度在-60～0℃之间，如R12、R22、R502等，主要用于使用活塞式或旋转式压缩机的电冰箱、空调器等。低温制冷剂，蒸发温度低于-60℃，如R13、R14、R503、R23等，主要用于低温制冷设备。

（2）按制冷剂冷凝压力分类。按制冷剂冷凝压力不同，制冷剂可以分为三种。高压制冷剂，冷凝压力大于20标准大气压，也是低温制冷剂。中压制冷剂，冷凝压力在3～20标准大气压之间，也是中温制冷剂。低压制冷剂，冷凝压力小于3标准大气压，也是高温制冷剂。

（3）按制冷剂是否含有破坏臭氧层能力的氟利昂分类。按制冷剂是否含有破坏臭氧层能力的氟利昂来分，可以分为有氟制冷剂和无氟制冷剂。非氟利昂的制冷剂是不会破坏大气臭氧层的，如氨。氟利昂制冷剂指的是一类制冷剂，这类制冷剂的种类也有很多，其中只有一部分会破坏大气臭氧层。习惯上把不破坏大气臭氧层的制冷剂，统称为无氟制冷剂，如氨、R134a、R600a等。

3）常用的制冷剂及其特性

常用的制冷剂大致可以分成两大类，一类主要用于吸收式制冷系统，如氨、水等；另一类主要用于压缩式制冷系统，如R12、R22、R134a、R600a等。下面介绍几种常见制冷剂及其特性。

（1）水。水作为制冷剂，优缺点很明显。优点是极易获得，无毒性，不燃烧，不爆炸，汽化潜热大，是目前所有制冷剂中汽化潜热最大的制冷剂。缺点是在常压下蒸发温度高，为100℃；在低压下蒸发温度最低也只能达到0℃，所以一般只用于吸收式制冷系统。

（2）氨。氨是应用较早，且目前仍然应用很广的一种制冷剂。它的优点是单位容积制冷量大，价格便宜，最低蒸发温度可达-65℃，易与水相互溶解，在制冷系统中，不会出现冰堵现象。缺点是有强烈的刺激性气味，且有较大毒性。当空气中的浓度超过0.5%，且在其中停留时间超过30min时，人就会出现中毒现象，甚至死亡。氨气与空气混合后，达到一定浓度时，会引起燃烧或爆炸。氨本身对金属制冷管道无腐蚀作用，但氨中含水分时，会腐蚀铜、锌等金属，故一般要求液体氨中的含水量不得超过0.2%。氨不易溶于润滑油，所以，如果润滑油进入使用氨的制冷系统中，系统的热交换器内表面就会形成一层油膜，降低热交换器的热交换能力，为此必须设置油气分离器，以最大限度减少润滑油进入制冷系统中的热交换部件。

氨作为制冷剂目前主要用于大、中型的制冷设备和空调设备，如冰厂的制冷机、大型冷库等。

（3）氟利昂。氟利昂是目前家用电冰箱与空调器中应用最广泛的一类制冷剂。它实际上是饱和烃类的卤族衍生物的总称，它们具有一些共同的化学、物理特性。氟利昂是20世纪30年代出现的一类性能优越的制冷剂。

氟利昂类的制冷剂有一些共同的优缺点。优点是无气味，基本无毒性，不易燃烧和爆炸，能与润滑油相互溶解，不会使制冷管道内表面附油，不影响制冷系统的热交换能力。

缺点是单位容积制冷量小，管道内流动性差，渗透性强，容易造成泄漏，也就是常说的漏氟。氟利昂与水几乎互不相溶，所以如果氟利昂混入水分，那么水分总是与氟利昂分离而独立存在的。当氟利昂温度低于0℃时，水就会结成冰，堵住制冷系统的管道，这就是常说的冰堵。

另外，有些氟利昂的化学成分中含氯元素，它们在太阳紫外光照射下，会分解出氯原子。氯原子能使大气中的臭氧转变为氧，从而破坏大气的臭氧层，造成严重的环境污染。氟利昂中所含氯原子数量越多，对臭氧层破坏能力也越大。

氟利昂还是一种温室气体，会导致气候变暖，产生温室效应。氟利昂造成温室效应的原因主要是制冷剂在缓慢氧化分解过程中，生成大量的温室气体，如CO2等。

现在常用的氟利昂制冷剂有二十多种，如R11、R12、R22、R32、R113、R114、R115、R123、R125、R134a、R143a、R141b、R142b、R152、R404A（44%的R125、52%的R143a和4%的134a混合）、R407c（23%的R32、25%的R125和52%的R134a混合）、R410A（50%的R32和50%的R125混合）、R500（73.8%的R12和26.2%的R152混合）、R502（48.8%的R22和51.2%的R115混合）、R600a等。

其中用于家用电冰箱与空调器的品种不是很多，主要有R12、R22、R134a、R600a。R22主要用于空调器，其主要原因是R22在空调温区内具有优越的制冷性能，而且性能稳定，技术成熟，价格低廉。R12主要用于电冰箱。R12、R22都是含有氯元素的氟利昂，会破坏大气臭氧层，也都是温室气体，会造成温室效应，不过R22比R12对环境破坏力弱一些。所以国际上已经把R12列为禁止使用工质，R22列为过渡使用工质。

R134a、R600a是为了替代R12而开发的新型制冷剂，是不含氯元素的氟利昂，它不会破坏大气的臭氧层。正因为如此，用R134a、R600a作制冷剂的电冰箱、空调器被称为无氟电冰箱、无氟空调器。其实严格地说“无氟”的提法是不科学的，“无氟”给人一种使用的制冷剂不是氟利昂的错觉。实际上，目前无氟电冰箱、无氟空调器所使用的制冷剂全部都是氟利昂。例如，R134a的化学成分是四氟乙烷，R600a的化学成分是异丁烷，它们之所以对臭氧层没有破坏作用，不是因为“无氟”，而是由于“无氯”。

虽说氟利昂类的制冷剂有一些共同的化学、物理特性，但它们在热力学性能上却有较大差别。表1-1列出了几种最常用氟利昂制冷剂的物理特性对比情况，从表1-1中可以很清楚地看到氟利昂的不同热力学特性。

3. 制冷设备专用润滑油

制冷系统压缩机专用的润滑油，又称为冷冻机油或冷冻油。在压缩式制冷系统中，为了保证压缩机长期良性运转，必须使用润滑油。

1）润滑油的作用

润滑油的主要作用是减少压缩机的机械磨损，延长其使用寿命；带走压缩机运转产生的热量，降低其温度，提高工作效率；在压缩机的机械零件摩擦面形成油膜，增强压缩机的密封性，防止制冷剂窜漏；利用油压控制能量调节机构的活动。

