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單片機在工業控制領域應用時不同于民用、商用領域中的應用，工業控制所處的環境相對比較惡劣，干擾源多，其常見干擾源來自現場工業電氣在投入、運行、切斷等工況下產生的靜電感應、尖峰電壓、浪涌電流等干擾。實踐表明，在工作室中按用戶要求設計的小型工業采暖控制系統，盡管各項邏輯功能及技術指標的測試都正常，但該系統拿到現場上卻不能使用，檢測失靈，操作失控，顯示花屏等現象接踵而來。經分析，其干擾是從現場不同路徑傳入單片機控制系統的。切斷干擾源，提高單片機抗干擾能力是解決控制系統正常工作的前提。 2 抗干擾措施 2.1 測溫信號的抗干擾 測溫電路采用的是單總線芯片DS18B20，該芯片具有測溫精度高，連接線路簡單等優點，其測溫范圍為-55℃到+125℃。適合于采暖系統測溫，在實際應用中當溫度在 60℃以下時可正常工作，隨著溫度的升高，當溫度大于 60℃以上時，測溫數據開始跳動，且溫度越高跳動越劇烈，甚至無法觀測。電源加了濾波退偶電路效果不明顯，在數據線上并接小電容進行高頻旁路時，電容小不起作用，電容大了則數字信號消失。最后經試驗在數字電路上加如圖 1所示標稱值的 RC阻容濾波電路達到了預期效果。 2.2 限位開關信號的抗干擾 由于限位開關及饋線與 220V交流負載比較靠近，因此，負載產生的交流強磁場直接對限位開關及饋線產生干擾。解決的辦法采用光電隔離方式，通過光耦組件 PC827將單片機控制回路與被控回路負載（如電機）隔離開來。從而大大減小了來自負載回路對單片機產生的干擾。 2.3 電源回路的抗干擾 電源干擾中的尖峰干擾是一種頻繁出現的疊加于電網正弦波上的高能脈沖，其幅度可達幾千伏，寬度只有幾個毫微秒或幾個微秒，抑制辦法可從多方面入手。如圖 2所示，T1為電源變壓器，在其交流電源的輸入端并聯壓敏電阻 RV用來吸收電網瞬間產生的尖峰電壓；C1為高頻旁路電容，抑制高頻差模干擾，C2和 C3用來抑制高頻共模干擾。電感 L1中兩個線圈繞向相同，流過的電流大小相等，但每一瞬變間的電流方向相反使感生的電磁場方向也相反，故生成的反電勢干擾可以相互抵消。可有效抑制電源端較低頻率的干擾。 2.4 輸出驅動電路的抗干擾 輸出驅動采用電磁繼電器方式，通過電接點帶動交流電機或直流電磁鐵，盡管繼電器具有一定的電磁隔離作用，但交流電機或電磁鐵激磁線圈斷開時會產生高壓反電勢產生串擾。解決的辦法如圖3(a)所示，在交流負載如電機兩端并接一個高壓電容C2，當驅動電路使繼電器接點 K斷開電機時產生的高壓反電勢可由并接在電機負載上的電容 C2來吸收掉。該電容大小應適當，一般取所帶電機中分相電容 C1的十分之一即可。太小作用不明顯，太大則影響分相電容的工作，以致啟動力矩太小電機堵轉。 另外繼電器內部的交流 220V接點離繼電器線圈很近，很容易產生靜電干擾，嚴重時會使液晶顯示器亂碼。實踐證明繼電器結構不同其抗靜電干擾能力也不同。應盡量選擇繼電器線圈與接點距離較遠的為好，如圖3(b)中的 J2結構的繼電器（JQX14F系列）等。 2.5 液晶顯示器的抗干擾 顯示電路采用 LCD漢字液晶顯示。LCD液晶顯示與 LED數碼管顯示相比具有信息量大，省電，且連接線路簡單等優點。但液晶顯示的一個致命弱點是抗靜電干擾能力差，在使用中一旦有較強的干擾信號出現，顯示器就會出現亂碼或花屏。尤其是有漢字的液晶顯示器花屏出現的機率更高。解決的方法是一方面盡量切斷產生靜電干擾的途徑，另方面是減少液晶顯示器本身產生靜電干擾的條件。其中，后者更為重要。一般液晶顯示器在結構上都有固定液晶顯示器面板的金屬框。如果在安裝時該金屬框直接接觸外邊的固定表盤，形成接觸面，使液晶面板會通過金屬框及外面固定的金屬表盤之間產生電容效應，因而靜電干擾不可避免。如圖 4所示，要減少靜電干擾就必須減少電容效應。具體解決的措施是：將開孔尺寸拓展到圖中虛線位置。使得顯示器的金屬框遠離儀表機殼，實測結果電容效應幾乎為零。從而亂碼和花屏現象不再出現。 2.6外部看門狗與外部時鐘 看門狗也稱程序監視定時器。盡管 AVR單片機系統內也有該功能的設置，但在應用實踐中發現當干擾嚴重時該功能會失效，即系統死機后單片機內部的看門狗也無法復位。故有必要在單片機外部單獨設計看門狗電路。如圖 5所示，由 MC4060芯片及外圍電路構成一個看門狗電路。MC4060是一個帶外接振蕩的 14分頻定時計數器，R18和 C2時間常數決定振蕩頻率。采用如圖 5所示的參數時，該振蕩頻率經過 2秒左右時間后 14分頻計數器將被記滿，Q14由低電平變高電平經三極管 Q3構成的反相器使輸出變為低電平，M16單片機被復位。程序正常運行時，會在規定的時間以內（2S左右）由程序向看門狗 MC4060芯片及時發清零（喂狗）信號，使定時計數器還沒有記滿就被清除，故不會產生復位信號；當程序“跑飛”時，看門狗便不能在規定的時間內得到清除（喂狗）信號，則看門狗將使 M16單片機復位使程序重新開始工作。 為配合看門狗在控制器死機后的復位工作，如圖 5所示控制器的系統時鐘由外部的時鐘專用集成電路 DS1307提供，AVR單片機內部時鐘資源僅對程序中的延時變量提供相對時間。這樣的好處是當看門狗一旦使系統復位，AVR內部時鐘必然要清零，而外部系統時鐘不會被清零，不影響控制器定時啟動或定時停止等項功能的實施。另外，外部時鐘 DS1307芯片耗電極省僅需 0.5微安，而內部時鐘即使在省電模式下也需要幾毫安以上。若用小型 20mAh容量鋰電作電源后備，掉電后外部專用時鐘可在幾年內信息不丟，而內部時鐘不到一天就沒電了。 3.結束語 在設計開發 A VR單片機在工業控制系統中的應用中，抗干擾是一個不能繞過去的現實課題。要解決該課題，熟悉常用的抗干擾措施是一個重要前提。但由于干擾因素多，控制對象及所要求的控制功能不盡相同，所以抗干擾措施并沒有固定模式，只能在實踐中通過不斷摸索來篩選更合理更有效的方案。本文所述的抗干擾措施是一點實踐經驗的總結，供參考。 本文創新點：1.在 DS18B20數據線上接阻容電路；2.在電源的輸入端并聯壓敏電阻以吸收尖峰電壓；3.加大液晶顯示器開孔尺寸以減少它本身產生靜電干擾。 |
