具有高抗干扰能力的变频调速恒压供水系统
徐涛学，徐信颖（内蒙古民族大学，内蒙古通辽028043）
摘要：给出了有高抗干扰能力的变频调速·刚如共水系统的工作原理及系统组成，详细介绍了提高抗干扰能力的几项措施。
关键词：抗干扰i变频调速；恒压供水
中国分类号：TM921.51文献标识码：A文章编号：1673-6540(2009) -0049-03
O 引 言
随着科学技术的飞速发展，变频调速恒压供水设备已在广大城乡得到普及，受到用户的欢迎。但在推广使用这些设备的过程中人们也发现，其抗干扰能力很一般，在干扰较小的场合工作没有问题，但在干扰很强时则不能正常工作。针对这种情况，设计r-种具有高抗干扰能力的变频调速恒压供水系统。本文将介绍该系统的组成及工作原理，以及硬件与软件组成，并详细阐述提高抗于扰能力的几项措施。
1 系统组成及工作原理
具有高抗干扰能力的变频调速恒压供水系统由单片微机控制器（简称控制器）、低通滤波器、交流变频调速器（简称变频器）、直流稳压电源、压力传感器和电机水泵等几部分组成，其框图如图1所示。工作时，安装在水泵出水管卜的压力传感器，将管网水压变成0-5V的模拟信号送给控制器，经A/D转换得到数字信号。该信号与设定压力信号进行运算比较，若管网水压小于或大于设定压力，则控制器经低通滤波器输出给变频器的控制信号幅度增加或减心，使其输出的三相电压频率上升或下降，水泵转速则提高或降低；当管网水压与设定压力相等时，变频器得到的控制信号幅度维持不变，其输出的三相电压频率不变，水泵转速不变。通过这样的控制与调整，实现管网水压恒定：
变频器输入端接380 V 50 Hz交流电源，输出端接电机水泵。其输出由控制电压的大小决定，电压在0 -380 V，频率在0-50 Hz范围内变化。水泵上的电机均为交流异步电动机，其转速与供电电源的频率有关。当用水量大时，变频器输出电压频率升高，水泵电机转速增加；用水量少时转速降低。转速降低时，变频器的输出电压、电流也减小，故能耗减少。所以该系统有非常好的节电效果。另外，变频器可实现电机水泵的软起动，上电后，其工作电流缓慢上升，不产生大电流冲击，也因此省去J7补偿起动设备。
2 系统硬件设计
系统硬件电路如图2所示，CPU采用AT89S52。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，具有灵巧的8位CPU、8K可编程Flash存储器，256字节RAM，32伉I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，3个l16位定时器／计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，是系统的核心部件。μA741、LM555等构成不受电路参数影响的V-F变换型A/D转换电路【1】。该电路用模拟开关CD4066控制3个模拟信号的输入与计最。当模拟开关S1 S2 S3在CPU的控制下分别接通时，送给A/D转换电路的输入信号分别为+5 V(2)设定压力和管网压力：转换后得到的脉冲信号经光
电耦合器TLP521-I送CPU的P3 5，由计数器T1对其进行计数，计数的结果经运算处理后送P．口译码并显示，同时经D/A转换与电流放大送给变频器控制电杌水泵的转速。模拟开关的控制信号由AT89S52的P3.1和P3.0输出，经驱动电路74LS07和光电耦合器TLP521-4加至4个与非CD4011组成的泽码电路的输入端，译码电路的输出控制S1-S3，的导通与截止。
DA C0832和LF356实现8位D/A转换与电流放大，其输出的0-5v模拟电压信号经K式低通滤波器送给变频器的控制信号输入端，其输入的数字量由CPU的P。口经74 LS273、74LS07和TI.P521_4提供。
时钟电路中的晶体工作频率选12 MHz，这将使系统有较高的工作速度，多数单字节指令只需1μs。
电源+5 V(1)为AT89S52、74LS273、74LS07、译码电路、显示电路供电；+5 V(2)为D/A转换电路提供基准电压VⅢ，并为压力传感器提供工作电压；±12 V为A/D转换电路供电。
译码显示、复位、时钟和直流稳压电源电路比较简单，采用的是常规设计，故只给出了框图，这里不再赘述。
3 系统软件设计