2）润滑油的性能要求

由于润滑油在保证压缩机良性运转，延长使用寿命方面起着极为重要的作用，所以润滑油应具备以下一些基本性能：

（1）黏稠程度适当，黏度过大或过小都会使压缩机温度升高，降低制冷效率。此外，还要求黏稠程度随温度变化要尽可能小。

（2）凝固点低，润滑油在温度大幅下降时，会逐渐失去流动性。当温度达到一定值时，润滑油完全失去流动性，此时的温度称为凝固点。凝固点过高时，润滑油会在制冷系统低温区凝固，覆盖系统管道内壁，影响热量交换，所以要求润滑油凝固点要低。

（3）化学特性稳定，不与制冷剂和压缩机电动机的绝缘物质发生化学反应，自身不易变质。

（4）电绝缘性能好。在压缩机里电动机是浸泡在润滑油中的，如果润滑油绝缘性能不好，就会引起漏电，损坏电动机。

另外，还要求润滑油不含水分和固体杂质。

1.1.3 空调技术基础

空调技术在实现空气温度调节时，用到了制冷技术，但它不能等同于制冷技术，它有着自身的技术特点。简单地说，空调技术是一种空气调节技术，它包括了空气的温度调节、湿度调节、流速调节和洁净度调节四个方面的内容。

空气的温度调节：一般来说房间的温度，夏天保持在24～28℃，人体感觉比较舒适；冬天保持在18～22℃，人体感觉比较舒适。

空气的湿度调节：房间空气的相对湿度保持在40%～60%，人体感觉比较舒适。

空气的流速调节：在房间湿度相同的情况下，房间内的空气低速流动，人体感觉比较凉爽。

空气的洁净度调节：空气通过空调器的多层过滤网，如活性炭过滤网、光触媒过滤网等滤除掉空气中的灰尘、细菌、甲醛等有害物，保持空气的洁净，保证人体的健康。

1. 温度调节

自然环境温度变化范围，比人体所能适应的温度变化范围要大很多，比人体感到舒适的温度变化范围则更大。在某些特殊生产环境中，温度的变化要求控制在一定的范围以内。所有这些情况，都需要通过空调器进行温度调节。

一般来说，为了满足人们舒适生活的要求，空调器的温度调节范围在18～28℃，炎热的夏天，需要制冷降温，温度在24～28℃比较适宜，寒冷的冬季需要加热升温，温度在18～22℃比较适宜。

空调器降温时采用的制冷原理，一般是压缩式制冷和吸收式制冷。空调器在升温时采用的加热原理，一般有热泵式制热和电热式制热两种。

1）热泵式制热

热泵式制热实际上是在压缩式制冷系统中，增加一个电磁换向阀，使系统的蒸发器和冷凝器的作用对换。也就是使室内的蒸发器变成凝冷器，室外的凝冷器变成蒸发器。室内蒸发器变成冷凝器后，高温气体制冷剂在冷凝器中冷凝向室内放热，室内空气吸热，温度升高。室外冷凝器变成蒸发器后，常温液体制冷剂在蒸发器中蒸发，从室外吸热，吸收的热量被系统带到室内，以提高室内温度。蒸发器在室外吸热的状况受室外温度的影响，所以空调器的制热能力，也会随室外温度变化而变化。当室外温度下降时，空调器制热能力也会相应下降，一般情况下，热泵式制热应在室外温度为0℃以上时才能进行。热泵式制热的工作原理如图1-5所示。

2）电热式制热

电热式制热原理很简单，它就是利用电热丝制成的电热管，通电发热，来提高空气温度的。电热式制热不仅原理简单，实现也很容易，且方便控制，但电热转换效率不是很高。

2. 湿度调节

空气中水蒸气的含量是经常发生变化的，当水蒸气含量过高时，人体皮肤会感到潮湿黏稠，当水蒸气含量过低时，又会感到干燥。所以为让人体皮肤感到舒适，空气的湿度也应该调节，调节方式主要是除湿和加湿。

空气加湿调节主要有离心喷雾法、空气喷水处理法、水蒸气加湿法等。

（1）离心喷雾法是利用高速离心电动机使水雾化，然后，将水雾喷入空气，达到增湿的目的。

（2）空气喷水处理法（又称空气喷淋处理法）是用喷成水雾的水来直接加湿空气的一种方法。它可以利用不同温度的水，使空气的温度、湿度发生变化。如升温、降温、增湿、减湿。空气喷水处理法一般用于大型的空调系统，如中央空调。空调系统中设置一个喷水室，在喷水室内，水被喷射成水雾，然后让流动的干燥空气通过喷水室与水雾充分接触，吸收水分，达到加湿的目的。同时，在喷水室内空气中的粉尘和一些可溶于水的有害气体也被水雾带走，起到了部分净化空气的作用。

（3）水蒸气加湿法是指直接向空气中混入水蒸气，以达到增加空气中水蒸气含量的方法。常见的有电热式加湿法和电极式加湿法两种。

电热式加湿是用绝缘处理过的电热元件通电发热，使水汽化产生水蒸气，直接混入空气增湿。

电极式加湿是在水中安装电极，电极一旦接上电源，水中就会有电流，此时，水本身作为通电导体开始发热，升温汽化，产生水蒸气混入空气增湿。

空气除湿的方式常见的有冷冻除湿、液体除湿、固体除湿三种。

（1）冷冻除湿是一种制冷系统与通风系统相互配合进行除湿的方法。当湿空气被风机吸入，流经低温的蒸发器时，空气中的水蒸气会遇冷凝结成水，从空气中分离出来，达到除湿的目的。这种方法在家用空调器中被广泛采用。

（2）液体除湿是利用液体与空气直接接触进行除湿的方法。液体可以是纯水也可以是其他溶液。前面提到的空气喷水处理法也有除湿的功能，它就是一种液体除湿的方法。空气喷水处理时，适当调节喷出的水雾湿度，可以使空气中的水蒸气遇水亲和而冷凝成水，从而达到除湿的目的。

（3）固体除湿是利用具有强烈吸收水分能力的固体吸湿剂，与空气直接接触，以达到除湿目的的方法，它主要用于生产、科研等领域。

3. 流速调节

空气流速调节是为了使流经人体皮肤表面的空气流动速度适当，让人有一种微风拂面的舒适感。在空调器中，调节空气的流速主要是通过调整风机的转速来完成的。风机的转速一般设有高、中、低三挡。另外，空调器还通过调整出风栅、风门和风道调节开关等部件，来调整空气的流向和流量，从而达到使人有自然风的感觉。

目前，空调厂家不断地开发出新的送风方式，来改变空气的流动形式。某些厂家甚至号称自己的空调有几十种送风方式。

4. 洁净度调节

洁净度调节是空调技术中的一个重要内容。如今人们的健康观念越来越强，室内空气质量对人体健康的影响，越发受到人们的关注。空调厂家也在洁净度调节技术上投入大量的研发和广告经费，并且提出健康空调的概念。空气洁净度调节主要有除尘、除臭、杀菌等几个方面。

