基于单片机的变频空调系统硬件抗干扰技术研究

薛金水夏胜权

（1.广东工程职业技术学院 广州 510520; 2.广州市交通运输职业学校 广州 510440）

基于单片机的变频空调系统硬件抗干扰技术研究

薛金水1夏胜权2

（1.广东工程职业技术学院 广州 510520; 2.广州市交通运输职业学校 广州 510440）

变频空调控制系统因其复杂的工作环境，通常存在很多干扰，影响系统的正常运行。通过对变频空调控制系统基本原理分析，从器件选择、电路设计和印制电路板设计等方面分析了硬件抗干扰措施。这些措施有利于提高系统的抗干扰性能，保障空调系统的正常运行。

变频空调系统；单片机；硬件；抗干扰

0 引言

变频空调控制系统普遍采用单片机作为主控芯片，它是电源转换和信号控制等多个模块的结合体，是强电和弱电结合的系统。变频空调存在使用时间长、室外机工作环境复杂多变，容易受到强电磁干扰等情况，在应用过程中不可避免会产生诸多干扰。干扰轻则导致感应灵敏度降低、重则导致系统控制失灵，甚至是直接破坏系统硬件，引发安全事故。

本文在在分析变频空调单片机控制系统原理基础上，提出提高单片机系统硬件抗干扰措施，从而提高变频空调单片机控制系统的工作可靠性。

1 变频空调控制系统结构及原理

变频空调控制系统主要由电源传输变换和信号采集控制两个部分组成。电源传输变换部分主要考虑电源对室内外风机、电磁阀和四通阀的通电，以及电源的整流、滤波和逆变；控制部分是单片机系统根据遥控输入控制信号和室内、外温度信号，输出相应控制信号，控制压缩机、室内外风机和相关控制器件的工作。控制部分由室内和室外两块主控板组成。

1.1 变频空调室内控制电路工作原理

室内控制电路主要功能是根据检测的室内温度，通过自动调节和遥控调节等方式，通过通信线，控制室外压缩机按照设定程序的工作，具体结构如下。

图1 变频空调室内机电控系统结构图Fig.1 Structure of inverter air conditioning system in indoor part

（1）交流电源电路

220V交流电源进入室内机电控系统，一方面为室内风机提供电源，另一方面经保险丝、压敏电阻进行短路和过压保护，在经过交流滤波器抑制电源线传导干扰后，进入变压器、再经过整流、稳压和滤波后得到的线性电源。提供+12V和+5V电压给单片机和各部分控制芯片使用。

（2）CPU最小系统

CPU最小系统是指由单片机组成的最小工作单元，它主要由电源电路、晶体振荡电路和上电复位电路组成。电源电路给单片机提供稳定的+5V工作电压；晶体振荡电路由晶体振荡器与内部电路共同构成时钟振荡电路，为芯片提供稳定的时钟频率，确保芯片能有序地正常工作；上电复位电路在上电或受到干扰的情况下，给单片机复位端输出触发信号，使单片机程序从头开始运行。

（3）EEPROM电路及显示屏信号传输电路

室内机EEPROM电路内记录着空调出厂设定或者运行存储的一些状态参数，比如室内风扇电机的风速、室内机检测到的温度值、故障代码、压缩机F/V控制值、显示屏亮度等信息。它通常与单片机之间以IIC的方式进行通讯。

（4）过零检测电路

过零检测电路在系统中的主要作用有两个。一是用来检测出交流电的过零点，使微处理芯片控制晶闸管类元件在交流电的零点附近导通，以防止晶闸管因导通瞬间电流过大而烧坏；另一个是用来检测供电电压是否异常。

该电路的工作原理是：将220V交流电源降压为12V电压后经桥式整流，输出一脉动的直流电，将脉动的直流电经过适当分压后提供给三极管，使三极管输出一个与脉动的直流电直接相关的矩形波，这样微处理控制芯片就得到了一个过零触发信号。

（5）室内风机控制电路

室内风扇电机电路由室内微处理器、固态继电器或者晶闸管、运行电容、风扇电机等元件构成。通过室内微处理器发出触发脉冲，控制固态继电器或者晶闸管的通断，从而控制风扇电机的转速。为了减少干扰，微处理器通常通过光电耦合来控制固态继电器或者晶闸管的通断。

