采用AVR单片机的小型采暖炉控制系统抗干扰设计（转的）

  

采用AVR单片机的小型采暖炉控制系统抗干扰设计  

   在小型工业控制系统实践应用中遇到的数据跳动、静电感应、尖峰电压、液晶显示花屏等抗干扰问题，在分析单片机在小型工业控制系统应用中的干扰源基础上，提出了用阻容滤波、光耦[url=][/url]光耦
　　光耦全称是光耦合器，英文名字是：optical coupler，英文缩写为OC，亦称光电隔离器，简称光耦。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。 [全文]
隔离、压敏电阻[url=][/url]电阻
　　电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻小的物质称为电导体，简称导体。电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。 [全文]
以及选用合适器件、调整液晶显示窗开孔尺寸、采用外部看门狗和外部时钟等一系列具体抗干扰的技术措施。通过在小型采暖炉控制系统中实践和应用，取得良好效果。
　　1. 引言：
　　单片机在工业控制领域应用时不同于民用、商用领域中的应用，工业控制所处的环境相对比较恶劣，干扰源多，其常见干扰源来自现场工业电气在投入、运行、切断等工况下产生的静电感应、尖峰电压、浪涌电流等干扰。实践表明，在工作室中按用户要求设计的小型工业采暖控制系统，尽管各项逻辑功能及技术指标的测试都正常，但该系统拿到现场上却不能使用，检测失灵，操作失控，显示花屏等现象接踵而来。经分析，其干扰是从现场不同路径传入单片机控制系统的。切断干扰源，提高单片机抗干扰能力是解决控制系统正常工作的前提。

       2 抗干扰措施
　　2.1 测温信号的抗干扰
　　测温电路采用的是单总线芯片DS18B20，该芯片具有测温精度高，连接线路简单等优点，其测温范围为-55℃到+125℃。适合于采暖系统测温，在实际应用中当温度在 60℃以下时可正常工作，随着温度的升高，当温度大于 60℃以上时，测温数据开始跳动，且温度越高跳动越剧烈，甚至无法观测。电源加了滤波退偶电路效果不明显，在数据线上并接小电容进行高频旁路时，电容小不起作用，电容大了则数字信号消失。最后经试验在数字电路上加如图 1所示标称值的 RC阻容滤波电路达到了预期效果。


　　2.2 限位开关[url=][/url]开关
　　开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。接通则电流可以通过，反之电流无法通过。在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。 [全文]
信号的抗干扰
　　由于限位开关[url=][/url]限位开关
限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式的。 接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，与其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。 非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。当然还有更多的先进形式。 [全文]
及馈线与 220V交流负载比较靠近，因此，负载产生的交流强磁场直接对限位开关及馈线产生干扰。解决的办法采用光电隔离方式，通过光耦组件 PC827将单片机控制回路与被控回路负载（如电机）隔离开来。从而大大减小了来自负载回路对单片机产生的干扰。
　　2.3 电源回路的抗干扰
　　电源干扰中的尖峰干扰是一种频繁出现的叠加于电网正弦波上的高能脉冲，其幅度可达几千伏，宽度只有几个毫微秒或几个微秒，抑制办法可从多方面入手。如图 2所示，T1为电源变压器，在其交流电源的输入端并联压敏电阻[url=][/url]压敏电阻
　　压敏电阻（英文名称“Voltage Dependent Resistor”简写为“VDR”, 或者叫做“Varistor"）广泛应用于电子线路中，用以防护因电力供应系统的暂态电压突波所可能对电路的伤害。它是一种具有显著非欧姆导体性质的电子元件，压敏电阻的阻值随外部电压而改变，因此它的电流-电压特性曲线具有显著的非线性。 [全文]
RV用来吸收电网瞬间产生的尖峰电压；C1为高频旁路电容，抑制高频差模干扰，C2和 C3用来抑制高频共模干扰。电感 L1中两个线圈绕向相同，流过的电流大小相等，但每一瞬变间的电流方向相反使感生的电磁场方向也相反，故生成的反电势干扰可以相互抵消。可有效抑制电源端较低频率的干扰。


　　2.4 输出驱动电路的抗干扰
　　输出驱动采用电磁继电器[url=][/url]电磁继电器
　　电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流.较低的电压去控制较大电流.较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 [全文]
方式，通过电接点带动交流电机或直流电磁铁，尽管继电器[url=][/url]继电器
　　继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。 [全文]
具有一定的电磁隔离作用，但交流电机或电磁铁激磁线圈断开时会产生高压反电势产生串扰。解决的办法如图3(a)所示，在交流负载如电机两端并接一个高压电容C2，当驱动电路使继电器接点 K断开电机时产生的高压反电势可由并接在电机负载上的电容 C2来吸收掉。该电容大小应适当，一般取所带电机中分相电容 C1的十分之一即可。太小作用不明显，太大则影响分相电容的工作，以致启动力矩太小电机堵转。
　　另外继电器内部的交流 220V接点离继电器线圈很近，很容易产生静电干扰，严重时会使液晶显示器乱码。实践证明继电器结构不同其抗静电干扰能力也不同。应尽量选择继电器线圈与接点距离较远的为好，如图3(b)中的 J2结构的继电器（JQX14F系列）等。


