單片機應用系統抗干擾的設計

魏雅，杜云

（陜西工業職業技術學院陜西咸陽712000）

工業控制是計算機的一個重要應用領域，隨著微機測量和控制技術的迅速發展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制應用系統的研發與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平[1]，并用在不同的工業控制中。那么在溫度控制應用系統中如何提高抗干擾能力，以使其在不同的惡劣環境下更好的服務，本文就基于單片機的溫度控制抗干擾問題加以討論，以提高溫度控制系統的廣泛應用。

1 硬件系統設計

本系統是一種以AT89S52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統。該控制系統可以實時采集并存儲相關的溫度數據并記錄當前的時間。如果實時監測的溫度超出了設置的溫度范圍，蜂鳴器進行報警，并通過控制繼電器的通斷進行加熱升溫或通過LN298控制風扇轉動進行降溫，使之恢復到設置的溫度范圍。其主要包括：電源模塊、溫度采集模塊、按鍵處理模塊、實時時鐘模塊、數據存儲模塊、LCD顯示模塊、溫度處理模塊、通訊模塊以及單片機最小系統。系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統設計框架Fig.1 The system design framework

1.1 干擾的來源

干擾的來源[2]是多方面的，主要來自外部和內部。外部干擾的主要來源有：電源電網電壓的波動，高壓設備和電磁開關的電磁輻射，大型用電設備（如電爐、電梯、照明燈、電機、電焊機）啟停，傳輸電纜的共模干擾等。內部干擾則是由系統的結構布局、制造工藝所引入的。如分布電容、分布電感引起的耦合感應，電磁場輻射感應，長線傳輸造成的波反射；多點接地造成的電位差引入的干擾；裝置及設備中各種寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變噪聲、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產生的噪聲等。

單片機應用系統的抗干擾技術非常重要，往往一個應用系統抗干擾問題解決不好，設計的應用系統無法投入生產運行。只有解決好系統抗干擾問題，加強抗干擾措施，應用系統適應現場工業環境后，系統在工業現場才能正常運行。單片機應用系統的抗干擾技術通常有硬件抗干擾和軟件抗干擾兩方面。

1.2 電源供電的干擾措施

對于單片機應用系統來說，最嚴重的干擾來源于電源[3]。由于任何電源及輔電線都存在內阻、分布電容和電感等，正是這些因素引發了電源的噪聲干擾。

電源的設計取決于系統所要求的供電方式，如是采用單電源方案，還是多電源方案，系統的功耗有無特殊規定等。在本設計中由于系統所選用的單片機是AT89S52，它的標準工作電壓為+5 V，采集所用的發光二極管和光敏三極管等電路它們的工作電壓都是+5 V，因此在本設計中采用單電源方案，單電源方案的優點是系統簡單、工作可靠。由于溫度控制電路中用到LN298，根據LN298的要求，需要一個+2.5～+46 V之間的一個電壓源，考慮到用電安全及設計方便等因素，將其設定在+15 V。因此我們的目標是設計出一個能夠提供+5 V與+15 V的電源，其電路如圖2所示。

由上圖可以得知，此電源電路可以將220 V的交流電轉換為+15 V和+5 V直流電進行輸出。從原理上看，首先將220 V交流電通過變壓器轉換為24 V交流電，然后采用二極管橋式整流電路并通過濾波電容C11對其進行整流，獲得略低于24 V的直流輸出，經過C13濾除紋波電壓后進入集成穩壓源L7815產生+15 V直流電壓提供給外圍電路使用，同時此電壓又作為MC7805的輸入電壓，通過MC7805產生+5 V電壓供系統邏輯電路和各模塊使用。在交流電源的輸入端，接一個低通濾波器，它可以濾除電網中高于50 Hz的高次諧波干擾信號，保證50 Hz的工頻信號無衰減地通過，這種做法的好處是只使用一個變壓器，降低了成本，同時還減小了+5 V直流電源的紋波電壓，這樣不會因某塊穩壓電源出故障而使整個系統遭到破壞。同時也減少了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供電的可靠性，也有利于電源的散熱。

圖2 電源電路Fig.2 Power supply circuit

經測試，整流后的信號已經基本接近直流，最大值與最小值之間只差0.02，滿足要求。

1.3 其它硬件方面干擾措施

輸入輸出通道是單片機與外設、被控對象進行信息交換的渠道。由輸入輸出通道引起的干擾主要由公共地線引發，其次是受到靜電噪聲和電磁波干擾。本系統中用雙絞線作長線傳輸，能有效地抑制共模噪聲及電磁場干擾。對于溫度傳感器后級的升溫部分主要采用弱電控制強電，通過對繼電器導通和斷開的控制，來實現升溫的效果。繼電器是通常應用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路、抗干擾能力強等作用。本設計中采用的繼電氣控制電路如圖3所示。

