朱偉

【摘 要】本文對AT89C51單片機(jī)控制的電爐烤箱溫度控制系統(tǒng)的抗干擾問題進(jìn)行了表述，分析研究了干擾信號(hào)的來源，提出了一種抗干擾設(shè)計(jì)，較好地解決電爐烤箱溫度控制系統(tǒng)的抗干擾問題。

【關(guān)鍵詞】AT89C51單片機(jī)；溫度控制系統(tǒng)；抗干擾研究

0 引言

本電爐烤箱溫度控制系統(tǒng)采用ATMEL 公司推出的AT89C51 單片機(jī)為控制部件，它是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS 八位單片機(jī)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)的控制程序不大，能將控制程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)內(nèi)自帶的4KBFLASHROM 中，不必再擴(kuò)展ROM。這樣使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極其方便，元件少，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)反應(yīng)快。價(jià)格經(jīng)濟(jì)。同時(shí)也存在其不足的方面，穩(wěn)定性能不太理想，可能受現(xiàn)場環(huán)境干擾而降低溫度控制的精度，這就要求我們對其干擾來源認(rèn)真分析研究，進(jìn)而改進(jìn)抗干擾設(shè)計(jì)，使其充分體現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，抑制干擾，加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)干擾來源的分析

1.1 根據(jù)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)所處的工作環(huán)境，干擾源可以分為如下幾種

1）自然界干擾源：極端天氣溫度劇烈變化，地磁場的變化、空中風(fēng)雨雷電交加，造成系統(tǒng)工作電源波動(dòng)與控制信號(hào)異常。2）系統(tǒng)周邊的干擾：周邊有大功率電器運(yùn)行如中頻爐，晶閘管、大功率發(fā)射機(jī)、大功率逆變電源等可能形成磁和電干擾。3）系統(tǒng)本身的干擾：系統(tǒng)含有大功率，大電流驅(qū)動(dòng)電路，如產(chǎn)生火花的繼電器，大電流開關(guān)等。電感性大的設(shè)備在啟停的過程中造成系統(tǒng)工作電源電壓畸變，干擾單片機(jī)正常運(yùn)行。4）系統(tǒng)傳感器信號(hào)太微弱容易造成干擾誤差：微弱傳感器模擬信號(hào)需要高倍放大的電路和高精度A/D變換電路，受到內(nèi)外干擾后數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)大的誤差。

1.2 干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)的耦合途徑

1）傳導(dǎo)耦合：通過導(dǎo)體（導(dǎo)線）將噪聲耦合進(jìn)電路中。最典型的例子是噪聲通過電源線傳入電路。2）公共阻抗耦合：來自不同電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生公共阻抗噪聲耦合。3）電磁場耦合：只要電荷發(fā)生移動(dòng)，所有的電路元件、導(dǎo)線都會(huì)輻射電磁場，存在來自發(fā)射源的輻射。近場時(shí)，分別考慮電場和磁場；遠(yuǎn)場時(shí)，電磁聯(lián)合輻射。4）電容耦合：噪聲源與被干擾電路之間存在著電容通路。顯然，這種電容一般不是人為加上的，而是二者之間的分布電容。干擾脈沖或其他高頻干擾會(huì)經(jīng)過分布電容耦合到電子線路中。5）電磁耦合：由于兩電路之間存在互感而產(chǎn)生的，一個(gè)電路中電流的改變引起磁交鏈而耦合到另一電路。 6）共地阻抗耦合：干擾源在零線接到上產(chǎn)生的壓降被接收電路接收。

2 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的抗干擾的研究

2.1 系統(tǒng)電源抗干擾措施

1）選用供電比較穩(wěn)定的進(jìn)線電源，單片機(jī)控制系統(tǒng)的電源進(jìn)線選用比較穩(wěn)定的交流電源線，不將控制系統(tǒng)接到負(fù)載變化大、晶閘管設(shè)備多或者有高頻設(shè)備的電源上。2）利用干擾抑制器消除尖峰干擾。3）為了抑制電網(wǎng)電壓的波動(dòng)采用交流穩(wěn)壓器穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，低通濾波器是為了濾除電網(wǎng)中混雜的高頻干擾信號(hào)，保證50HZ基波通過。4）利用UPS保證不中斷供電。電網(wǎng)瞬間斷電或電壓突然下降等掉電事件會(huì)使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)陷入混亂狀態(tài)，對于精度要求高的單片機(jī)控制系統(tǒng)，采用UPS向系統(tǒng)供電，如果交流供電中斷，系統(tǒng)中的斷電傳感器檢測到斷電后就會(huì)將供電通路切換到電池組，從而保證流入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電流不因停電而中斷。逆變器能把電池直流電壓逆變到正常電壓頻率和幅度的交流電壓，具有穩(wěn)壓和穩(wěn)頻的雙重功能，提高了供電質(zhì)量。5）為了進(jìn)一步抑制來自于電源方面的干擾，在直流電源側(cè)也要采用相應(yīng)的抗干擾措施。交流電源變壓器的屏蔽，把高壓交流變成低壓直流的簡單方法是用交流電源變壓器。將電源變壓器的一、二次繞組分別加以屏蔽，一次繞組屏蔽層與鐵心同時(shí)接地。

