薛金水夏勝權

（1.廣東工程職業(yè)技術學院 廣州 510520; 2.廣州市交通運輸職業(yè)學校 廣州 510440）

基于單片機的變頻空調系統(tǒng)硬件抗干擾技術研究

薛金水1夏勝權2

（1.廣東工程職業(yè)技術學院 廣州 510520; 2.廣州市交通運輸職業(yè)學校 廣州 510440）

變頻空調控制系統(tǒng)因其復雜的工作環(huán)境，通常存在很多干擾，影響系統(tǒng)的正常運行。通過對變頻空調控制系統(tǒng)基本原理分析，從器件選擇、電路設計和印制電路板設計等方面分析了硬件抗干擾措施。這些措施有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能，保障空調系統(tǒng)的正常運行。

變頻空調系統(tǒng)；單片機；硬件；抗干擾

0 引言

變頻空調控制系統(tǒng)普遍采用單片機作為主控芯片，它是電源轉換和信號控制等多個模塊的結合體，是強電和弱電結合的系統(tǒng)。變頻空調存在使用時間長、室外機工作環(huán)境復雜多變，容易受到強電磁干擾等情況，在應用過程中不可避免會產生諸多干擾。干擾輕則導致感應靈敏度降低、重則導致系統(tǒng)控制失靈，甚至是直接破壞系統(tǒng)硬件，引發(fā)安全事故。

本文在在分析變頻空調單片機控制系統(tǒng)原理基礎上，提出提高單片機系統(tǒng)硬件抗干擾措施，從而提高變頻空調單片機控制系統(tǒng)的工作可靠性。

1 變頻空調控制系統(tǒng)結構及原理

變頻空調控制系統(tǒng)主要由電源傳輸變換和信號采集控制兩個部分組成。電源傳輸變換部分主要考慮電源對室內外風機、電磁閥和四通閥的通電，以及電源的整流、濾波和逆變；控制部分是單片機系統(tǒng)根據(jù)遙控輸入控制信號和室內、外溫度信號，輸出相應控制信號，控制壓縮機、室內外風機和相關控制器件的工作。控制部分由室內和室外兩塊主控板組成。

1.1 變頻空調室內控制電路工作原理

室內控制電路主要功能是根據(jù)檢測的室內溫度，通過自動調節(jié)和遙控調節(jié)等方式，通過通信線，控制室外壓縮機按照設定程序的工作，具體結構如下。

圖1 變頻空調室內機電控系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of inverter air conditioning system in indoor part

（1）交流電源電路

220V交流電源進入室內機電控系統(tǒng)，一方面為室內風機提供電源，另一方面經保險絲、壓敏電阻進行短路和過壓保護，在經過交流濾波器抑制電源線傳導干擾后，進入變壓器、再經過整流、穩(wěn)壓和濾波后得到的線性電源。提供+12V和+5V電壓給單片機和各部分控制芯片使用。

（2）CPU最小系統(tǒng)

CPU最小系統(tǒng)是指由單片機組成的最小工作單元，它主要由電源電路、晶體振蕩電路和上電復位電路組成。電源電路給單片機提供穩(wěn)定的+5V工作電壓；晶體振蕩電路由晶體振蕩器與內部電路共同構成時鐘振蕩電路，為芯片提供穩(wěn)定的時鐘頻率，確保芯片能有序地正常工作；上電復位電路在上電或受到干擾的情況下，給單片機復位端輸出觸發(fā)信號，使單片機程序從頭開始運行。

（3）EEPROM電路及顯示屏信號傳輸電路

室內機EEPROM電路內記錄著空調出廠設定或者運行存儲的一些狀態(tài)參數(shù)，比如室內風扇電機的風速、室內機檢測到的溫度值、故障代碼、壓縮機F/V控制值、顯示屏亮度等信息。它通常與單片機之間以IIC的方式進行通訊。

（4）過零檢測電路

過零檢測電路在系統(tǒng)中的主要作用有兩個。一是用來檢測出交流電的過零點，使微處理芯片控制晶閘管類元件在交流電的零點附近導通，以防止晶閘管因導通瞬間電流過大而燒壞；另一個是用來檢測供電電壓是否異常。

