單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)

魏雅，杜云

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽712000）

工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)為核心的溫度采集與控制應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對(duì)溫度的控制水平[1]，并用在不同的工業(yè)控制中。那么在溫度控制應(yīng)用系統(tǒng)中如何提高抗干擾能力，以使其在不同的惡劣環(huán)境下更好的服務(wù)，本文就基于單片機(jī)的溫度控制抗干擾問題加以討論，以提高溫度控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一種以AT89S52單片機(jī)為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)相關(guān)的溫度數(shù)據(jù)并記錄當(dāng)前的時(shí)間。如果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度超出了設(shè)置的溫度范圍，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并通過控制繼電器的通斷進(jìn)行加熱升溫或通過LN298控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行降溫，使之恢復(fù)到設(shè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊、溫度處理模塊、通訊模塊以及單片機(jī)最小系統(tǒng)。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(nèi)部。外部干擾的主要來源有：電源電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，高壓設(shè)備和電磁開關(guān)的電磁輻射，大型用電設(shè)備（如電爐、電梯、照明燈、電機(jī)、電焊機(jī)）啟停，傳輸電纜的共模干擾等。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長線傳輸造成的波反射；多點(diǎn)接地造成的電位差引入的干擾；裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變?cè)肼?、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)非常重要，往往一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾問題解決不好，設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)無法投入生產(chǎn)運(yùn)行。只有解決好系統(tǒng)抗干擾問題，加強(qiáng)抗干擾措施，應(yīng)用系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境后，系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)才能正常運(yùn)行。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)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(duì)于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說，最嚴(yán)重的干擾來源于電源[3]。由于任何電源及輔電線都存在內(nèi)阻、分布電容和電感等，正是這些因素引發(fā)了電源的噪聲干擾。

電源的設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)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(tǒng)的功耗有無特殊規(guī)定等。在本設(shè)計(jì)中由于系統(tǒng)所選用的單片機(jī)是AT89S52，它的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為+5 V，采集所用的發(fā)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(shè)計(jì)中采用單電源方案，單電源方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、工作可靠。由于溫度控制電路中用到LN298，根據(jù)LN298的要求，需要一個(gè)+2.5～+46 V之間的一個(gè)電壓源，考慮到用電安全及設(shè)計(jì)方便等因素，將其設(shè)定在+15 V。因此我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一個(gè)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(zhuǎn)換為+15 V和+5 V直流電進(jìn)行輸出。從原理上看，首先將220 V交流電通過變壓器轉(zhuǎn)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(duì)其進(jìn)行整流，獲得略低于24 V的直流輸出，經(jīng)過C13濾除紋波電壓后進(jìn)入集成穩(wěn)壓源L7815產(chǎn)生+15 V直流電壓提供給外圍電路使用，同時(shí)此電壓又作為MC7805的輸入電壓，通過MC7805產(chǎn)生+5 V電壓供系統(tǒng)邏輯電路和各模塊使用。在交流電源的輸入端，接一個(gè)低通濾波器，它可以濾除電網(wǎng)中高于50 Hz的高次諧波干擾信號(hào)，保證50 Hz的工頻信號(hào)無衰減地通過，這種做法的好處是只使用一個(gè)變壓器，降低了成本，同時(shí)還減小了+5 V直流電源的紋波電壓，這樣不會(huì)因某塊穩(wěn)壓電源出故障而使整個(gè)系統(tǒng)遭到破壞。同時(shí)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(jīng)測(cè)試，整流后的信號(hào)已經(jīng)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(jī)與外設(shè)、被控對(duì)象進(jìn)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(fā)，其次是受到靜電噪聲和電磁波干擾。本系統(tǒng)中用雙絞線作長線傳輸，能有效地抑制共模噪聲及電磁場(chǎng)干擾。對(duì)于溫度傳感器后級(jí)的升溫部分主要采用弱電控制強(qiáng)電，通過對(duì)繼電器導(dǎo)通和斷開的控制，來實(shí)現(xiàn)升溫的效果。繼電器是通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路、抗干擾能力強(qiáng)等作用。本設(shè)計(jì)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(shí)，將強(qiáng)、弱電路嚴(yán)格分開，放在不同印制電路扳上。電源線的走向基本與數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件抗干擾的措施

由于有的溫度采集的地方環(huán)境較惡劣，各種干擾源很多，如環(huán)境溫度、電磁場(chǎng)等，使單片機(jī)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)，雖經(jīng)硬件電路的濾波處理，但仍會(huì)混有隨機(jī)干擾。因此，為了提高系統(tǒng)性能，達(dá)到準(zhǔn)確的測(cè)量與控制，一般情況下還需要進(jìn)行數(shù)字濾波[4]。

