論單片機控制系統的硬件抗干擾設計

楊琳

摘要：現代微型計算機技術的普及應用，使單片機在電氣控制系統中的運用更加廣泛，取代了傳統人工控制的作業模式，綜合提高了機械及電氣設備的自動化運行效率。硬件是單片機極為重要的組成部分，使用過程易受到多方面因素的干擾，加強單片機抗干擾設計是保證其功能正常發揮的前提條件。本文結合實際的工作經驗，重點對單片機控制系統的硬件抗干擾進行分析和總結。

關鍵詞：單片機;硬件;抗干擾

一、造成干擾的渠道和影響

影響單片機控制系統可靠運行的主要因素為各種電氣信號的干擾，并且受到系統結構、安裝工藝、器件選擇、制造水平等影響。多種因素交織在一起經常會使單片機系統出現不穩定，輕則降低產品質量，重則會造成事故。

（一）空間中的電磁干擾。單片機控制系統主要應用在工業控制中，其實際工作的生產現場存在著許多干擾源，例如，閃電、電機、高頻率的時鐘等。這些電磁干擾信號有可能會進入測量單元的模擬信號輸入通道，使數據采集的誤差加大，甚至干擾信號掩蓋了正確的測量信號，從而帶來整個單片機控制系統的誤操作，對其正常工作造成極大的影響。

（二）測控通道中的干擾。測控通道是單片機控制系統與其他主機之間連通的橋梁。其傳輸線中的信號多為脈沖波，當干擾信號進入系統的后向通道后，會出現延時，波形畸變、衰減等現象，從而產生錯誤的操作指令和反饋信號，造成整個控制系統的故障。

（三）供電系統干擾。事實上在正常的50Hz正弦波上疊加有許多高電壓的尖峰脈沖信號，這些信號在不穩定時有可能影響系統的正常工作，甚至燒毀一些器件。

二、硬件抗干擾設計的方法和原則

（一）合理設計電路板電路。電路板電路的設計對單片機控制系統是否抗干擾起著十分重要的作用。在設計過程中要注意盡量控制噪聲源、降低對外部噪聲的吸收和減小噪聲的傳播與耦合來進行布線。對模擬電路部分、數字電路部分以及驅動部分的電源線和地線要分別進行處理，噪音元件和非噪音元件要保持一定的距離。

在元器件的位置排列上盡量使相互關聯的器件布置在一起。將發熱量較大的部分，如存儲單元、時鐘發生器等放置在板子散熱條件較好的地方。為了消除電位差，降低干擾，可以將整流電路部分設計為網格狀。對于地線和電源線的走向上盡量與數據的傳輸方向一致，這樣有助于提高整個系統的抗噪聲能力。當單片機控制系統中同時存在弱電信號和強電信號時，要在線路布局和走向上予以區別并保持一定的距離以降低相互間的干擾。同時為了降低電磁感應對傳輸信號的影響，系統中的電源線、信號線等盡量采用雙絞線。

（二）降低供電系統的電源干擾。（1）為確保單片機供電系統的穩定性，防止出現欠壓和過壓，應在電源接入端采用交流穩壓器件;（2）電源系統中的干擾部分大多是高次諧波，因此可以采用在交流端添加電感電容濾波，從而改善電源波形。例如，可以使用磁珠和電容組成π形濾波電路，如果條件要求不是很苛刻時磁珠可以用1000電阻替代，從而可以消除干擾脈沖;（3）在一些情況下也可以采用系統模塊獨立供電的方法進行供電。在每個功能模塊上采用三端穩壓集成模塊組成穩壓電源，如7805等。這樣不僅可以提高供電的可靠性，也可以減少公共阻抗和公共電源的相互耦合，有助于電源的散熱。

（三）增強敏感元件的抗干擾能力。（1）對于按鈕等部件在實際操作時出現抖動現象，須用RC電路予以處理;（2）在對電路板進行布線時，電源線和地線要設計的盡量粗些。這樣不僅可以減小壓降，還可以有效降低耦合噪聲;（3）對于單片機中空閑的I/O口，須盡量避免其懸空，在不影響系統功能和邏輯的前提下對其接地或接電源以降低干擾源進行系統;（4）為提高整體系統的抗干擾能力，需要對單片機電路進行優化，例如采用電源監控、看門狗電路等;（5）在采用低速芯片可以滿足條件的前提下盡量避免使用高速芯片;（6）單片機控制系統的復位電路在受到干擾的情況下可能出現誤復位操作，因此需要在復位端接入去耦電容;（7）時鐘發生器盡量靠近使用到該時鐘的器件，同時要注意將石英晶體振蕩器的外殼接地。

（四）隔離和屏蔽設計。對單片機控制系統的進行隔離和屏蔽設計是硬件抗干擾的常用措施。隔離的目的是將電路上的干擾源和系統中易受到干擾部分進行分離，從而切斷干擾通道，保證監控裝置與現場僅僅保持正常的信號聯系。常見的隔離方式主要有布線隔離、繼電器隔離和光電隔離等。其中光電隔離是比較典型的信號隔離，其作用是將單片機的輸入端和輸出端隔離開，從而可以使干擾信號進入不了單片機系統，也可以確保系統本身的噪聲不會向外傳播。屏蔽主要是針對噪聲相對大的部件來，如開關電源等，可以用金屬外殼的罩子進行封閉，降低噪聲源對單片機的干擾。

（五）其他常用的抗干擾措施。（1）電路板布線時盡量避免線路出現90度折線，以便降低高頻噪聲;（2）電路板在設計中要合理布局，盡量降低強電信號、弱電信號、數字信號和模擬信號之間的相互影響，保證干擾源與敏感元件之間距離;（3）對于系統中的大功率器件盡量布置在電路板的邊緣，同時要將單片機和其接地獨立開，在提高散熱的同時降低相互干擾;（4）在單片機控制系統的關鍵地方使用抗干擾器件，如磁珠、磁環、電源濾波器、屏蔽罩等;（5）對變壓器采用雙隔離措施是硬件抗干擾的重要手段之一。即將串聯電容接入變壓器初級輸入端，初、次級線圈間屏蔽層與初級間電容中心接點接大地，次級外屏蔽層接印制板地。同時為了吸收變壓器產生的浪涌電壓可以在次級加低通濾波器;（6）為了降低信號的誤差，A/D轉換用隔離放大器或采用現場轉換的方式。

三、結束語

單片機控制系統的硬件抗干擾設計與系統的使用環境、具體電路以及相應的軟件設計等有著密切的關系。因此，在具體設計中應根據實際情況具體分析，在可靠的實現需求功能的基礎上提高整體性能和降低設計成本。同時要注意抗干擾設計理論與實踐的結合，不斷積累經驗，才能設計中運行穩定的單片機控制系統。

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（作者單位：大連富士冰山自動售貨機有限公司）