該電路的工作原理是：將220V交流電源降壓為12V電壓后經橋式整流，輸出一脈動的直流電，將脈動的直流電經過適當分壓后提供給三極管，使三極管輸出一個與脈動的直流電直接相關的矩形波，這樣微處理控制芯片就得到了一個過零觸發(fā)信號。

（5）室內風機控制電路

室內風扇電機電路由室內微處理器、固態(tài)繼電器或者晶閘管、運行電容、風扇電機等元件構成。通過室內微處理器發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制固態(tài)繼電器或者晶閘管的通斷，從而控制風扇電機的轉速。為了減少干擾，微處理器通常通過光電耦合來控制固態(tài)繼電器或者晶閘管的通斷。

在風扇電機內部的霍爾元件檢測出轉速參數(shù)，通過反饋回微處理器芯片。使CPU根據(jù)檢測當前電機的轉速，從而實行有效控制。

（6）導風電機電路

室內導風電機一般采用步進電機。單片機輸出4路驅動信號，在經過4個非門倒相放大后，輸出給步進電機的繞組，使步進電機旋轉，帶動室內機風葉擺動，實現(xiàn)大角度、多方向送風。

（7）室內溫度和蒸發(fā)管溫度傳感器電路

溫度傳感器是一只負溫度系數(shù)熱敏電阻，通常它與另一個電阻對+5V電壓進行分壓，將分壓電壓送入單片機。溫度變化，分壓電壓隨之發(fā)生變化。由溫度傳感器采集的模擬信號，經單片機經過A/D處理轉化為數(shù)字信號后送入單片機來實現(xiàn)溫度檢測。

（8）遙控接收電路

遙控輸入用來方便用戶對空調進行操作控制，用戶通過按動遙控器上的按鍵，遙控器發(fā)出相關的控制指令。空調內機上的紅外線接收頭接收到該指令，在接收芯片內部電路對該信號進行識別后，去控制相關部件工作。

（9）電壓檢測電路

電壓檢測電路是為了用來檢測供電電壓是否正常。當電壓過高或過低時，微處理芯片均會發(fā)出保護指令，從而保護空調的安全。

其工作原理是：將電源電壓經過整流、濾波后，輸出一直流電壓，通過分壓后加在微處理芯片的腳上，從而判斷當前電壓是否在正常范圍內。

（10）應急開關控制功能

應急開關控制是將一個按鈕開關連接到單片機芯片相應控制引腳。在遙控不能用而空調其它部分正常時，按應急開關可啟動空調機就應急運轉；運轉中，按應急開關時，該機停機。從而實現(xiàn)對空調系統(tǒng)的應急啟動和停止控制。

（11）換氣電路

換氣電路的作用是通過控制換氣電機的運轉，通過換氣管將室內混濁的空氣排到室外，讓室內保持清新的空氣。其原理是單片機輸出換氣控制信號，如圖2所示，經反相器倒相放大后，驅動換氣電機的運轉與停止。

圖2 變頻空調系統(tǒng)室外機電控系統(tǒng)Fig.2 Structure of inverter air conditioning system in outdoor part

1.2 變頻空調室外機電路控制原理

室外機電控系統(tǒng)主要由電源逆變和變頻電路，開關電源電路、環(huán)境檢測和輸出驅動控制電路、室內外機通信電路組成。

其中電源逆變和變頻電路由整流和濾波電路將交流電源轉換為310V左右直流電源，再通過逆變電路將直流電逆變?yōu)轭l率和電壓等比例變化的變頻交流電，驅動變頻壓縮機以不同轉速工作，從而實現(xiàn)制冷量的平滑控制。