变频调速微机供水系统的软件设计原理如图3、4所示。图3为主程序流程图。在主程序中，先对A/D转换电路进行初始化设置，设定电机转速的初值，置T0为定时器工作方式，T1为计数器工作方式，允许T0终断；闭合s1以对A/D转换电路的基准电压+5 V(2)进行A/D转换；开中断，令T0开始计时，T．开始计数；最后执行数据处理与显示程序。其中数据处理程序将经A／D转换得到的二进制信息转换为8421BCD码。在中断服务程序中，对3个信号(+5 V(2)、设定压力、管潮压力）中的每一个分别测量4次，然后进行数据平滑，并把结果存人数据缓冲区。测量完毕转入管网压力与设定压力比较程序，若前者小于后者，则增加CPU经P0口送至D/A转换电路的数字量，反之则减小该数字量，从而控制电机转速提高或降低；当管网压力等于设定压力时，则保持送给D/A转换电路的数字量不变，使电机转速恒定。最后将有关存储单元和寄存器重新初始化，返回主程序。流程图如图4所示。
4 抗干扰措施
(1)采用不受电路参数影响的V-F，变换型A／D转换电路【1】。这种模／数转换电路由于输入端采用了积分器，所以具有很强的抗干扰能力，特别是能较好地抑制交流噪声。而且由于软件与硬件之间的良好配合，有效地解决了传统V-F变换型A/D转换电路转换结果易受电路参数、参考电压变化影响的问题【2】。
(2)在变频器控制信号输入端安装K式低通滤波器。该滤波器由串臂电感L1、L2和并臂电容C7，组成，由于感抗随频率增加而增加，而容抗随频率增加而减小，因此对高频干扰信号具有非常好的滤波效果。
(3)将数字电路和模拟电路分开，各自所使用的电源和地回路也分开（图1中两种不同的地线符号表示两个不同的地回路），防止模拟信号和数字信号通过地回路相互干扰。
(4)在CPU的输入和输出端，用光电耦合器TLP521-I、TLP521-4作接口，对信号及噪声进行隔离，提高系统的抗干扰能力。
(5)加滤波电容。
①在直流电源的输入端并联两个电容进行滤波和去耦，消除从交流电网串人电源系统的干扰信号，其中大容量的电容负责过滤低频干扰，而小容量的电容负责过滤高频干扰。
②在各芯片的电源与地两引脚之间并联0.01 -0. 1 pF的高频滤波电容。
(6)其他措施。
①布线时，电源线和地线选择粗一些，从而减小线路上的分布电阻和压降，降低耦合噪声；布线时避免90度折线以减少高频噪声发射，尽量减少回路环面积和布线长度以降低感应噪声。强信号和弱信号分开走线，以减小强信号对弱信号的干扰。
②各芯片未使用的输入端不悬空，接地或高电平。
③选择性能稳定温漂小的晶体，其安装位置尽量靠近CPU芯片，并尽量减少振荡脉冲信号传输的距离。必要时在振荡器上加一个屏蔽罩并将屏蔽体与安全地在一点上连接。
④选择元器件要保证电气参数一致，安装前一定要做老化试验，以保证元器件的质量。
⑤在交流电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时其电阻值减小的特性削弱尖峰脉冲干扰的影响。
⑥电源变压器布置在电路板的上方，并使其与输入、输出元器件之间相隔一定的距离。变压器初次级绕组之间加屏蔽层并将屏蔽层接地。
⑦变频器控制信号输入端要用屏蔽线连接，保证屏蔽线的外皮接地良好。
(7)较件抗干扰措施。
①用算术平均值法对多次采集的信号值取算术平均作为采样值。
②设置程序陷阱来强迫程序重新开始运行。当干扰侵入使PC值改变并进入非程序区时，不论PC指向哪一个字节都会使程序进入陷阱，然后迫使程序进入复位状态返回主程序。
③起动AT89S52内部的看门狗，保证当程序因强干扰而跑飞时，电路能自动复位，重新起动，恢复正常工作。
5 结语
系统经调试后通过检测，证明其具有很强的抗干扰能力。分别在强工业干扰、强无线电广播干扰的环境下进行试验，系统工作始终正常。在恒压范围内管网水压波动系数小于百分之三，系统响应的稳定时间约为20 s。
设计采用最小系统，不做任何扩展，充分利用已有的口子，不仅减少了元器件，降低了成本，而且有利于提高可靠性。CPU采用AT89552，不仅能满足设计指标的要求，且有性价比高的优越性。
【参考文献】
[1] 徐信颖，陈巴特尔，徐游学不受电路参数影响的V-F变换型A/D转换电路[J]自动化仪表，2000（7）：44 -45
[2] 闫石 数字电子技术基础【M】.3版北京：高等教育出版社，1998
[3] 李群芳单片机与接口技术[M]武汉：华中理工大学出版社，1998.
[4] 孙涵芳，徐爱卿，单斤机原理与应用[M]北京：北京航空航天大学出版社，1988
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