2.2 系統(tǒng)串模干擾的抑制

1）雙絞線做信號(hào)引線，雙絞線是由兩根互相絕緣的導(dǎo)線扭絞纏繞組成，為了增強(qiáng)抗干擾能力，可在雙絞線的外面加金屬編織物或護(hù)套形成屏蔽雙絞線。2）引入濾波電路。根據(jù)串模干擾頻率與被測信號(hào)頻率的分布特性，可以選用具有低通、高通、帶通等濾波器。其中，如果干擾頻率比被測信號(hào)頻率高，則選用低通濾波器；如果干擾頻率比被測信號(hào)頻率低，則選用高通濾波器；如果干擾頻率落在被測信號(hào)頻率的兩側(cè)時(shí)，則需用帶通濾波器。

2.3 系統(tǒng)共模干擾的抑制

1）變壓器隔離，利用變壓器把現(xiàn)場信號(hào)源的地與計(jì)算機(jī)的地隔離開來，也就是把“模擬地”與“數(shù)字地”斷開。被測信號(hào)通過變壓器耦合獲得通路，而共模干擾電壓由于不成回路而得到有效的抑制。 2）光電隔離，利用光耦隔離器的開關(guān)特性，可傳送數(shù)字信號(hào)而隔離電磁干擾，即在數(shù)字信號(hào)通道中進(jìn)行隔離。開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路中，光耦隔離器不僅把開關(guān)狀態(tài)送至主機(jī)數(shù)據(jù)口，而且實(shí)現(xiàn)了外部與計(jì)算機(jī)的完全電隔離。

2.4 接地系統(tǒng)的抗干擾

1）單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地，根據(jù)接地理論分析，低頻電路應(yīng)單點(diǎn)接地，這主要是避免形成產(chǎn)生干擾的地環(huán)路；高頻電路應(yīng)該就近多點(diǎn)接地，這主要是避免“長線傳輸”引入的干擾。一般來說，當(dāng)頻率低于1MHZ時(shí)，采用單點(diǎn)接地方式為好；當(dāng)頻率高于10MHZ時(shí)，采用多點(diǎn)接地方式為好；而在1～10MHZ之間，如果采用單點(diǎn)接地，其地線長度不得超過波長的1/20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。本單片機(jī)控制系統(tǒng)，信號(hào)頻率大多小于1MHZ，所以通常采用單點(diǎn)接地方式。2）輸入系統(tǒng)的接地，在計(jì)算機(jī)控制輸入系統(tǒng)中，傳感器、變送器和放大器通常采用屏蔽罩，而信號(hào)的傳送往往使用屏蔽線。對于屏蔽層的接地也應(yīng)遵守單點(diǎn)接地原則。這樣單點(diǎn)接地是為了避免在屏蔽層與地之間的回路電流，從而通過屏蔽層與信號(hào)線間的電容產(chǎn)生對信號(hào)線的干擾。一般輸入信號(hào)比較小，而模擬信號(hào)又容易接受干擾。因此，對輸入系統(tǒng)的接地和屏蔽應(yīng)格外重視。3）印制線路板的地線抗干擾措施，系統(tǒng)的TTL與CMOS器件的地線要呈輻射狀，不形成環(huán)形。地線越加寬越好。旁路電容的地線不能長，應(yīng)盡量縮短。4）大電流的零電位地線應(yīng)盡量寬，而且必須和小信號(hào)的地分開。5）主機(jī)外殼接地，機(jī)芯浮空，為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼作為屏蔽罩接地，抗干擾能力強(qiáng)。

3 結(jié)論

由于對AT89C51單片機(jī)控制的電爐烤箱溫度控制系統(tǒng)的抗干擾問題進(jìn)行了深入研究，并且根據(jù)本溫度控制系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行了清晰分析，制定出一套完整的抗干擾設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)硬件和程序的可靠運(yùn)行，電爐烤箱溫度控制的精度和穩(wěn)定性達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，所以，本抗干擾設(shè)計(jì)在單片機(jī)控制方面有一定的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李明學(xué)，等.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2]范立南，李雪飛，尹授遠(yuǎn).單片微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[3]李功，編.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]段晨東，編.單片機(jī)原理及接口技術(shù).2版[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]