在风扇电机内部的霍尔元件检测出转速参数，通过反馈回微处理器芯片。使CPU根据检测当前电机的转速，从而实行有效控制。

（6）导风电机电路

室内导风电机一般采用步进电机。单片机输出4路驱动信号，在经过4个非门倒相放大后，输出给步进电机的绕组，使步进电机旋转，带动室内机风叶摆动，实现大角度、多方向送风。

（7）室内温度和蒸发管温度传感器电路

温度传感器是一只负温度系数热敏电阻，通常它与另一个电阻对+5V电压进行分压，将分压电压送入单片机。温度变化，分压电压随之发生变化。由温度传感器采集的模拟信号，经单片机经过A/D处理转化为数字信号后送入单片机来实现温度检测。

（8）遥控接收电路

遥控输入用来方便用户对空调进行操作控制，用户通过按动遥控器上的按键，遥控器发出相关的控制指令。空调内机上的红外线接收头接收到该指令，在接收芯片内部电路对该信号进行识别后，去控制相关部件工作。

（9）电压检测电路

电压检测电路是为了用来检测供电电压是否正常。当电压过高或过低时，微处理芯片均会发出保护指令，从而保护空调的安全。

其工作原理是：将电源电压经过整流、滤波后，输出一直流电压，通过分压后加在微处理芯片的脚上，从而判断当前电压是否在正常范围内。

（10）应急开关控制功能

应急开关控制是将一个按钮开关连接到单片机芯片相应控制引脚。在遥控不能用而空调其它部分正常时，按应急开关可启动空调机就应急运转；运转中，按应急开关时，该机停机。从而实现对空调系统的应急启动和停止控制。

（11）换气电路

换气电路的作用是通过控制换气电机的运转，通过换气管将室内混浊的空气排到室外，让室内保持清新的空气。其原理是单片机输出换气控制信号，如图2所示，经反相器倒相放大后，驱动换气电机的运转与停止。

图2 变频空调系统室外机电控系统Fig.2 Structure of inverter air conditioning system in outdoor part

1.2 变频空调室外机电路控制原理

室外机电控系统主要由电源逆变和变频电路，开关电源电路、环境检测和输出驱动控制电路、室内外机通信电路组成。

其中电源逆变和变频电路由整流和滤波电路将交流电源转换为310V左右直流电源，再通过逆变电路将直流电逆变为频率和电压等比例变化的变频交流电，驱动变频压缩机以不同转速工作，从而实现制冷量的平滑控制。

通讯电路主要功能是实现变频空调室内机需要将控制信号传输到室外，室外电路工作状态也需要传输到室内进行显示。

开关电源电路将输入的300V直流电压经开关管加到开关变压器初级绕组，通过脉冲控制PWM电路产生激励脉冲控制开关管的通断，在初级绕组产生交流脉冲。次级绕组输出电压经整流、滤波后产生的各组直流电压，为它们的负载供电。

室外机主控电路主要是对室外空调状态进行采集，通过程序控制，实现对各个驱动器件的控制，以及控制变频交流电的频率和电压比，从而实现对变频压缩机的转速控制。主要实现如下控制。

（1）开关电源电路

输入的300V直流电压经开关管加到开关变压器初级绕组，通过脉冲控制PWM电路产生激励脉冲控制开关管的通断，在初级绕组产生交流脉冲。次级绕组输出电压经整流、滤波后产生的各组直流电压，为它们的负载供电。

（2）四通换向阀控制电路

变频空调一般是冷暖型空调，通过控制四通换向阀线圈的供电，从而使四通阀的阀芯动作，改变制冷剂的流向。就可以实现制冷或制热状态的切换。

（3）电子膨胀阀电路

变频空调通常采用电子膨胀阀作为节流器件。单片机输出4路激励脉冲信号，通过控制步进电机旋转，带动阀塞上下运动，通过改变制冷剂流量大小来改变制冷剂的压力。

（4）电加热器电路

变频空调电加热器电路主要在制热时作为电加热辅助，或者制热时作为室外散热片的除霜。单片机输出控制信号，通过三极管放大驱动，或者倒相器倒相放大，驱动继电器线圈供电，从而控制室外机的电加热器供电。

