基于單片機的模擬信號測控電路設計

李曉宇

摘要：如今，我國科技水平不斷提高，單片機自動控制技術也更加成熟，其集成了計算機技術、通信技術等，有效提高了單片機自動控制系統的性能。單片機也因為其良好的性能，被逐漸的應用到電力、化工、以及交通等各個領域中，發揮著非常重要的作用。然而在單片機自動控制系統中，抗干擾性還存在著一定的問題，影響著單片機的發展，因此本文研究了基于單片機的模擬信號測控電路設計。

關鍵詞：單片機;模擬信號;測控電路設計

引言

傳統儀器儀表采用純機械結構或者模擬電路、邏輯門電路進行設計，在自動校準、自動檢測、數據處理方面有很大不足。隨著大規模集成電子技術的發展，儀器儀表發展進入了一個智能儀器階段，自動測量、遠程監控成為智能化的體現。目前，基于單片機的集中數據采集和控制技術已經得到了很好的發展和廣泛的應用。但在惡劣環境下以及多地域分布的生產環境下，一方面人力難以到達現場進行集中測量，另一方面，分布式的測量需要進行聯網采集，因此需要設計遠程測控系統，實現遠程和多地點分布式的數據采集與控制系統。

1基于單片機的模擬信號測控電路設計策略

1.1核心硬件構成

1.1.1AT89C52單片機

采用功能穩定的AT89C52實施中心控制，主要采集各種模擬量信號，以實現不同的增益，其輸出控制也針對輸入信號不同而使用不同的控制算法運行。工作時利用其網絡通訊串行口，在上位機及其他智能電路單元間傳送模擬量信號、接收各種數據和命令，以控制LED的顯示。

1.1.2精密差動放大電路

采用三片集成運放OP07組裝構成兩級精密差動放大電路。正常工作時，設置其輸入電壓為零或為正，以保證放大電路的輸出與后級轉換器的輸入相互匹配;當進行零漂測試時，應調節調零電位器，以實現正常環境溫度內其輸出為負或為零。另外，為盡量克服干擾影響，最好將二階低通濾波器裝在該電路前端，以最大限度保證放大精度。

1.1.3程控增益放大電路

采用DAC0832和單片機組成程控增益放大電路，來保證測控信號的寬泛性和測量數據的精確性，同時實現自動切換量程。此種程控增益放大電路和軟件判別功能相互配合，即可實現采集數據時量程自動切換。

1.1.4A/D轉換電路

采用外圍電路簡單、功耗低的LM331集成電路實現V/F和F/V轉換。LM331適用場合多，并且其內部新的溫度補償電路能給整個工作溫度范圍內的轉換精度提供極大保障，為模擬信號測量和控制電路模塊提供技術支持。

1.2其他硬件構成

1.2.1數據傳輸和控制量輸出

數據傳輸電路是模擬量測控電路與計算機通信的接口部分，采用RS-485串行接口總線構成數據采集與控制網絡。通信由其差分接收和平衡發送的模式完成，上位機完成控制量的計算。采用選定單片機的串行口，通過6N136及半雙工串行通訊的總線驅動器DS75176連接到總線上，再通過總線模塊與計算機進行數據通信。控制輸出電路用ULN2803功率驅動芯片，其輸出能夠保證控制外設的工作狀態和發出報警信號。

1.2.2鍵顯電路和看門狗電路

按鍵電路采用充分節省I/O口的矩陣式鍵盤，合理利用資源節省開支;顯示電路采用74tEl64驅動數碼管，能驅動發光二極管作為工作狀態的各種指示;采用25045看門狗電路，當系統出現故障或異常時自動復位。

1.2.3電源和多路開關

供電實施多個穩壓電源分開供電方式，采用12V和5V穩壓電源分別對運算放大器及CPU等相關部件各自供電。多路開關采用兩片CD4052模擬開關，它具有雙通道四路結構，可進行八路模擬量的測量，滿足測控模擬量數目需求。采集信號時可將其模擬開關接地，以補償放大器零漂、提升測量精度。