　　2.5 液晶显示器的抗干扰
　　显示电路采用 LCD汉字液晶显示。LCD液晶显示与 LED数码管[url=][/url]数码管
　　数码管是一种以发光二极管为基本单元的半导体发光器件。在我们日常生活中，比如电子秤、电子数码钟等的显示都是利用数码管实现，数码管现今已得到广泛的应用。 [全文]
显示相比具有信息量大，省电，且连接线路简单等优点。但液晶显示的一个致命弱点是抗静电干扰能力差，在使用中一旦有较强的干扰信号出现，显示器就会出现乱码或花屏。尤其是有汉字的液晶显示器花屏出现的机率更高。解决的方法是一方面尽量切断产生静电干扰的途径，另方面是减少液晶显示器本身产生静电干扰的条件。其中，后者更为重要。一般液晶显示器在结构上都有固定液晶显示器面板的金属框。如果在安装时该金属框直接接触外边的固定表盘，形成接触面，使液晶面板会通过金属框及外面固定的金属表盘之间产生电容效应，因而静电干扰不可避免。如图 4所示，要减少静电干扰就必须减少电容效应。具体解决的措施是：将开孔尺寸拓展到图中虚线位置。使得显示器的金属框远离仪表机壳，实测结果电容效应几乎为零。从而乱码和花屏现象不再出现。


　　2.6外部看门狗与外部时钟
　　看门狗也称程序监视定时器。尽管 AVR单片机系统内也有该功能的设置，但在应用实践中发现当干扰严重时该功能会失效，即系统死机后单片机内部的看门狗也无法复位。故有必要在单片机外部单独设计看门狗电路。如图 5所示，由 MC4060芯片及外围电路构成一个看门狗电路。MC4060是一个带外接振荡的 14分频定时计数器，R18和 C2时间常数决定振荡频率。采用如图 5所示的参数时，该振荡频率经过 2秒左右时间后 14分频计数器将被记满，Q14由低电平变高电平经三极管[url=][/url]三极管
　　三极管是一种半导体电子器件，有3个引脚，晶体三极管分别为集电极（c)，基极（b)，发射极（e），电子三极管分别为屏极、栅极、阴极。能够把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也称双极型晶体管,晶体三极管。 [全文]
Q3构成的反相器使输出变为低电平，M16单片机被复位。程序正常运行时，会在规定的时间以内（2S左右）由程序向看门狗 MC4060芯片及时发清零（喂狗）信号，使定时计数器还没有记满就被清除，故不会产生复位信号；当程序“跑飞”时，看门狗便不能在规定的时间内得到清除（喂狗）信号，则看门狗将使 M16单片机复位使程序重新开始工作。
　　为配合看门狗在控制器死机后的复位工作，如图 5所示控制器的系统时钟由外部的时钟专用集成电路[url=][/url]集成电路
　　集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母"IC"(也有用文字符号"N"等)表示。 [全文]
DS1307提供，AVR单片机内部时钟资源仅对程序中的延时变量提供相对时间。这样的好处是当看门狗一旦使系统复位，AVR内部时钟必然要清零，而外部系统时钟不会被清零，不影响控制器定时启动或定时停止等项功能的实施。另外，外部时钟 DS1307芯片耗电极省仅需 0.5微安，而内部时钟即使在省电模式下也需要几毫安以上。若用小型 20mAh容量锂电作电源后备，掉电后外部专用时钟可在几年内信息不丢，而内部时钟不到一天就没电了。


　　3.结束语
　　在设计开发 A VR单片机在工业控制系统中的应用中，抗干扰是一个不能绕过去的现实课题。要解决该课题，熟悉常用的抗干扰措施是一个重要前提。但由于干扰因素多，控制对象及所要求的控制功能不尽相同，所以抗干扰措施并没有固定模式，只能在实践中通过不断摸索来筛选更合理更有效的方案。本文所述的抗干扰措施是一点实践经验的总结，供参考。
　　本文创新点：1.在 DS18B20数据线上接阻容电路；2.在电源的输入端并联压敏电阻以吸收尖峰电压；3.加大液晶显示器开孔尺寸以减少它本身产生静电干扰。