采用AVR單片機(jī)的小型采暖爐控制系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)
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1. 引言:
單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)不同于民用、商用領(lǐng)域中的應(yīng)用,工業(yè)控制所處的環(huán)境相對(duì)比較惡劣,干擾源多,其常見(jiàn)干擾源來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)電氣在投入、運(yùn)行、切斷等工況下產(chǎn)生的靜電感應(yīng)、尖峰電壓、浪涌電流等干擾。實(shí)踐表明,在工作室中按用戶要求設(shè)計(jì)的小型工業(yè)采暖控制系統(tǒng),盡管各項(xiàng)邏輯功能及技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試都正常,但該系統(tǒng)拿到現(xiàn)場(chǎng)上卻不能使用,檢測(cè)失靈,操作失控,顯示花屏等現(xiàn)象接踵而來(lái)。經(jīng)分析,其干擾是從現(xiàn)場(chǎng)不同路徑傳入單片機(jī)控制系統(tǒng)的。切斷干擾源,提高單片機(jī)抗干擾能力是解決控制系統(tǒng)正常工作的前提。
2 抗干擾措施
2.1 測(cè)溫信號(hào)的抗干擾
測(cè)溫電路采用的是單總線芯片DS18B20,該芯片具有測(cè)溫精度高,連接線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),其測(cè)溫范圍為-55℃到+125℃。適合于采暖系統(tǒng)測(cè)溫,在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)溫度在 60℃以下時(shí)可正常工作,隨著溫度的升高,當(dāng)溫度大于 60℃以上時(shí),測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)開(kāi)始跳動(dòng),且溫度越高跳動(dòng)越劇烈,甚至無(wú)法觀測(cè)。電源加了濾波退偶電路效果不明顯,在數(shù)據(jù)線上并接小電容進(jìn)行高頻旁路時(shí),電容小不起作用,電容大了則數(shù)字信號(hào)消失。最后經(jīng)試驗(yàn)在數(shù)字電路上加如圖 1所示標(biāo)稱值的 RC阻容濾波電路達(dá)到了預(yù)期效果。
2.2 限位開(kāi)關(guān)信號(hào)的抗干擾
由于限位開(kāi)關(guān)及饋線與 220V交流負(fù)載比較靠近,因此,負(fù)載產(chǎn)生的交流強(qiáng)磁場(chǎng)直接對(duì)限位開(kāi)關(guān)及饋線產(chǎn)生干擾。解決的辦法采用光電隔離方式,通過(guò)光耦組件 PC827將單片機(jī)控制回路與被控回路負(fù)載(如電機(jī))隔離開(kāi)來(lái)。從而大大減小了來(lái)自負(fù)載回路對(duì)單片機(jī)產(chǎn)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(xiàn)的疊加于電網(wǎng)正弦波上的高能脈沖,其幅度可達(dá)幾千伏,寬度只有幾個(gè)毫微秒或幾個(gè)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(lián)壓敏電阻 RV用來(lái)吸收電網(wǎng)瞬間產(chǎn)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(lái)抑制高頻共模干擾。電感 L1中兩個(gè)線圈繞向相同,流過(guò)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(chǎng)方向也相反,故生成的反電勢(shì)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(qū)動(dòng)電路的抗干擾
輸出驅(qū)動(dòng)采用電磁繼電器方式,通過(guò)電接點(diǎn)帶動(dòng)交流電機(jī)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(jī)或電磁鐵激磁線圈斷開(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生高壓反電勢(shì)產(chǎn)生串?dāng)_。解決的辦法如圖3(a)所示,在交流負(fù)載如電機(jī)兩端并接一個(gè)高壓電容C2,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器接點(diǎn) K斷開(kāi)電機(jī)時(shí)產(chǎn)生的高壓反電勢(shì)可由并接在電機(jī)負(fù)載上的電容 C2來(lái)吸收掉。該電容大小應(yīng)適當(dāng),一般取所帶電機(jī)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(dòng)力矩太小電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