通訊電路主要功能是實現(xiàn)變頻空調室內機需要將控制信號傳輸?shù)绞彝猓彝怆娐饭ぷ鳡顟B(tài)也需要傳輸?shù)绞覂冗M行顯示。

開關電源電路將輸入的300V直流電壓經開關管加到開關變壓器初級繞組，通過脈沖控制PWM電路產生激勵脈沖控制開關管的通斷，在初級繞組產生交流脈沖。次級繞組輸出電壓經整流、濾波后產生的各組直流電壓，為它們的負載供電。

室外機主控電路主要是對室外空調狀態(tài)進行采集，通過程序控制，實現(xiàn)對各個驅動器件的控制，以及控制變頻交流電的頻率和電壓比，從而實現(xiàn)對變頻壓縮機的轉速控制。主要實現(xiàn)如下控制。

（1）開關電源電路

輸入的300V直流電壓經開關管加到開關變壓器初級繞組，通過脈沖控制PWM電路產生激勵脈沖控制開關管的通斷，在初級繞組產生交流脈沖。次級繞組輸出電壓經整流、濾波后產生的各組直流電壓，為它們的負載供電。

（2）四通換向閥控制電路

變頻空調一般是冷暖型空調，通過控制四通換向閥線圈的供電，從而使四通閥的閥芯動作，改變制冷劑的流向。就可以實現(xiàn)制冷或制熱狀態(tài)的切換。

（3）電子膨脹閥電路

變頻空調通常采用電子膨脹閥作為節(jié)流器件。單片機輸出4路激勵脈沖信號，通過控制步進電機旋轉，帶動閥塞上下運動，通過改變制冷劑流量大小來改變制冷劑的壓力。

（4）電加熱器電路

變頻空調電加熱器電路主要在制熱時作為電加熱輔助，或者制熱時作為室外散熱片的除霜。單片機輸出控制信號，通過三極管放大驅動，或者倒相器倒相放大，驅動繼電器線圈供電，從而控制室外機的電加熱器供電。

（5）電壓檢測電路

電壓檢測電路是用來檢測室外機交流供電情況，主要由主控電路通過采集和檢測輸入電壓來實現(xiàn)，若供電電壓過低或過高，則系統(tǒng)會進行保護。

（6）電流檢測電路

電流檢測電路是用來檢測室外機的供電電流，主要由主控電路通過采集和檢測壓縮機電流來實現(xiàn)，以防壓縮機過流損壞。

（7）室外溫度傳感器電路

變頻空調室外溫度傳感器主要檢測和傳感室外環(huán)境溫度、壓縮機排氣口溫度、壓縮機溫度和室外冷凝器出口溫度的4個溫度傳感器組成。它的工作原理與室內溫度傳感器的工作原理相同的。

（8）功率輸出模塊

將經過整流、濾波輸出的約310V的直流電源，輸入功率輸出模塊，在主控芯片波形控制信號作用下，通過控制變頻模塊IGBT器件的通斷時間變化，從而功率模塊輸出受控的電壓/頻率調節(jié)信號。從而控制壓縮機的運轉頻率。具體如下圖3所示。

圖3 功率驅動輸出模塊原理Fig.3 Principle of power driven output module

（9）通訊電路設計

變頻空調室內機需要將控制信號傳輸?shù)绞彝?，室外電路工作狀態(tài)也需要傳輸?shù)绞覂冗M行顯示。所以，還需要室內外通訊電路。室內機和室外機通訊距離長，容易受到干擾，因此，為了提高通訊的可靠性，本系統(tǒng)采用了共零線電流環(huán)的通訊電路。

2 變頻空調系統(tǒng)的硬件抗干擾措施

變頻空調硬件電路系統(tǒng)是否抗干擾，是整個系統(tǒng)能否正常工作的基礎和前提質量，通過合理的硬件電路設計，可以削弱或抑制大部分干擾。在硬件抗干擾設計中，可以采用以下幾種抗干擾措施。

2.1 電源的抗干擾設計

空調系統(tǒng)交流電源，主要包括室內機進線電源和對室外電源中，對交流電源的整流濾波和逆變、以及交流電源對室外風機、電磁閥等電力驅動器件的供電。

首先，根據(jù)變頻空調系統(tǒng)的具體電路，對電源兩端并聯(lián)壓敏電阻用于市電過壓保護，針對電源變壓器初級和次級線圈之間存在著的高頻干擾，在電源變壓器增加接地的屏蔽層，使高頻干擾信號通過屏蔽層直接旁路到地，切斷電場耦合通道，從而減少電網的高頻干擾。