1）除尘

空调器都专门设置了滤尘网除尘。当循环空气通过空调器的滤尘网时，空气中悬浮的粉尘被滞留下来，只有空气能顺利通过，从而达到给空气除尘的目的。

具有喷水处理装置的空调系统，喷水室中的水雾能黏附粉尘，也能达到除尘目的。

目前有很多的空调器还采用了等离子除尘技术。等离子除尘时，空调器相关电路产生高压使空气电离，空气电离后，产生大量带负电的自由电子和带正电的离子，即形成所谓的等离子体。当空气中含有粉尘时，负电子和正离子会吸附在粉尘上，使粉尘向空调器内的正、负集尘极板积聚，以达到除尘的目的，其除尘效率极高。另外，自由电子和空气分子结合后会形成大量的负离子。近代医学实践证明，负离子能改善空气品质，改善肺功能，让人感觉清爽，对降低血压，抑制哮喘，消除疲劳和镇静神经系统有一定功效。

2）除臭

室内空气长时间不与外界空气交换，空气中的气体成分会发生变化，空气会出现异味。空调器都设置有新风系统，用来与外界进行空气交换，从而达到除去异味的目的。新风是指在室内空气循环系统中，由室外进入的新鲜空气。新风通入量应该适当，通入量过小起不到换气除异味的作用；通入量过大，又会影响室内温度，从而影响制冷或制热效果。

空调器除了通过换气除臭外，通过杀菌也能达到除臭的目的。

3）杀菌

空气杀菌有臭氧杀菌、高温杀菌、光触媒杀菌、光波杀菌等很多方式。除高温杀菌外，其他方式在空调器都有应用。

臭氧杀菌是利用高压放电产生臭氧，当臭氧浓度达到1 × 10-5以上，可起到杀菌、除异味的作用。空调器采用臭氧杀菌时，臭氧浓度不能太高，当它上升到1.5 × 10-5后，臭氧本身就会发出浓烈的恶臭。另外，适当增加室内臭氧含量，还能起到提高空气新鲜程度的作用，避免出现头晕胸闷的不良反应。

光触媒在20世纪70年代被发现，它是一类具有催化功能的半导体催化剂，如二氧化钛等。光触媒在吸收光线中的紫外线后，形成具有超强氧化能力的氧化物和羟基原子团。它们超强的氧化能力，可分解多数有机物质和有害气体，并将它们转化成无臭无害的水、二氧化碳等物质。它们还可以破坏细菌的细胞膜，凝固病毒的蛋白质，抑制病毒的活性，从而达到净化空气、杀菌、除臭的目的。这就是所谓的光触媒杀菌、除臭技术。

一般来说，光触媒用紫外光照射时催化效率最高。普通的灯光及其他散射光照射时，催化效率较低。光触媒在不能获得太阳光照时，要想得到高催化效率，则必须另外加上紫外灯。

光触媒技术在冰箱中也有应用。它一方面能杀菌保鲜，另一方面还能清除异味。冰箱中应用光触媒杀菌、除臭时，必须安装紫外灯，在安装的同时要避免对人体造成伤害。

光波杀菌是利用波段为253.7nm的光线，有效破坏细菌的DNA，从而达到杀菌、除臭的目的。

1.1.4 变频器技术基础

随着科学技术的不断发展，很多新的应用型技术被广泛使用到制冷和空调技术领域，变频器技术就是其中的一种。这种技术的应用使电冰箱、空调器在高舒适感、长寿命、安全可靠、静音、省电等方面有了进一步的提高。采用变频技术已经成为电冰箱、空调器的发展趋势。下面简要地介绍一下变频器技术。

1. 变频器的结构与原理

图1-6所示为目前广泛应用的变频器的基本结构。变频器先利用整流电路，把三相（或单相）交流电转换为直流电，再经过逆变电路把直流电转换为频率可调的三相交流电。逆变电路又称逆变桥或逆变器，是变频器的核心部分。它可分为单相逆变桥和三相逆变桥两种电路。

1）单相逆变桥的结构和工作原理

图1-7（a）为单相逆变桥电路示意图。在图1-7（a）中，S1、S2、S3、S4为开关器件，组成单相逆变桥，接到直流电源P端与N端之间，其中P端为正，N端为负，电压为UD，ZL为负载。

逆变桥中的开关器件由专门的控制电路进行控制，当S1、S2导通，S3、S4截止时，负载ZL中有电流从a端流向b端，负载ZL上得到的电压是a正、b负，设此电压为正，为交流电的正半周。然后控制电路使S1、S2截止，S3、S4导通，此时负载ZL中有电流从b端流向a端，负载ZL上得到的电压是a负、b正，此电压为负，为交流电的负半周。

逆变桥的上述两种状态不断地反复交替，就会使负载ZL上产生交变电压，这就是逆变桥将直流电变为交流电的逆变过程。交变电压的波形如图1-7（b）所示，这种交变电压波又被称为载波，其频率被称为载波频率。

2）三相逆变桥的结构和工作原理

图1-8（a）为三相逆变桥电路示意图。它比单相逆变桥多了一个桥臂。三相逆变桥的工作过程与单相逆变桥的工作过程相似，只要变频器控制电路使三个桥臂的导通、截止交替过程互差1/3周期（T/3），从而使逆变桥输出的三相交变电压的相位互差2π/3即可，波形如图1-8（b）所示。

2. 逆变开关器件的性能要求与发展经历

1）逆变开关器件的性能要求

从以上分析可以看出，变频器的逆变原理并不复杂，它主要是通过几个逆变开关器件反复地交替导通、截止来实现直、交流转换的。虽然变频器的逆变原理并不复杂，但电路对这些开关器件的性能要求却很高，这使得变频技术从理论研究到实际应用经过了一个漫长的过程。那么变频器对开关器件有什么样的性能要求呢？

首先，变频器的开关器件要能承受足够大的电压和电流。如图1-9所示，我国三相低压电网的线电压为380V，经三相全波整流后的平均电压为513V，而峰值电压则达到537V。考虑到在电路中电动机绕组产生的感生电动势的作用，开关器件的耐压值应在1000V以上。

开关器件要求允许承受的电流也很大。设变频器所带负载为150kW的电动机，那么其额定电流为250A，其电流的峰值将达到353A。考虑到电动机和变频器都应该具有一定的过载能力，则该变频器开关器件允许承受的电流应大于其峰值电流的2倍，即达到700A以上。

其次，开关器件要允许频繁地导通和截止。从原理上看，逆变过程正是开关器件长时间地反复交替导通和截止的过程。这样频繁地导通和截止是有触点开关器件所无法承受的，必须依赖于无触点开关器件，即半导体开关器件，而要使半导体开关器件承受如此大的电流和如此高的电压是很不容易做到的。正是这个原因使变频器很晚才进入实用阶段。