（5）电压检测电路

电压检测电路是用来检测室外机交流供电情况，主要由主控电路通过采集和检测输入电压来实现，若供电电压过低或过高，则系统会进行保护。

（6）电流检测电路

电流检测电路是用来检测室外机的供电电流，主要由主控电路通过采集和检测压缩机电流来实现，以防压缩机过流损坏。

（7）室外温度传感器电路

变频空调室外温度传感器主要检测和传感室外环境温度、压缩机排气口温度、压缩机温度和室外冷凝器出口温度的4个温度传感器组成。它的工作原理与室内温度传感器的工作原理相同的。

（8）功率输出模块

将经过整流、滤波输出的约310V的直流电源，输入功率输出模块，在主控芯片波形控制信号作用下，通过控制变频模块IGBT器件的通断时间变化，从而功率模块输出受控的电压/频率调节信号。从而控制压缩机的运转频率。具体如下图3所示。

图3 功率驱动输出模块原理Fig.3 Principle of power driven output module

（9）通讯电路设计

变频空调室内机需要将控制信号传输到室外，室外电路工作状态也需要传输到室内进行显示。所以，还需要室内外通讯电路。室内机和室外机通讯距离长，容易受到干扰，因此，为了提高通讯的可靠性，本系统采用了共零线电流环的通讯电路。

2 变频空调系统的硬件抗干扰措施

变频空调硬件电路系统是否抗干扰，是整个系统能否正常工作的基础和前提质量，通过合理的硬件电路设计，可以削弱或抑制大部分干扰。在硬件抗干扰设计中，可以采用以下几种抗干扰措施。

2.1 电源的抗干扰设计

空调系统交流电源，主要包括室内机进线电源和对室外电源中，对交流电源的整流滤波和逆变、以及交流电源对室外风机、电磁阀等电力驱动器件的供电。

首先，根据变频空调系统的具体电路，对电源两端并联压敏电阻用于市电过压保护，针对电源变压器初级和次级线圈之间存在着的高频干扰，在电源变压器增加接地的屏蔽层，使高频干扰信号通过屏蔽层直接旁路到地，切断电场耦合通道，从而减少电网的高频干扰。

PTC型热敏电阻抗干扰设计。由于310V供电电路的滤波电容的容量较大。它在充电初期会产生较大的冲击电流，同时，在开机瞬间因室外风机、压缩机等相关功率器件的启动，也会造成开机电流的突然增大，这不仅容易导致整流堆、熔断器等元件过流损坏，而且还会污染电网，所以在开机瞬间需要通过限流电阻对冲击大电流进行抑制。而在正常工作时，则需要将限流电阻短接，直接供电。具体电路原理如下。

图4 交流电源PTC抗干扰设计原理Fig.4 PTC anti jamming principle of AC power supply

2.2 电路板抗干扰设计

印刷电路板是空调控制系统中电路器件、信号线路和电源供电三者的综合载体，设计得好坏对抗干扰能力影响很大。因此印刷电路板设计不仅要复合元器件布局和线路连通。还要注意抗干扰设计。

首先是要复合一般原则：遵循大面积接地、大信号、高阻抗电路走短线等原则。PCB板上没有用的部分都作为接地线；电路板铜模线尽可能使用45度的折线；单片机不用端接地或接正电源、闲置不用的门电路输入端不悬空；引出线与地线要绞起来。

在具体的变频空调系统设计中，还要注意如下设计：使用满足系统要求的最低频率时钟。时钟产生器要尽量靠近用到该时钟器件；石英晶体振荡器外壳要按地，时钟线要尽量短。

关键器件放置：在器件布置方面与其他逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。时钟发生器、晶振和CPU的时钟输入端都易产生噪声，要相互靠近些；CPU复位电路、硬件看门狗电路要尽量靠近CPU相应引脚；易产生噪声的器件、大电流电路等应尽量远离逻辑电路，如有可能，应另外做电路板。

D/A、A/D转换电路要特别注意地线的正确连接，否则干扰影响将很严重。D/A、A/D芯片及采样芯片均提供了数字地和模拟地，分别有相应的管脚。在线路设计中，必须将所有器件的数字地和模拟地分别相连，但数字地与模拟地仅在一点上相连。

