AVR單片機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

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 限位開關(guān)信號(hào)的抗干擾

由于限位開關(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(jī)控制回路與被控回路負(fù)載(如電機(jī))隔離開來(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?？捎行б种齐娫炊溯^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(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 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)鐘不到一天就沒電了。

3.結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)計(jì)開發(fā)AVR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有固定模式，只能在實(shí)踐中通過不斷摸索來(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.加大液晶顯示器開孔尺寸以減少它本身產(chǎn)生靜電干擾。