最后，开关器件的导通和截止的控制必须十分方便。无触点的半导体开关器件的控制是非常容易实现的。

2）逆变开关器件的发展经历

20世纪60年代，随着大功率晶闸管的出现，使逆变开关器件与变频器的实用化得以起步和发展。大功率晶闸管变频调速也因此而得到了实现。

先来看看晶闸管在直流电路中的工作原理，当晶闸管门极G与阴极K之间加入正电压UG时，如图1-10（a）所示，晶闸管SCR导通。当门极与阴极之间撤销正电压UG后，如图1-10（b）所示，晶闸管SCR将继续保持导通状态。此时要想关断已经导通的晶闸管，必须使晶闸管的阳极A和阴极K之间的电压为0V，或加入反向电压。可见晶闸管在直流电路中一旦导通，是不能自行关断的。所以只要在门极与阴极之间加入一个脉冲电压u G，如图1-10（c）所示，则可使SCR进入并保持导通状态，这个脉冲电压uG称为门极触发脉冲电压。

图1-11所示为一个由晶闸管构成的逆变桥。UD是逆变桥输入端的直流电压，设电压值为513V。

假设变频器控制电路使晶闸管SCR1处于导通状态，SCR3、SCR5都处于截止状态，这时，A1点的电位与直流电压正端（P+端）相同。而B1点和C1点都是0V电位。如要关断SCR1，必须令SCR3或SCR5导通。现在假设SCR3导通，则在SCR3导通的瞬间，B1点的电位突然上升到513V，由于电容器C13两端的电压是不能突变的，故此时A1点的电位等于C13上的电压加B1点的电位，使SCR1的阴极电位高于阳极电位，从而迫使SCR1关断。

晶闸管逆变桥输出的交变电压是矩形波，如图1-11（b）所示。当它输入电动机后，电动机的电流波形则如图1-11（c）所示。可见，晶闸管变频器的输出电压和输出电流含有大量的谐波成分。晶闸管变频器中用到的电容器要求耐压值高、容量大、价格昂贵。变频器中的晶闸管在不同的负载电流下，其关断条件并不一样，导致变频器的工作可靠性较差。由于以上诸多原因，晶闸管虽然使变频器得以产生，但并没有推广普及。

20世纪70年代，电力晶体管问世，把变频器推向了实用化阶段，并在20世纪80年代初开始逐渐推广普及。

电力晶体管也称为大功率晶体管（GTR）。如图1-12（a）所示，它实际上是由两个或多个三极管构成的复合管。大功率晶体管和普通晶体管一样，也有放大、截止、饱和三种状态。

由于在变频器内，开关器件主要用于逆变桥，故常把两个大功率晶体管集成到一起，做成双管模块，如图1-12（b）所示。也有把6个大功率晶体管集成到一起，做成六管模块的。在变频器中，各管旁边都要反向并联一个二极管，为电动机的感生电动势做功提供回路。在大功率晶体管集成模块中，同时把反向并联的二极管也集成了进去。

如图1-13（a）所示为大功率晶体管（GTR）构成的逆变电路。变频器控制电路采用脉宽调制方式，所以其输出电压为幅值等于直流电压的脉冲，如图1-13（b）所示。由于大功率晶体管的导通和截止时间较长，所以允许的载波频率较低，大部分逆变电路的上限载波频率约为1.2～1.5kHz。

由于逆变电路输出的载波频率较低，当它输入电动机后，电动机电流的高次谐波成分较大，如图1-13（c）所示。这些高次谐波电流将在电动机的硅钢片中形成涡流，产生热量，使电动机升温。另外，高次谐波还会使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，发出噪声。噪声频率正好处于人耳较为敏感的区域，所以电动机的电磁噪声较大。

20世纪80年代末，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）研制成功，使变频器在许多方面的性能得到了较大的提高。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是场效应晶体管（MOSFET）和大功率晶体管（GTR）相结合的产物。如图1-14所示，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的主体部分与大功率晶体管相同，也有集电极（C）和发射极（E）。栅极（G）的结构与场效应晶体管相同，是绝缘栅结构。因为栅极的结构与场效应晶体管相同，所以栅极与发射极之间的输入阻抗很大，需要的输入控制信号的电流与功率都很小；又因为主体部分与大功率晶体管相同，所以可以输出较大的电压与电流。

可见，绝缘栅双极型晶体管是一种用小功率控制信号来控制大功率输出的器件。在中小容量的变频器中，绝缘栅双极型晶体管已经完全取代了大功率晶体管。和大功率晶体管集成模块一样，变频器所用的绝缘栅双极型晶体管，通常也被制作成各种集成模块。图1-15（a）所示为双管模块，如图1-15（b）所示为六管模块。

绝缘栅双极型晶体管逆变电路与大功率晶体管逆变电路基本相同，如图1-16（a）所示。绝缘栅双极型晶体管逆变电路的载波频率高，可以在3～15kHz的范围内任意调整。绝缘栅双极型晶体管逆变电路输出的电压波形如图1-16（b）所示。由于逆变电路输出的载波频率高，当它输入电动机后，电动机电流的高次谐波成分减小，电流波形大为改善，十分接近正弦波，如图1-16（c）所示。同时电动机的电磁噪声减小，转矩也增大了。另外，由于绝缘栅双极型晶体管的栅极输入控制信号的电流和功率极小，所以变频器的控制功耗减小，当电路出现瞬间断电时，栅极输入信号电压衰减较慢，晶体管不会立即进入放大状态，可以不停机。

可以说，绝缘栅双极型晶体管为变频器技术的迅速普及，为变频器性能的进一步提高奠定了基础。

3. 变频器主电路的结构与工作原理

各种变频器控制电路的差异很大，但是主电路结构与工作原理却基本相同。

图1-17为变频器主电路的结构图（未包含变频器控制电路）。从结构图看，变频器主电路可以分为整流滤波电路和逆变电路两个部分。电源经历了从固定频率的交流电转换为直流电，再由直流电又转换为可变频率交流电两次变换过程。

交流电源将三相交流电输入变频器，US为加在变频器的交流电压，IS为输入变频器的交流电流。三相交流电经二极管VD1～VD6、电容CF1、CF2组成的整流滤波电路，得到电压为UD、电流为ID的直流电。该直流电再经绝缘栅双极型晶体管VT1～VT6、二极管VD7～VD12组成的逆变电路，转换为可变频交流电，从变频器输出到负载电动机，输出电压为UMX。输出电压的大小随输出频率fX的大小而变。输出电流为IM，其大小则取决于负载的大小。

