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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(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所示標稱值的 RC阻容濾波電路達到了預(yù)期效果。
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。
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(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，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)。
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)。
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)當干擾嚴重時該功能會失效，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。
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。
3.結(jié)束語
在設(shè)計開發(fā)AVR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。
