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[導(dǎo)讀]本文針對 AVR單片機在小型工業(yè)控制系統(tǒng)實踐應(yīng)用中遇到的數(shù)據(jù)跳動、靜電感應(yīng)、尖峰電壓、液晶顯示花屏等抗干擾問題,在分析單片機在小型工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用中的干擾源基礎(chǔ)上,提出了用阻容濾波、光耦隔離、壓敏電阻以及選用合適器件、調(diào)整液晶顯示窗開孔尺寸、采用外部看門狗和外部時鐘等一系列具體抗干擾的技術(shù)措施。通過在小型采暖爐控制系統(tǒng)中實踐和應(yīng)用,取得良好效果。

1. 引言:
單片機在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用時不同于民用、商用領(lǐng)域中的應(yīng)用,工業(yè)控制所處的環(huán)境相對比較惡劣,干擾源多,其常見干擾源來自現(xiàn)場工業(yè)電氣在投入、運行、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。實踐表明,在工作室中按用戶要求設(shè)計的小型工業(yè)采暖控制系統(tǒng),盡管各項邏輯功能及技術(shù)指標(biāo)的測試都正常,但該系統(tǒng)拿到現(xiàn)場上卻不能使用,檢測失靈,操作失控,顯示花屏等現(xiàn)象接踵而來。經(jīng)分析,其干擾是從現(xiàn)場不同路徑傳入單片機控制系統(tǒng)的。切斷干擾源,提高單片機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(yōu)點,其測溫范圍為-55℃到+125℃。適合于采暖系統(tǒng)測溫,在實際應(yīng)用中當(dāng)溫度在 60℃以下時可正常工作,隨著溫度的升高,當(dāng)溫度大于 60℃以上時,測溫數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)字信號消失。最后經(jīng)試驗在數(shù)字電路上加如圖 1所示標(biāo)稱值的 RC阻容濾波電路達到了預(yù)期效果。 
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2.2 限位開關(guān)信號的抗干擾
由于限位開關(guān)及饋線與 220V交流負載比較靠近,因此,負載產(chǎn)生的交流強磁場直接對限位開關(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(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(lián)壓敏電阻 RV用來吸收電網(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??捎行б种齐娫炊溯^低頻率的干擾。[!--empirenews.page--]
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2.4 輸出驅(qū)動電路的抗干擾
輸出驅(qū)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(chǎn)生高壓反電勢產(chǎn)生串?dāng)_。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(dāng)驅(qū)動電路使繼電器接點 K斷開電機時產(chǎn)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(yīng)適當(dāng),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(zhuǎn)。 
 
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另外繼電器內(nèi)部的交流 220V接點離繼電器線圈很近,很容易產(chǎn)生靜電干擾,嚴(yán)重時會使液晶顯示器亂碼。實踐證明繼電器結(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距離較遠的為好,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,且連接線路簡單等優(yōu)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(xiàn),顯示器就會出現(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(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(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)。 
 
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2.6外部看門狗與外部時鐘
看門狗也稱程序監(jiān)視定時器。盡管 AVR單片機系統(tǒng)內(nèi)也有該功能的設(shè)置,但在應(yīng)用實踐中發(fā)現(xiàn)當(dāng)干擾嚴(yán)重時該功能會失效,即系統(tǒng)死機后單片機內(nèi)部的看門狗也無法復(fù)位。故有必要在單片機外部單獨設(shè)計看門狗電路。如圖 5所示,由 MC4060芯片及外圍電路構(gòu)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(shù)器,R18和 C2時間常數(shù)決定振蕩頻率。采用如圖 5所示的參數(shù)時,該振蕩頻率經(jīng)過 2秒左右時間后 14分頻計數(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單片機被復(fù)位。程序正常運行時,會在規(guī)定的時間以內(nèi)(2S左右)由程序向看門狗 MC4060芯片及時發(fā)清零(喂狗)信號,使定時計數(shù)器還沒有記滿就被清除,故不會產(chǎn)生復(fù)位信號;當(dāng)程序“跑飛”時,看門狗便不能在規(guī)定的時間內(nèi)得到清除(喂狗)信號,則看門狗將使 M16單片機復(fù)位使程序重新開始工作。 [!--empirenews.page--]
為配合看門狗在控制器死機后的復(fù)位工作,如圖 5所示控制器的系統(tǒng)時鐘由外部的時鐘專用集成電路 DS1307提供,AVR單片機內(nèi)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(dāng)看門狗一旦使系統(tǒng)復(fù)位,AVR內(nèi)部時鐘必然要清零,而外部系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)信息不丟,而內(nèi)部時鐘不到一天就沒電了。 
 
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3.結(jié)束語
在設(shè)計開發(fā) A VR單片機在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用中,抗干擾是一個不能繞過去的現(xiàn)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(jīng)驗的總結(jié),供參考。
本文創(chuàng)新點: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.加大液晶顯示器開孔尺寸以減少它本身產(chǎn)生靜電干擾。

參考文獻
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