1）整流滤波电路

整流滤波电路的作用是把三相或单相交流电转换成平稳的直流电。变频器大多采用桥式全波整流电路。整流器件采用分立的整流二极管或整流二极管模块电路，如图1-18（a）所示。三相交流电的整流二极管模块由6个整流二极管构成。三相交流电输入端分别为R、S、T，输出端为P（直流正端）和N（直流负端）。

模块电路外部接线端子的排列如图1-18（b）所示。测量整流模块时，应记住整流桥各个端子的符号。以检查二极管VD1为例，VD1在变频器的输入端子R与内部直流电路的P端之间，并且R为二极管的正端，P为二极管的负端。用万用表×1kΩ挡判断时，先用黑表笔接R端，红表笔接P端，此时二极管应处于导通状态。然后交换黑表笔与红表笔，此时二极管应处于截止状态。

图1-19所示为三相整流滤波电路。三相全波整流后的电压脉动成分大，需要滤波。在较大容量的变频器中，由于受到电解电容的容量和耐压值的限制，滤波电路通常由若干个电容并联成一组，再由两组串联而成，如图1-19中的C F1和C F2分别代表两组电容。因为电解电容的容量有较大的离散性，故C F1和C F2的容量常不能完全相等，这将导致它们承受的电压UC1和UC2不相等，承受电压较高的那组电容很容易损坏。

为了使UC1和UC2相等，在CF1和CF2旁各并联一个阻值相等的电压平衡电阻RC1和RC2，电压平衡原理如下：

假设CF1＜CF2，则UC1＞UC2，这时CF2上的充电电流必将大于C F1上的充电电流，这样C F2上的电压UC2有所上升，而CF1上的电压UCl则有所下降，从而缩小了UCl和UC2的差异，使之趋向于平衡。

变频器在接入电源之前，滤波电容CF（CF1、CF2串联后的总称）上的直流电压UD为0V。因此，当变频器刚接入电源的瞬间，电源进线之间如同短路，使电源电压瞬间下降而形成干扰。与此同时，将有一个很大的峰值电流iC经整流桥流向滤波电容，如图1-20（a）所示，使整流桥可能因此而受到损害。

为此，在整流桥和滤波电容器之间，接入一个限流电阻RL，把充电电流iC限制在一个较小的范围内，如图1-20（b）所示，以消除刚接通电源时的电流冲击。

限流电阻RL如果长时间接在电路内，会影响直流电压UD和变频器输出电压的大小，同时，也增大了电路的损耗。所以当UD增大到一定程度时，必须把RL短路掉。短路开关大多使用晶闸管，如图1-19所示的晶闸管为SCR。在容量较小的变频器中，也常由接触器的触点来构成短路开关，如图1-20（b）中S2。

2）逆变电路

图1-21（a）所示为逆变电路，它由绝缘栅双极型晶体管VT1～VT6、二极管VD7～VD12构成，作用是把直流电转换成频率可调的三相交流电。逆变电路实际输出的电压波形是高频脉冲波，如图1-21（b）所示，其宏观效果和正弦波是等效的，如图1-21（c）所示。因此，在电路分析时，为了便于理解，可以把逆变电路输出的电压看成是正弦波三相交流电压。

逆变电路的每个绝缘栅双极型晶体管旁边都反向并联一个二极管，这是外加电压和电动机定子绕组的感生电动势之间相互作用的需要。在变频器的逆变电路中，因为逆变管只能在电源做功时单方向导通，因此，必须设置反向二极管为电动机的感生电动势做功提供回路。

绝缘栅双极型晶体管要求输入信号在晶体管从截止转为导通时，应适当提高栅极电压的上升率，以缩短开通时间；而在晶体管从导通转为截止时，应适当加入负偏压，以加快关断过程。

3）逆变模块中绝缘栅双极型晶体管好坏的判断

用万用表能粗略地判断逆变模块中绝缘栅双极型晶体管的好坏。如图1-22（a）所示，将万用表的黑表笔接绝缘栅双极型晶体管的发射极（E极），红表笔接绝缘栅双极型晶体管的栅极（G极），使G-E之间得到反向电压。这时，绝缘栅双极型晶体管的集电极（C极）与发射极（E极）之间应该是截止的。反之，如图1-22（b）所示，将万用表的黑表笔接绝缘栅双极型晶体管的G极，红表笔接绝缘栅双极型晶体管的E极，使G-E之间得到正向电压。这时，绝缘栅双极型晶体管的C极与E极之间应该是导通的。绝缘栅双极型晶体管的C与E之间的导通与截止用另一个万用表测量，黑表笔接绝缘栅双极型晶体管的C极，红表笔接绝缘栅双极型晶体管的发射极E。

逆变模块中除了有6个绝缘栅双极型晶体管外，还有6个反向并联的二极管，其测量方法与整流桥完全相同。以检查VD12为例，由图1-23可知，二极管VD12在逆变电路中，接在端子N与输出端子V之间。N为二极管的正端，V为二极管的负端。在正常清况下，当黑表笔接N端，红表笔接V端时，二极管处于导通状态；交换黑表笔与红表笔，则二极管处于截止状态。

4. 变频器控制电路的工作原理

变频器中逆变桥开关器件导通、截止状态的反复交替，要由专门的电路进行控制，这就是变频器控制电路，又称为脉宽调制器。脉宽调制器实际上控制了变频器输出的可变频交流电的频率和电压的大小。如图1-24所示为家用空调器广泛采用的变频器电路。变频器的单相逆变电路导通、截止状态受脉宽调制器控制。大功率开关晶体管VT1～VT6构成逆变电路，VT1～VT6各有一个反向二极管VD1～VD6。整流二极管VD7～VD10和电容C构成整流滤波电路，为逆变桥提供直流电压。脉宽调制器产生控制信号，控制大功率开关晶体管有规律地导通、截止，从而产生可变频交流电，驱动电动机M运转。

在家用变频空调器中，变频器的整流滤波电路只使用一只滤波电容，该电容容量最大的达4700μF，因此维修时应在空调器断电10min后，电容经限流电阻充分放电，才能进行操作，以确保人身安全。

脉宽调制器的调制方式有P WM脉宽调制和SP WM脉宽调制两种。

在变频器输出电压的每半个周期内，把输出电压波分成若干个脉冲波，由于输出电压的平均值与脉冲的占空比（脉冲的宽度除以脉冲的周期称为占空比）成正比，所以在调节频率的同时，不改变脉冲电压幅度的大小，而是改变脉冲的占空比，可以既实现变频也可以变压的效果。这种控制方法称为P WM脉宽调制。P WM脉宽调制可以直接在逆变器中完成电压与频率的同时变化，控制电路比较简单。

P WM脉宽调制器输出的电压波形和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分，这样就使得输入到电动机的能量不能得以充分利用，增加了损耗。为了使输出的波形接近于正弦波，在P WM脉宽调制的基础上又出现了SP WM脉宽调制。

