单片机应用技术 单片机应用技术 第8章综合案例.doc

51单片机C语言开发教程 第8章　综合案例 第8章　综合案例 8.1 单片机应用系统的抗干扰设计 在单片机应用系统中，影响系统可靠工作的主要因素是各种干扰。干扰的主要来源有电源电网的波动、大型用电设备（如电炉、电机、电焊机等）的启停、高压设备和电磁开关的电磁辐射、传输电缆的共模干扰等。为了保证单片机应用系统能够长期稳定、可靠地工作，在系统设计时必须对抗干扰能力给予足够的重视。 8.1.1 硬件抗干扰设计 由于各应用系统所处的环境不同，面临的干扰源也不同，相应采取的抗干扰措施也不尽相同。在单片机应用系统的设计中，硬件抗干扰措施主要从下面几个方面考虑。 1、供电系统干扰的抑制措施 对于单片机应用系统来说，最严重的干扰来源于电源。由于任何电源及电线都存在内阻、分布电容和电感等，正是这些因素引发了电源的噪声干扰。一般解决的方法是： (1) 采用交流稳压电源保证供电的稳定性，防止电源的过电压和欠电压。 (2) 利用低通滤波器滤除高次谐波，改善电源波形。 (3) 采用带屏蔽层的隔离变压器，以减少其分布电容，提高抗共模干扰能力。 (4) 主要集成芯片的电源采用去耦电路，增大输入/输出滤波电容，以减少公共阻抗的相互耦合以及公共电源的相互耦合。 2、输入输出通道干扰的抑制措施 输入输出通道是单片机与外设、被控对象进行信息交换的渠道。由输入输出通道引起的干扰主要由公共地线引发，其次是受到静电噪声和电磁波干扰。常用的方法有： (1) 摸拟电路通过隔离放大器隔离，数字电路通过光电耦合器隔离。模拟接地和数字接地严格分开，隔离器输入回路和输出回路的电源分别供电。 （2）采用屏蔽措施：金属盒罩、金属网状屏蔽线。但金属屏蔽本身必须接真正的地（保护地）。 (3) 用双绞线作长线传输线能有效地抑制共模噪声及电磁场干扰，并应对传输线进行阻抗匹配，以免产生反射，使信号失真。 （4）采用长线传输的阻抗匹配：有四种形式，如图8.1.1所示。 图8.1.1 长线传输的阻抗匹配形式 ① 终端并联阻抗匹配：如图8.1.1（a）所示， RP= R1//R2 ，其特点是终端阻值低，降低了高电平的抗干扰能力。 ② 始端串联匹配：如图8.1.1（b）所示，匹配电阻R的取值为RP与A门输出低电平的输出阻抗ROUT（约20W）之差值，其特点是终端的低电平抬高，降低了低电平的抗干扰能力。 ③ 终端并联隔直流匹配：如图8.1.1（c）所示，R=Rp，其特点是增加了对高电平的抗干扰能力。 ④ 终端接钳位二极管匹配：如图8.1.1（d）所示，利用二极管D把B门输入端低电平钳位在0.3V以下。其特点是减少波的反射和振荡，提高动态抗干扰能力。 (5) 传感器后级的变送器应尽量采用电流型传输方式，因电流型比电压型抗干扰能力强。 3、电磁场干扰及抗干扰措施 若系统的外部存在电磁场的干扰源或系统的被控对象本身就是电磁场干扰源，如控制电机的起停和控制继电器的通断等，这些被控对象在被激励后，会产生强烈的电磁感应，影响系统的可靠性。电磁场干扰可以采用屏蔽的方法加以解决。 (1) 对干扰源进行电磁屏蔽（如变压器、继电器等）。 (2) 对整个系统进行电磁屏蔽，传输线采用屏蔽线。 4、印制电路板（PCB）设计中的抗干扰措施 印制电路板是系统中器件、信号线、电源线的高密度集合体，印制电路板设计的好坏对抗干扰能力影响很大。故印制电路板的设计决不单是器件、线路的简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。通常有下述抗干扰措施： (1) 合理选择PCB板的层数，大小要适中，布局、分区应合理，把相互有关的元件尽量放得靠近一些。 (2) 将强、弱电路严格分开，尽量不要把它们设计在一块印制电路扳上。 (3) 电源线的走向应尽量与数据传输方向一致，电源线、地线应尽量加粗，以减小阻抗。 (4) 印刷导线的布设应尽量短而宽，尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。 (5) 在大规模集成电路芯片的供电端都应加高频滤波电容，在各个供电接点上还应加足够容量的退耦电容。 此外，应提高元器件的可靠性，注意各电路之间的电平匹配，总线驱动能力要符合要求，单片机的空闲端要接地或接电源，或者定义成输出。室外使用的单片机系统或从室外架空引入室内的电源线、信号线，要防止雷击。 8.1.2 软件抗干扰设计 软件抗干扰设计是单片机应用系统的一个重要组成部分。干扰对单片机系统可能造成下列后果：数据采集误差增大，程序“跑飞”失控或陷入死循环。尽管在硬件方面采取种种抗干扰措施，但仍不能完全消除这些干扰，必须同时从软件方面采取适当的措施，才能取得良好的抗干扰效果。如能正确地采用软件抗干扰措施，与硬件抗干扰措施构成双重抑制，将大大地提高系统的可靠性。而且采用软件抗干扰设计，通常成本低、见效快，能起到事半功倍的效果。软件方面抗干扰措施通常有以下几种方法：