圖3 繼電器控制電路Fig.3 Control relay circuit

在做印制電路板[3]時，將強、弱電路嚴格分開，放在不同印制電路扳上。電源線的走向基本與數據傳輸方向一致。電源的地線盡量加粗，一般超過3 mm。

2 溫度采集系統軟件抗干擾的措施

由于有的溫度采集的地方環境較惡劣，各種干擾源很多，如環境溫度、電磁場等，使單片機系統采集到的數據信號，雖經硬件電路的濾波處理，但仍會混有隨機干擾。因此，為了提高系統性能，達到準確的測量與控制，一般情況下還需要進行數字濾波[4]。

2.1 數字濾波

數字濾波[5]，就是計算機系統對輸入信號采樣多次，然后用某種計算方法進行數字處理，以削弱或濾除干擾噪聲造成的隨機誤差，從而獲得一個真實信號的過程。這種濾波方法只是根據預定的濾波算法編制相應的程序，實質上是一種程序濾波。數字濾波與硬件電路RC濾波相比有很多優點：1）無須增加任何硬件設備，只要在程序進入數據處理和控制算法之前，附加一段數字濾波程序即可。2）由于數字濾波器不需增加硬件設備，所以系統可靠性高，不存在阻抗匹配問題。3）對于模擬濾波器，通常是各通道專用的，而對于數字濾波器來說，則可多通道共享，從而降低了成本。4）可對頻率很低（如0.01 Hz）的信號進行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的限制，頻率不可能太低。5）使用靈活、方便，可根據需要選擇不同的濾波方法或改變濾波器的參數。

總之，數字濾波與硬件濾波器相比優點很多，因此得到了普遍的應用。常用的數字濾波方法有：程序判斷濾波（限幅、限速）、中值濾波、算術平均濾波、加權平均濾波、滑動平均濾波、RC低通數字濾波和復合數字濾波等。本系統采用限幅濾波法。

2.2 限幅濾波法

限幅濾波[6]就是把兩次相鄰的采樣值相減，求其增量的絕對值，再與兩次采樣所允許的最大差值ΔY進行比較，如果小于或等于ΔY，表示本次（第K次）采樣值Y（k）是真實的，則取Y（k）為有效采樣值；反之，Y（k）是不真實的，則取上次采樣值Y（k-1）作為本次有效采樣值。

使用時關鍵問題是最大允許誤差ΔY的選取。ΔY太大，各種干擾信號將“乘機而入”，使系統誤差增大；ΔY太小，又會使某些有用信號被“拒之門外”，使單片機采樣效率變低。因此，門限值ΔY的選取是非常重要的。本系統的門限值ΔY=02H。上一次采樣值存入DATA0單元，本次采樣值存入DATA1單元。

在限幅濾波程序中先求出本次采樣值與上一次采樣值的差值。若差值為正，則直接進行限幅判斷；若差值為負，則求絕對值后再進行限幅判斷。限幅判斷采用加法進行，即差值+FDH（02H的反碼）。若有進位，則超限；若無進位，則未超限。

溫度采集時的具體的限幅濾波程序如下：

ORG 0100H

LIMIT：MOV DATA0，DATA1；本次采樣值送DATA0

ACALL TOAD；本次采樣值存入A

MOV DATA1，A；暫存于DATA1中

CLR C

SUBB A，DATA0；求差值

JNC LIMIT1；若差值為正，轉LIMIT1

CPL A；若差值為負，則求絕對值

INC A

LIMIT1：ADD A，#0FDH；超限判斷

JNC LIMIT2；若不超限，則本次采樣值有效

MOV DATA1，DATA0；若超限，則上次采樣

值送DATA1

LIMIT2：RET

TOAD：；采樣子程序（由于篇幅問題未給出）

:

：

END

DATA0 EQU 60H

DATA1 EQU 61H

以上程序的出口條件是，濾波后的采樣值在A中。

3 結論

為了提高溫度采集的可靠性，本文綜合從硬件和軟件等采用不同的方法對硬件電路和采集的溫度信號進行處理，經實踐證明，該方法能夠達到抗干擾的目的，提高了系統的可靠性，經過濾波后，采集到的溫度數據最大誤差為0.02，滿足控制系統的要求。

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