2單片機自動控制抗干擾技術

2.1抗干擾硬件技術

2.1.1消除電源干擾的技術措施

在消除電源干擾方面，首先做好電源和設備的選擇，要盡可能的選擇具有抗電磁、靜電屏蔽等功能的電源變壓器，并且將其分離出去，獨自供電，這樣就會讓單片機的輸入電源跟強電設備的動力電源分離，從而消除電源的干擾。并且系統中的電源線、控制線、以及動力線等，除了選擇導電性比較強的的外，還需要各自配線，以此來提高抗干擾能力。其次保證電源電壓的穩定。可以將電源設置成多級的濾波處理器，以此來避免電壓發生畸變現象，并且電源線在布線過程中要保持平行，如配置集成穩壓塊，以此來降低電源噪聲，避免信號干擾。此外，隔離電源變頻器，通過對其隔離來降低電源傳導的干擾，從而消除電源干擾。

2.1.2優化布線結構

首先要注意強弱電的分離。當在布線過程中，可以通過分槽走線的方式，將直流線和交流線獨立的進行捆綁，以此來拉大直流線和交流線的距離，從而提高抗干擾。并且將信號地和模擬地分離。在進行接地線處理中，要保持單點接地，而且選擇粗一點的地線，在屏蔽線時，盡可能選擇覆蓋范圍比較大的電路板，以此來降低信號的干擾。

2.1.3提升接地抗干擾

模擬地跟電網相連接會產生電網干擾，影響著系統的安全性，為了避免這種現象，可以通過完善接地系統的方式，來提升接地的抗干擾。鑒于根據信號頻率來選擇不同的接地形式，如如果信號頻率在小于1MHz和1-10MHz左右時，選擇單點接地，并且將地線端子跟接地點進行就近連接，如果小于1MHz還需要采用電阻要小于100Ω的專用地線，如果信號超過了10MHz，那么需要采用多點接地的方式，以此來提高接地的抗干擾。

2.2抗干擾軟件技術

在提高單片機的自動控制系統抗干擾能力時，除了通過硬件提高外，還可以通過軟件的方式來提高抗干擾能力。

2.2.1軟件數字濾波技術

在單片機自動控制系統中，其輸入通達有著非常多的干擾源，通過軟件數字濾波技術可以有效的將一些錯誤的信號過濾出去，從而提高信號傳輸的準確性。其應用的原理在于，軟件數字濾波技術可以通過運算的方式來將輸入的信號轉換成輸出數字的蓄力裝置，以此來控制輸出錯誤的信號。

2.2.2軟件陷阱技術

軟件陷阱技術主要是指攔截技術，就是將一些錯誤的信號和程序進行攔截處理，以此來提高系統的抗干擾能力。如可以在ROM空間、程序的中裂點等處，設置軟件陷阱技術，這樣其就會接受到的失控程序傳輸到技術中的容錯程序中來進行處理，以此來保證輸出的信號質量。

2.2.3其他技術

如果單片機自動控制系統出現中斷情況，還可以通過如下方式來進行補救。首先重復讀取信號。如果外部信號被中斷時，就會產生干擾問題，如果不進行及時處理，可能會中斷程序，因此可以通過重復讀取信號的方式，來避免執行錯誤的中斷指令。其次及時的關閉未使用的空間，當外部信號被中斷時，還可以及時的關閉未使用的空間，以此來將一些錯誤的程序、信號及時的進行控制，以此來提高系統的抗干擾能力。

結語

本設計配以上位機軟件和下位機軟件支持，通過連接不同的傳感器，即可輕松實現對流量、溫度、壓力等常見模擬信號量的測量與智能控制，用戶通過顯示屏能夠直接觀察到被測控量的變化，測量和控制精度極高，具有實際使用價值。

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