2.3 控制线路抗干扰设计

变频空调控制电路从结构上可以分为输入/输出通道、单片机主控电路和电源电路组成（如图5所示），所以，为了防止信号的干扰，就需要在输入/输出通道和单片机主控电路两个方面进行抗干扰设计，具体如下。

图5 单片机系统结构图Fig.5 Structure of single-chip microcomputer systems

空调系统输入通道主要是指对各种传感信号的采集和输入，它通常是采用负温度系数热敏电阻与普通电阻分压的形式实现。为了防止外界环境或者温度的突然变化，造成输入电压的脉冲变化，从而造成单片机的误判断，通常采用在信号输入端加滤波电容来消除突发脉冲的影响。

输出通道主要是实现对风机、电机和电磁阀的控制，这里通常有一个单片机弱信号通过驱动变换再去控制电机和电磁阀的等强电源信号的过程。为了避免强弱电信号之间的串扰信号，通常采用晶闸管、继电器、变压器和光电耦合器件等器件进行电磁隔离。但是，晶闸管和继电器通断瞬间产生的高次谐波大电流会向空间辐射或通过传导耦合，干扰其它设备，通常采用在晶闸管和继电器两端并联脉冲吸收电路的方式来消除其高频干扰。

为了预防线间串扰方面。我们采用将不相同类型信号分开的具体方法来减少和避免其干扰影响，具体措施主要包括：①将强电信号线和弱电信号线分开；②交流和直流分开；③数字信号线和模拟信号线分开；④传输线应尽量远离电源等大功率器件；⑤传输线采用双绞线，并且要尽量短。

用集成放大器和差动放大电路实现信号放大输出。无论是输入还是输出都要实现电信号放大，采用低温漂系数的集成放大器和差动放大电路可以将应用信号放大输出；采用双端输入的方式，可以高效地控制共模信号；采用带滤波功能的集成放大器实现信号放大，可以有效避免高频和低频信号干扰。

去耦技术，就是一个电路的各个单元共用同一电源供电，为了防止电路中数字电路在电平翻转瞬间产生较大的电流在供电线路上产生自感电压；为了防止功率放大电路中较大电流通过过电源的内阻和公共地，使电源电压有产生波动；为了防止高频电路因辐射和耦合在电源上产生干扰。防止各单元之间的耦合，通常需加RL和RC去耦电路，通过串联电感对交流电流的抑制抑制作用和并联电容对高频电压的滤波吸收作用，减少电路对其它部分的干扰和影响。

变频空调室内外机的通信电路也通常通过光电耦合器来实现室内外机通信抗干扰设计。

2.4 元器件选择抗干扰设计

在选定电路控制系统的前提下，元器件选择也是很重要的环节。性能稳定的元器件和组件，能够在环境变化时保持性能稳定，从而提高系统抗干扰能力。具体体现如下：

（1）选用时钟频率低的单片机。在满足系统工作条件下，尽可能选用低频率的时针晶振。既可以减少高频噪声对周围电路产生干扰，又能有效地避免对单片机系统产生噪声干扰。

（2）采用高性能的元器件和组件

对RAM、晶振等影响性能比较大的关键组件，最好选用一级品，确保系统控制的精度和可靠性。另外，性能良好的CMOS器件有利于提高噪声容限，从而有利于抑制共模干扰。

A/D转换器件在电路中起到对传感器信号的检测与转换作用，和对输出信号的转换和驱动作用，其本身的精度和稳定性对检测和控制的准确性有重要影响。如果A/D转换精度不够，微弱的有用信号可能完全被无用的噪音信号淹没。所以应该采用稳定性和精度都比较高的A/D和D/A转换器件。

3 总结

本文主要针对变频空调控制系统的结构原理，分析了其硬件抗干扰系统措施。在各种电磁干扰日益复杂多样变化的情况下，空调的抗干扰技术应该是一个综合性系统工程。分析表明，系统只有从系统设计、器件选择、电路板设计等方面都采取抗干扰措施，才能保障空调系统在各种复杂变化的环境中都能够正常工作。

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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（通讯作者）简介：薛金水（1974.5-)，男，本科，讲师，E-mail：834328342@qq.com

2015-10-13