2.1 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波[5]，就是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)采樣多次，然后用某種計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)字處理，以削弱或?yàn)V除干擾噪聲造成的隨機(jī)誤差，從而獲得一個(gè)真實(shí)信號(hào)的過程。這種濾波方法只是根據(jù)預(yù)定的濾波算法編制相應(yīng)的程序，實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波與硬件電路RC濾波相比有很多優(yōu)點(diǎn)：1）無須增加任何硬件設(shè)備，只要在程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序即可。2）由于數(shù)字濾波器不需增加硬件設(shè)備，所以系統(tǒng)可靠性高，不存在阻抗匹配問題。3）對(duì)于模擬濾波器，通常是各通道專用的，而對(duì)于數(shù)字濾波器來說，則可多通道共享，從而降低了成本。4）可對(duì)頻率很低（如0.01 Hz）的信號(hào)進(jìn)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(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)。

總之，數(shù)字濾波與硬件濾波器相比優(yōu)點(diǎn)很多，因此得到了普遍的應(yīng)用。常用的數(shù)字濾波方法有：程序判斷濾波（限幅、限速）、中值濾波、算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、滑動(dòng)平均濾波、RC低通數(shù)字濾波和復(fù)合數(shù)字濾波等。本系統(tǒng)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(duì)值，再與兩次采樣所允許的最大差值ΔY進(jìn)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(shí)的，則取Y（k）為有效采樣值；反之，Y（k）是不真實(shí)的，則取上次采樣值Y（k-1）作為本次有效采樣值。

使用時(shí)關(guān)鍵問題是最大允許誤差ΔY的選取。ΔY太大，各種干擾信號(hào)將“乘機(jī)而入”，使系統(tǒng)誤差增大；ΔY太小，又會(huì)使某些有用信號(hào)被“拒之門外”，使單片機(jī)采樣效率變低。因此，門限值ΔY的選取是非常重要的。本系統(tǒng)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(jìn)行限幅判斷；若差值為負(fù)，則求絕對(duì)值后再進(jìn)行限幅判斷。限幅判斷采用加法進(jìn)行，即差值+FDH（02H的反碼）。若有進(jìn)位，則超限；若無進(jìn)位，則未超限。

溫度采集時(shí)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(zhuǎn)LIMIT1

CPL A；若差值為負(fù)，則求絕對(duì)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(jié)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(duì)硬件電路和采集的溫度信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)實(shí)踐證明，該方法能夠達(dá)到抗干擾的目的，提高了系統(tǒng)的可靠性，經(jīng)過濾波后，采集到的溫度數(shù)據(jù)最大誤差為0.02，滿足控制系統(tǒng)的要求。

[1] 潘勇，孟慶斌.基于DS18B20的多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31（9）：91-93.PAN Yong，MENG Qing-bin.Design of multipoint temperature measurement system based on DS18B20[J].Electronic Measurement Technology，2008，31（9）：91-93.

[2] 高保泰，張莉娟.濾波技術(shù)在PLC控制飼料配料系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].寧夏工程技術(shù)，2011，10（2）:131-133 GAO Bao-tai，ZHANG Li-juan.The control system of quench press for railway bearing design based on the control of PLC and touch-screen[J].Ningxia Engineering Technology，2011，10（2）:131-133.

[3] 張秀紅.單片機(jī)控制系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)探討[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（1）:135-137.ZHANG Xiu-hong.The discussion about dealing withAntiinterference of Single-chip microprocessor[J].The Development of Mechanical and Electrical Products and Innovative，2009，22（1）:135-137.

[4] 丁向榮.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件中抗干擾技術(shù)的探討[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2012（10）:8-10.DING Xiang-rong.On microcomputer application system software discussion of antijamming technoly[J].Computer Programming Skills and Maintenance，2012（10）:8-10.

[5] 郟東耀，楊雷，丁天懷.數(shù)字濾波抗干擾技術(shù)在A/D轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2003（8）:120-123.JIA Dong-yao，YANG Lei，DING Tian-huai.Application of anti interference technology of digital filtering in the A/D conversionin[J].Semiconductor Technology，2003（8）:120-123.

[6] 張超，楊志義，馬峻巖.限幅濾波算法在WSN數(shù)據(jù)預(yù)處理的中應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（6）：1207-1213 ZHANG Chao，YANG Zhi-yi，MA Jun-yan.Application of amplitude limiting filtering alaoritlm for WSN data preprocessing[J].Science Technology and Engineering，2011，11（6）：1207-1213.