PTC型熱敏電阻抗干擾設計。由于310V供電電路的濾波電容的容量較大。它在充電初期會產生較大的沖擊電流，同時，在開機瞬間因室外風機、壓縮機等相關功率器件的啟動，也會造成開機電流的突然增大，這不僅容易導致整流堆、熔斷器等元件過流損壞，而且還會污染電網，所以在開機瞬間需要通過限流電阻對沖擊大電流進行抑制。而在正常工作時，則需要將限流電阻短接，直接供電。具體電路原理如下。

圖4 交流電源PTC抗干擾設計原理Fig.4 PTC anti jamming principle of AC power supply

2.2 電路板抗干擾設計

印刷電路板是空調控制系統(tǒng)中電路器件、信號線路和電源供電三者的綜合載體，設計得好壞對抗干擾能力影響很大。因此印刷電路板設計不僅要復合元器件布局和線路連通。還要注意抗干擾設計。

首先是要復合一般原則：遵循大面積接地、大信號、高阻抗電路走短線等原則。PCB板上沒有用的部分都作為接地線；電路板銅模線盡可能使用45度的折線；單片機不用端接地或接正電源、閑置不用的門電路輸入端不懸空；引出線與地線要絞起來。

在具體的變頻空調系統(tǒng)設計中，還要注意如下設計：使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時鐘。時鐘產生器要盡量靠近用到該時鐘器件；石英晶體振蕩器外殼要按地，時鐘線要盡量短。

關鍵器件放置：在器件布置方面與其他邏輯電路一樣，應把相互有關的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。時鐘發(fā)生器、晶振和CPU的時鐘輸入端都易產生噪聲，要相互靠近些；CPU復位電路、硬件看門狗電路要盡量靠近CPU相應引腳；易產生噪聲的器件、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路，如有可能，應另外做電路板。

D/A、A/D轉換電路要特別注意地線的正確連接，否則干擾影響將很嚴重。D/A、A/D芯片及采樣芯片均提供了數(shù)字地和模擬地，分別有相應的管腳。在線路設計中，必須將所有器件的數(shù)字地和模擬地分別相連，但數(shù)字地與模擬地僅在一點上相連。

2.3 控制線路抗干擾設計

變頻空調控制電路從結構上可以分為輸入/輸出通道、單片機主控電路和電源電路組成（如圖5所示），所以，為了防止信號的干擾，就需要在輸入/輸出通道和單片機主控電路兩個方面進行抗干擾設計，具體如下。

圖5 單片機系統(tǒng)結構圖Fig.5 Structure of single-chip microcomputer systems

空調系統(tǒng)輸入通道主要是指對各種傳感信號的采集和輸入，它通常是采用負溫度系數(shù)熱敏電阻與普通電阻分壓的形式實現(xiàn)。為了防止外界環(huán)境或者溫度的突然變化，造成輸入電壓的脈沖變化，從而造成單片機的誤判斷，通常采用在信號輸入端加濾波電容來消除突發(fā)脈沖的影響。

輸出通道主要是實現(xiàn)對風機、電機和電磁閥的控制，這里通常有一個單片機弱信號通過驅動變換再去控制電機和電磁閥的等強電源信號的過程。為了避免強弱電信號之間的串擾信號，通常采用晶閘管、繼電器、變壓器和光電耦合器件等器件進行電磁隔離。但是，晶閘管和繼電器通斷瞬間產生的高次諧波大電流會向空間輻射或通過傳導耦合，干擾其它設備，通常采用在晶閘管和繼電器兩端并聯(lián)脈沖吸收電路的方式來消除其高頻干擾。