SP WM脉宽调制又称为正弦波脉宽调制，简单地说，就是在P WM脉宽调制基础上，使脉冲的占空比按照正弦波的规律进行变化，当正弦波幅值为最大值时，脉冲的宽度也最大；当正弦波幅值为最小值时，脉冲的宽度也最小，如图1-25所示。这样，当脉冲电流输入电动机后，电动机中的电流高次谐波成分大为减小，从而提高了电动机的效率。SP WM调制脉冲的波形有“等幅不等宽，两头窄中间宽”特点，其实它本质上就是一种占空比按照正弦波规律变化的P WM调制脉冲。

由此可见，变频器送到电动机的可变频交流电，实际上是一种近似等效正弦交流电的矩形脉冲波，所以又称为模拟三相交流电。

5. 变频器的电动机驱动原理

图1-26为变频器电动机的驱动原理图，下面用它来分析变频器对电动机的驱动原理。图1-26中的单相逆变电路用变频开关来等效，即变频开关S1～S6等效图1-24中的大功率晶体管VTl～VT6。变频开关S1～S6的开、关状态及开、关快慢受脉宽调制器的控制。这些开关的开、关状态决定了电动机定子绕组中电流的流向；开、关快慢决定了模拟三相交流电频率的高低。

电动机定子绕组中的电流方向随变频开关的工作状态的变化而变化，它们之间的关系如图1-27所示。

图1-27（a）是S1和S5闭合，其他开关均断开的情况，此时电动机定子绕组中的电流由U端流入，V端流出。

图1-27（b）是S3和S5闭合，其他开关均断开的情况，此时电动机定子绕组中的电流由W端流入，V端流出。

图1-27（c）是S3和S4闭合，其他开关均断开的情况，此时电动机定子绕组中的电流由W端流入，U端流出。

图1-27（d）是S2和S4闭合，其他开关均断开的情况，此时电动机定子绕组中的电流由V端流入，U端流出。

图1-27（e）是S2和S6闭合，其他开关均断开的情况，此时电动机定子绕组中的电流由V端流入，W端流出；

图1-27（f）是S1和S6闭合，其他开关均断开的情况，此时电动机定子绕组中的电流由U端流入，W端流出。

由于电动机定子绕组中流入的是模拟三相交流电，所以定子绕组产生旋转磁场，驱动转子运转。脉宽调制器控制变频开关按图1-27（a）至图1-27（f）的顺序切换，使电动机旋转。

1.1.5 单片机技术基础

在现代家用电器领域，单片机已经无处不在，且功能强大。它是现代家用电器迈向智能化的关键。

1. 单片机的概念

随着大规模集成电路技术的发展，集成电路可以将整个计算机系统集成到一个芯片上，形成芯片级的计算机，这就是单片机，因此可以简单地说，一块单片机芯片就是一台微型计算机。

和通用型计算机一样，单片机也主要由中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O）和总线（Bus）等组成。

2. 单片机的特点

单片机是单芯片结构形式，它具有很多独到的特点，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的工作。单片机的特点归纳起来有以下几个方面：

（1）性价比优异。单片机尽可能地把工作所需的存储器和各种功能的I/O接口集成在同一块芯片内，因而其性能很高，而价格却相对较低廉。

（2）集成度高、体积小、可靠性高。单片机把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器、输入/输出接口（I/O）和总线（Bus）等都集成在了同一块芯片上，是大规模集成电路，集成度很高，体积可以做得很小。因为体积小，单片机对于强磁场环境容易采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。单片机的内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，大大提高了它的工作可靠性与抗干扰能力。

（3）控制功能强。单片机体积虽小，但结构齐全，非常适用于专门的控制用途。单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O接口的逻辑操作指令以及位操作指令。其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微型计算机。

（4）低电压、低功耗。单片机大量用于携带式产品和家用电器产品，低电压和低功耗是它的基本要求。目前，一般的单片机工作电压可以小于2.2V，有的甚至能在1.2V或0.9V电压下工作，工作时功耗已降至微瓦（μW）级。

3. 单片机系统的结构

单片机系统的结构有两种，一种是传统的冯·诺依曼结构；另一种是哈佛结构。单片机的工作过程实质上是执行用户已编制好的程序的过程。程序一般都已固化到存储器中，单片机开机复位后，就可以执行。执行程序就是执行一条条的指令，执行指令又是取指令和执行指令的周而复始的过程。

1）冯·诺依曼结构

单片机的结构大多数是冯·诺依曼型的。这种结构是由计算机的开拓者约翰·冯·诺依曼最先提出的，它是反复执行存储器中的程序而进行工作的。单片机执行程序是自动按序进行的，无需人工干预。程序和数据由输入设备输入到存储器，执行程序所获得的运算结果由输出设备输出。因此，单片机由CPU、存储器、输入设备和输出设备四部分组成，如图1-28所示。

2）哈佛结构

哈佛结构的单片机把程序和数据分别存放在两个存储器中。它有两条总线，即数据传输总线和指令传输总线，且完全分开，如图1-29所示。

哈佛结构的优点是程序和数据存储空间完全分开，一个用于存取程序指令，另一个用于存取数据。这也正是哈佛结构与冯·诺依曼结构最大的不同之处。这个优点使得指令传输总线和数据传输总线可以采用不同的传输宽度。一般数据传输总线都是8位，指令传输总线有12、14和16位之分，分别用于低、中、高档系列的单片机。由于哈佛结构的程序和数据存储空间是完全分开的，所以CPU可以对程序和数据同时进行访问。

CPU的取指令和执行指令采用指令流水线结构，如图1-30所示。当一条指令被执行时，允许下一条指令同时被取出，使在每个时钟周期里可以获得最高的效率。另外在指令流水线结构中，取指令和执行指令在时间上是重叠的，所以可以实现单周期指令操作。

4. 单片机的应用

单片机的应用领域非常宽广，可以说是无处不在，其应用大致归纳为以下几个领域。

（1）在家用电器中的应用。家用电器涉及千家万户，生产规模大。目前国内外各种家用电器都已普遍采用单片机代替传统的控制电路。如电冰箱、空调器、洗衣机、电视机、音响设备、录像机、VCD、DVD、电饭煲、电风扇和手机等都配上了单片机。单片机的使用提高了家用电器的性能和质量，降低了家用电器的生产成本和销售价格，深受用户的欢迎。

（2）在智能仪器仪表中的应用。这是单片机应用最多、最活跃的领域之一。在各类仪器仪表中，引入单片机，使其智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性价比。同时便于使用、维修和改进。如家电维修中经常使用的数字式万用表、单/双踪示波器、信号发生器等都使用了单片机。