另外繼電器內(nèi)部的交流 220V接點(diǎn)離繼電器線圈很近,很容易產(chǎn)生靜電干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使液晶顯示器亂碼。實(shí)踐證明繼電器結(jié)構(gòu)不同其抗靜電干擾能力也不同。應(yīng)盡量選擇繼電器線圈與接點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的為好,如圖3(b)中的 J2結(jié)構(gòu)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(shù)碼管顯示相比具有信息量大,省電,且連接線路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但液晶顯示的一個(gè)致命弱點(diǎn)是抗靜電干擾能力差,在使用中一旦有較強(qiáng)的干擾信號(hào)出現(xiàn),顯示器就會(huì)出現(xiàn)亂碼或花屏。尤其是有漢字的液晶顯示器花屏出現(xiàn)的機(jī)率更高。解決的方法是一方面盡量切斷產(chǎn)生靜電干擾的途徑,另方面是減少液晶顯示器本身產(chǎn)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(jié)構(gòu)上都有固定液晶顯示器面板的金屬框。如果在安裝時(shí)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(huì)通過(guò)金屬框及外面固定的金屬表盤之間產(chǎn)生電容效應(yīng),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(yīng)。具體解決的措施是:將開(kāi)孔尺寸拓展到圖中虛線位置。使得顯示器的金屬框遠(yuǎn)離儀表機(jī)殼,實(shí)測(cè)結(jié)果電容效應(yīng)幾乎為零。從而亂碼和花屏現(xiàn)象不再出現(xiàn)。
2.6外部看門狗與外部時(shí)鐘
看門狗也稱程序監(jiān)視定時(shí)器。盡管 AVR單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)也有該功能的設(shè)置,但在應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)當(dāng)干擾嚴(yán)重時(shí)該功能會(huì)失效,即系統(tǒng)死機(jī)后單片機(jī)內(nèi)部的看門狗也無(wú)法復(fù)位。故有必要在單片機(jī)外部單獨(dú)設(shè)計(jì)看門狗電路。如圖 5所示,由 MC4060芯片及外圍電路構(gòu)成一個(gè)看門狗電路。MC4060是一個(gè)帶外接振蕩的 14分頻定時(shí)計(jì)數(shù)器,R18和 C2時(shí)間常數(shù)決定振蕩頻率。采用如圖 5所示的參數(shù)時(shí),該振蕩頻率經(jīng)過(guò) 2秒左右時(shí)間后 14分頻計(jì)數(shù)器將被記滿,Q14由低電平變高電平經(jīng)三極管 Q3構(gòu)成的反相器使輸出變?yōu)榈碗娖?,M16單片機(jī)被復(fù)位。程序正常運(yùn)行時(shí),會(huì)在規(guī)定的時(shí)間以內(nèi)(2S左右)由程序向看門狗 MC4060芯片及時(shí)發(fā)清零(喂狗)信號(hào),使定時(shí)計(jì)數(shù)器還沒(méi)有記滿就被清除,故不會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào);當(dāng)程序“跑飛”時(shí),看門狗便不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到清除(喂狗)信號(hào),則看門狗將使 M16單片機(jī)復(fù)位使程序重新開(kāi)始工作。
為配合看門狗在控制器死機(jī)后的復(fù)位工作,如圖 5所示控制器的系統(tǒng)時(shí)鐘由外部的時(shí)鐘專用集成電路 DS1307提供,AVR單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘資源僅對(duì)程序中的延時(shí)變量提供相對(duì)時(shí)間。這樣的好處是當(dāng)看門狗一旦使系統(tǒng)復(fù)位,AVR內(nèi)部時(shí)鐘必然要清零,而外部系統(tǒng)時(shí)鐘不會(huì)被清零,不影響控制器定時(shí)啟動(dòng)或定時(shí)停止等項(xiàng)功能的實(shí)施。另外,外部時(shí)鐘 DS1307芯片耗電極省僅需 0.5微安,而內(nèi)部時(shí)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(shí)鐘可在幾年內(nèi)信息不丟,而內(nèi)部時(shí)鐘不到一天就沒(méi)電了。
3.結(jié)束語(yǔ)
在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) A VR單片機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用中,抗干擾是一個(gè)不能繞過(guò)去的現(xiàn)實(shí)課題。要解決該課題,熟悉常用的抗干擾措施是一個(gè)重要前提。但由于干擾因素多,控制對(duì)象及所要求的控制功能不盡相同,所以抗干擾措施并沒(méi)有固定模式,只能在實(shí)踐中通過(guò)不斷摸索來(lái)篩選更合理更有效的方案。本文所述的抗干擾措施是一點(diǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),供參考。
本文創(chuàng)新點(diǎn):1.在 DS18B20數(shù)據(jù)線上接阻容電路;2.在電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻以吸收尖峰電壓;3.加大液晶顯示器開(kāi)孔尺寸以減少它本身產(chǎn)生靜電干擾。