單片機控制系統的抗干擾措施

　　摘 要： 本文對單片機系統干擾源進行分析，探討抗干擾的措施。
　　關鍵詞： 單片機控制系統 抗干擾 集成電路
　　一、引言
　　單片機控制系統是綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發展起來的一種通用工業自動控制系統，具有控制功能強，可靠性高，使用靈活方便，易于擴展等優點，應用越來越廣泛，在冶金、交通、化工、電力等領域獲得了廣泛的應用，成為現代工業計算機控制技術的幾大支柱之一。
　　高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。由于單片機采用了現代大規模集成電路技術，且用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性，故障率也大大降低，因而它對工業環境比較適應。但為了確保整個以單片機為核心的控制系統穩定可靠，還是應當盡量使系統有良好的工作環境條件，并采取必要的抗干擾措施。
　　二、單片機控制系統干擾的主要來源及途徑
　　1.電源的干擾
　　單片機控制系統一般供電電源均由電網供電。由于電網覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾，空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網絡、電氣設備的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、變頻器等產生的，通常稱為輻射干擾。若單片機控制系統置于射頻場內，就會受到輻射干擾，而在線路上感應電壓。尤其是電網內部的變化，刀開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊、變頻器啟動及運行過程中產生的諧波等，都會對電網產生傳導干擾，引起電網電壓畸變，影響電網的供電質量，通過輸電線路傳到電源原邊，可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產生誤輸入并引起誤輸出，這將會造成設備的失控和失誤動作，不能保證單片機控制系統的正常運行。
　　2.信號線引入的干擾
　　與單片機控制系統連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信號之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過變送器或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，由此引起單片機控制系統故障的情況也很多。
　　3.接地系統的干擾
　　接地是提高電子設備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾；而錯誤接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使單片機控制系統將無法正常工作。
　　三、抗干擾的措施
　　1.電源干擾的抑制
　　（1）一般通過設置屏蔽電纜和單片機控制系統局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。選用隔離性能較好的設備、優良的電源，動力線和信號線走線要合理，對電源變壓器、中央處理器、編程器等主要部件采用導電、導磁性良好的材料進行屏蔽處理，防止外界干擾信號的影響。（2）電源調整與保護，電源波動造成電壓畸變或毛刺，將對單片機控制系統產生不良影響。對單片機所需要的＋5V電源采用多級濾波處理，并用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、欠電壓的影響。盡量使電源線平行走線，使電源線對地呈低阻抗，以減少電源噪聲干擾。（3）正確處理電源變壓器的接地問題，電源變壓器屏蔽層接地方式的不同，對干擾抑制效果大不一樣，一般次級線圈不能接地。輸入、輸出線應用雙絞線且，其屏蔽層應可靠接地，以抑制共摸干擾。此外，可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，可以減少設備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路等。（4）變頻器干擾的抑制。一般加隔離變壓器，主要是針對來自電源的傳導干擾，可以將絕大部分的傳導干擾阻隔在隔離變壓器之前。還可使用濾波器。濾波器具有較強的抗干擾能力，還能防止將設備本身的干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。使用輸出電抗器，在變頻器到電動機之間增加交流電抗器，主要是減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產生電磁輻射，影響其他設備正常運行。
　　2.信號線引入的防干擾措施
　　動力線、控制線及單片機控制系統的電源線和I/O線應分別配線，隔離變壓器與單片機控制系統和I/O之間應采用雙絞線連接。將單片機控制系統的I/O線和大功率線分開走線，如必須在同一線槽內，應分開捆扎交流線、直流線。若條件允許，分槽走線最好，就能使其有盡可能大的空間距離，從而將干擾降到最低限度。此外，利用信號隔離器解決干擾問題也是很理想的辦法，其原理是首先將單片機控制系統接收的信號通過半導體器件調制變換，通過光感或磁感器件進行隔離轉換，再進行解調變換回隔離前原信號或不同信號，同時對隔離后信號的供電電源進行隔離處理，保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立。只要在有干擾的地方，輸入端和輸端中間加上這種隔離器，就可有效解決干擾問題。
　　3.正確選擇接地點
　　單片機控制系統良好接地是保證系統可靠工作的重要條件，可以避免偶然發生的電壓沖擊危害。接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統是單片機控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。在單片機控制系統中，主要有以下形式的接地：（1）電源地。一般指直流電源的地。（2）信號地。輸入端信號元件的地。（3）交流地。交流供電電源的N線。（4）屏蔽地。為防止靜電和磁場感應而設置的外殼或金屬絲網，通過專門的銅導線將其接入地下。（5）保護地。將機器設備的外殼或設備內獨立器件的外殼接地，用于保護人身安全和防止設備漏電。為了抑制附加在電源及輸入、輸出端的干擾，應對系統進行良好的接地。一般情況下，接地方式與信號頻率有關，當頻率低于1MHz時，可用一點接地；高于10MHz時，采用多點接地；在1—10MH之間時，通常情況下，單片機控制系統采用一點接地，將所有地線端子和最近接地點相連接，獲得最好的抗干擾能力。接地線截面積不能小于2mm2，接地電阻不能大于100Ω，接地線使用專用地線。
　　四、結語
　　單片機控制系統中的干擾是一個十分復雜的問題，因此在抗干擾設計中應綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制抗干擾，才能夠使單片機控制系統正常工作。隨著單片機應用領域的不斷拓寬，如何高效可靠地使用單片機已成為其發展的重要因素。相信在不久的將來，單片機會有更大的發展，品種會更豐富，規格會更齊全，通過完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求。單片機作為自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業控制領域發揮越來越大的作用。
　　參考文獻：
　　［1］劉光斌，劉冬.單片機系數實用抗干擾技術［M］.北京：人民郵電出版社，2008.
　　［2］胡漢才.單片機原理及其接口技術［M］.北京:清華大學出版社，2010.
　　［3］張善德.微型計算機系統的設計方法和接口技術［M］.北京：人民郵電出版社，2008.
　　［4］劉樂善.微型計算機接口技術及應用［M］.武漢：華中理工大學出版社，200