（3）在智能卡中的应用。尽管目前使用的各种卡主要还是磁卡和IC卡，但带有单片机的智能卡，已经并将日益广泛应用于金融、信息、医疗、保险、教育、旅游、娱乐和交通等各个领域。

（4）在机电一体化中的应用。单片机的出现促进了机电一体化。机电一体化是指集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体的现代控制技术，是机械工业技术发展的方向。在机电产品中，单片机能充分发挥其体积小、可靠性高、功能强大、安装方便等优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。

（5）在网络与通信系统中的应用。单片机在网络与通信系统中发挥着巨大的作用。高档的单片机多机通信功能很强，可以方便地进行机间通信，也可方便地组成网络系统。如单片机控制的无线遥控系统、列车无线通信系统和串行自动呼叫应答系统等。

（6）在办公自动化中的应用。现代自动化办公设备也已经广泛使用了单片机，使办公条件越来越智能化和人性化，如打印机、复印机、传真机、扫描仪等。

5. 单片机的分类

目前单片机品种很多，至少有50多个系列，300多个品种，大致可以按以下几个标准进行分类。

1）按生产厂家分类

按生产厂家单片机可以分为：美国的英特尔（Intel）系列、摩托罗拉（Motorola）系列、国家半导体（NS）系列、Atmel系列、微芯片（Microchip）系列、洛克威尔（Rockwell）系列、莫斯特克系列（Mostek）、齐洛格（Zilog）系列、仙童（Fairchid）系列、得州仪器（TI）系列等；日本的电气（NS）系列、东芝（Toshiba）系列、富士通（Fujitsu）系列、松下系列、日立（Hitachi）系列、日电（NEC）系列、夏普系列等；德国的西门子（Siemens）系列等；荷兰的飞利浦（Philips）系列等。

2）按字长分类

按单片机CPU一次能处理的二进制数据的字长，它可以分为4位机、8位机、16位机、32位机。

4位单片机的控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元和家用电器的控制电路。

8位单片机的控制功能较强，与4位单片机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是8位机中的高性能增强型单片机，除片内增加了A/D和D/A转换器外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器（Watchdog）、总线控制部件和晶体振荡电路等。由于8位机片内资源丰富，功能强大，主要用于工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中。

16位单片机是在1983年以后发展起来的。这类单片机的寻址能力高达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器等。

32位单片机目前是单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。近年来，随着家用电器技术的新发展，32位机的市场前景非常好。

3）按制造工艺分类

单片机按生产工艺不同可以分为：高密度短沟道MOS工艺（HMOS）单片机、互补金属氧化物的HMOS工艺（HCMOS）单片机。

HMOS单片机具有高密度、高速度的特点。HCMOS单片机具有高密度、高速度、低功耗的特点。

4）按使用范围分类

单片机按使用范围不同可以分为：通用型单片机、专用型单片机。通用型单片机把内部的开发资源（如ROM、I/O口等）全部提供给用户使用，其适应性较强，应用非常广泛。专用型单片机是针对各种特殊需要而专门设计的。家用电器如电冰箱、空调器、洗衣机、电视机等，使用的就是专用型单片机。

6. 单片机的发展

单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源不仅能满足很多应用场合的需要，而且具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点。因此，在工业控制、智能仪器仪表、通信系统、网络系统、家用电器等领域的应用日益广泛，其潜力越来越被人们所重视。特别是当前用HCMOS工艺制造的单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促进了单片机技术的发展。

以美国Intel系列单片机为例，单片机的发展主要经历了3个阶段。

第一阶段（1971—1978年）：初级单片机阶段，以MCS—48系列为代表。有4位、8位CPU，并行I/O口，8位定时器/计数器，无串行口，中断处理比较简单，RAM、ROM容量较小，寻址范围不超过4KB。

第二阶段（1978—1983年）：单片机普及阶段，以MCS—51系列为代表。是8位CPU，片内RAM、ROM容量加大，片外寻址范围可达64KB，增加了串行口，多级中断处理系统，16位定时器/计数器。

第三阶段（1983年以后）：16位单片机阶段，以MCS—96系列为代表。是16位CPU，片内RAM、ROM容量进一步增大，增加了A/D、D/A变换器，8级中断处理功能，实时处理能力更强，它允许用户采用高级程序语言，如C语言等。

目前，国际市场上8位、16位单片机系列已有很多，32位的单片机也已经进入了实用阶段。随着单片机技术的不断发展，新型单片机还将不断涌现，单片机技术正以惊人的速度向前发展着。

7. 单片机的硬件结构

下面以通用型MCS—51系列单片机为例，简要地介绍一下单片机的硬件结构。

1）引脚分配

MCS—51系列单片机包含多个型号，如8031、8051、8751等，图1-31为其引脚分配图。

单片机各引脚的含义是：P0.x、P1.x、P2.x、P3.x为I/O端口（即输入/输出端口）；RST/VP D为复位端，只要接到一个2μs以上的高电平，单片机就产生复位操作，它也可以作为后备电源引入端。EA/VPP为读内、外存储器控制电平输入端，输入高电平时单片机使用内部存储器，输入低电平时使用外部存储器，也可以作为编程电压输入端。ALE/P ROG为地址低8位锁存端，也可以作为编程脉冲输入端。PSEN为外部存储器读选通电平输入端，当单片机读取外部存储器数据时，它输出低电平。XTAL1、XTAL2为外接晶体振荡器端。WR为写控制端，RD为读控制端。T0和T1分别为定时器0和定时器1输入端。INT0和INT1分别为中断0和中断1端口。RXD为串行输入端口，TXD为串行输出端口。VCC为+5V电源输入端，单片机对电源精度要求较高，电压误差必须在-10%～+10%。VSS接地。

2）内部结构

图1-32为MCS—51单片机的内部结构框图。MCS—51单片机系统内含有一个8位CPU、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器（SFR）、内部程序存储器（ROM）、两个定时器/计数器、四个8位可编程I/O并行端口、一个串行端口、中断控制系统、内部时钟电路。

其中定时器/计数器用于对外部事件进行计数，也可用作定时器；8位可编程的I/O并行端口既可做输入，也可做输出使用；串行端口用于数据的串行通信。

MCS—51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0.x～P3.x。P0.x口为三态双向口，可驱动8个TTL电路。P1.x、P2.x、P3.x口为准双向口，其负载能力为4个TTL电路。

3）I/O端口

图1-33为MCS—51单片机P0.x端口的结构图。单片机P0.x端口内部无上拉电阻，当它作为输出端口时，外部必须接10kΩ的上拉电阻。

图1-34为MCS—51单片机P1.x端口的结构图。图1-35为MCS—51单片机P2.x端口的结构图。图1-36为MCS—51单片机P3.x端口的结构图。P1.x、P2.x、P3.x端口内部都有30kΩ上拉电阻，当它们作为输出端口时，外部无需接上拉电阻。P1.x、P2.x、P3.x端口从单片机内部输出的电流很小，一般采用灌电流方式输出信号，即信号电流从外部输入单片机。