為了預防線間串擾方面。我們采用將不相同類型信號分開的具體方法來減少和避免其干擾影響，具體措施主要包括：①將強電信號線和弱電信號線分開；②交流和直流分開；③數(shù)字信號線和模擬信號線分開；④傳輸線應盡量遠離電源等大功率器件；⑤傳輸線采用雙絞線，并且要盡量短。

用集成放大器和差動放大電路實現(xiàn)信號放大輸出。無論是輸入還是輸出都要實現(xiàn)電信號放大，采用低溫漂系數(shù)的集成放大器和差動放大電路可以將應用信號放大輸出；采用雙端輸入的方式，可以高效地控制共模信號；采用帶濾波功能的集成放大器實現(xiàn)信號放大，可以有效避免高頻和低頻信號干擾。

去耦技術，就是一個電路的各個單元共用同一電源供電，為了防止電路中數(shù)字電路在電平翻轉瞬間產生較大的電流在供電線路上產生自感電壓；為了防止功率放大電路中較大電流通過過電源的內阻和公共地，使電源電壓有產生波動；為了防止高頻電路因輻射和耦合在電源上產生干擾。防止各單元之間的耦合，通常需加RL和RC去耦電路，通過串聯(lián)電感對交流電流的抑制抑制作用和并聯(lián)電容對高頻電壓的濾波吸收作用，減少電路對其它部分的干擾和影響。

變頻空調室內外機的通信電路也通常通過光電耦合器來實現(xiàn)室內外機通信抗干擾設計。

2.4 元器件選擇抗干擾設計

在選定電路控制系統(tǒng)的前提下，元器件選擇也是很重要的環(huán)節(jié)。性能穩(wěn)定的元器件和組件，能夠在環(huán)境變化時保持性能穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)抗干擾能力。具體體現(xiàn)如下：

（1）選用時鐘頻率低的單片機。在滿足系統(tǒng)工作條件下，盡可能選用低頻率的時針晶振。既可以減少高頻噪聲對周圍電路產生干擾，又能有效地避免對單片機系統(tǒng)產生噪聲干擾。

（2）采用高性能的元器件和組件

對RAM、晶振等影響性能比較大的關鍵組件，最好選用一級品，確保系統(tǒng)控制的精度和可靠性。另外，性能良好的CMOS器件有利于提高噪聲容限，從而有利于抑制共模干擾。

A/D轉換器件在電路中起到對傳感器信號的檢測與轉換作用，和對輸出信號的轉換和驅動作用，其本身的精度和穩(wěn)定性對檢測和控制的準確性有重要影響。如果A/D轉換精度不夠，微弱的有用信號可能完全被無用的噪音信號淹沒。所以應該采用穩(wěn)定性和精度都比較高的A/D和D/A轉換器件。

3 總結

本文主要針對變頻空調控制系統(tǒng)的結構原理，分析了其硬件抗干擾系統(tǒng)措施。在各種電磁干擾日益復雜多樣變化的情況下，空調的抗干擾技術應該是一個綜合性系統(tǒng)工程。分析表明，系統(tǒng)只有從系統(tǒng)設計、器件選擇、電路板設計等方面都采取抗干擾措施，才能保障空調系統(tǒng)在各種復雜變化的環(huán)境中都能夠正常工作。

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Research on Hardware Anti–Interference Technologies in Inverter Air Conditioning System Base on Single–chip Microcomputer

Xue Jinshui1Xia Shengquan1
( 1.Guangdong Polytechnic College, Guangzhou, 510520; 2.Guangzhou Trafffic and Transportation Vocational School, Guangzhou, 510440 )

Because of its complex working environment, There is usually a lot of interference in inverter air conditioning. It will influence the normal work of the system. In this paper, analyzing the hardware anti-interference measures from device selection, circuit design and PCB design and so on. It will effective to improve the anti-interference performance of the system, ensure the normal operation of the system.

Inverter air conditioning system; single–chip microcomputer; Hardware; anti–interference

TP311

A

1671-6612（2017）01-058-06

作者（通訊作者）簡介：薛金水（1974.5-)，男，本科，講師，E-mail：834328342@qq.com

2015-10-13