4）片外总线结构

图1-37为MCS—51单片机的片外总线结构图。单片机中的总线分为地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）三种。地址总线宽度为16位，由P0.x端口经地址锁存器提供低8位地址（A0～A7），P2.x口直接提供高8位地址（A8～A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0.x端口提供。控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。

5）时钟电路

单片机时钟电路通常有内部振荡和外部振荡两种形式。如图1-38（a）所示为内部振荡形式时钟电路。MCS—51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈器件的晶体振荡器连接，就构成了内部自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。如图1-38（b）所示为外部振荡形式的时钟电路。它直接把外部已有的时钟信号引入单片机内。

6）复位电路

单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS—51单片机有上电自动复位、按键电平手动复位、按键脉冲手动复位3种方式，分别如图1-39（a）～图1-39（c）所示。单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。复位后，P0.x～P3.x口输出高电平，程序计数器清“0”。单片机从0地址开始执行程序。单片机初始复位不影响内部RAM存储器的状态。

8. 家用电器专用型单片机的接口电路

单片机用于家用电器控制时，都要接收来自家用电器的各种状态信号，同时又将控制信号送出，以驱动有关部件工作，而这就需要连接单片机与家用电器相关电路的接口电路。下面介绍在家用电器中专用型单片机使用的常见接口电路及其工作原理。

1）开关信号输入接口

很多家用电器，如电冰箱、洗衣机、微波炉、电烤箱等在开门或开盖时都会产生一个开关脉冲信号。单片机需要通过开关信号输入接口电路接收这些开关脉冲信号。该接口电路较为简单，通常如图1-40所示。电阻R为上拉电阻。有些单片机内部已经有上拉电阻，外部上拉电阻R可以不接。当开关S闭合时，单片机输入低电平“0”；当开关S打开时，单片机输入高电平“1”，从而控制家用电器完成相应的工作。

2）过流/过压信号输入接口

在家用电器中，有时需要对工作电流或工作电压进行控制，使其不超过额定值，以免损坏电路。这就需要过流/过压信号输入接口电路。图1-41为过压信号输入接口电路，从电位器RP得到的取样电压，经运算放大器放大后，输入单片机，再由单片机做出是否过压的判断，发出相应的控制指令。过流信号输入接口与过压信号输入接口的差别是，过流信号接口电路用电流互感器代替了过压信号接口电路的变压器，它在空调器电路中有广泛的应用，本书后面将进行详细介绍。

3）温度模拟信号输入接口

在空调器、电冰箱、电热器具等家用电器中，一般采用热敏三极管或热敏电阻对温度进行检测，得到温度模拟信号。温度模拟信号需要转换为数字信号才能被单片机处理，因此这种单片机内部通常都含有A/D转换电路，它也是接口电路的一部分。温度模拟信号经温度检测放大电路或直接输入单片机进行温度控制。

图1-42所示为温度模拟信号输入接口电路。如图1-42（a）所示为热敏三极管温度模拟信号输入接口电路，VT为热敏三极管。模拟信号经过温度检测放大器放大，送到单片机的比较器输入端Cino，再利用单片机内部的A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号。

电冰箱、空调器一般采用热敏电阻测温。热敏电阻可以直接连接在单片机的比较器输入端Cino，如图1-42（b）所示。

图1-43所示也是一种温度信号输入接口电路，它可以将温度模拟信号转换成一定频率的脉冲，再送入单片机的I/O接口或定时计数器。这种接口电路在电冰箱、空调器中也有很多的应用。该电路中，VT2为热敏三极管，R4为限流电阻，可使VT2集电极电流为0.1mA，以保证VT2处于较好的测温状态。R2、R3、RP1、RP2、C1和单结晶体管VT1组成脉冲振荡电路。振荡频率与RC定时元件的参数值及单结晶体管VT1的峰值电压有关。VT2检测到的温度模拟信号经电路转换成相应频率的脉冲后，再由运算放大器放大输入单片机。

4）开关脉冲输出接口

单片机的开关脉冲输出接口可直接驱动发光二极管、三极管、晶闸管或继电器等器件工作。如图1-44所示为直接驱动发光二极管的开关脉冲输出接口电路。当单片机的P90脚输出高电平时，发光二极管VD截止，不发光；当P90输出低电平时，发光二极管VD导通，流经它的电流达10mA，二极管发光。此端口灌入电流可达15mA，输出电压9V，具有较强的负载能力。

5）数字信号输出接口

图1-44 开关脉冲输出接口电路

图1-45所示为数字显示信号的输出接口。单片机P100～P113脚直接接到LED显示器的阴极，驱动LED显示器工作。单片机的P100～P113脚可允许10mA的灌入电流，所以LED显示器采用共阳极方式。

图1-46所示为键盘扫描数字信号的输出接口。在键盘扫描信号输出接口电路中，P100～P102脚是扫描信号的输出端，P10～P13是键盘按键信号的输入端。

图1-47所示为D/A转换的数字信号输出接口电路。在单片机控制的家用电器中，为进行数字与模拟信号之间的转换，一般将数字信号送到单片机的I/O端口，然后在端口外加电阻网络来产生模拟信号。在D/A转换的数字输出接口中，P100输出数字信号的最高位，P103输出数字信号的最低位。

6）电动机驱动接口

单片机输出的信号功率很低，要驱动大功率的电器或电路，如电动机、电热丝、变频器、四通阀等，就需要用功率匹配的驱动接口，如图1-48所示为电动机驱动接口电路，当单片机I/O端口输出低电平时，IC内部发光二极管导通发光，光电晶闸管受光照而导通，从而使SCR受触发而导通，电动机M运转。当单片机I/O端口输出高电平时，IC内部发光二极管截止，光电晶闸管也截止，SCR因失去触发电压而在交流电过零时截止，电动机M停止运转。可见，通过单片机I/O端口输出的低/高电平可以控制电动机的运行/停止。

7）电热丝驱动接口

图1-49所示为电热丝驱动接口电路，利用单片机I/O端口输出的电压去触发双向晶闸管，进而接通电热丝。触发方式有多种，图1-49中画出了两种，即直接触发式和三极管触发式。SCR1采用直接触发式，当I/O1 端口输出高电平时，双向晶闸管SCR1导通，电热丝通电加热；当I/O1 端口输出低电平时，双向晶闸管SCR1截止，电热丝停止加热。SCR2采用三极管触发方式，当单片机I/O2 端口输出低电平时，三极管VT1截止，其集电极为高电平，触发SCR2导通，电热丝加热；当I/O2 端口输出高电平时，VT1饱和，SCR2截止，电热丝停止加热。