單片機在工業(yè)控制中抗干擾電路的設(shè)計

顧海林

目前市場上工業(yè)控制中的主控器件有單片機、PLC、DSP和ARM四類，在日常教學(xué)實際中用的最多且易于上手的仍是單片機和PLC。DSP和ARM多用于企業(yè)高精度、高質(zhì)量的高端產(chǎn)品中。對于需要大量生產(chǎn)并不復(fù)雜的工業(yè)控制中，單片機控制仍然會作為首選。在進行單片機相關(guān)電路設(shè)計時，由于電網(wǎng)、線路、雷電、靜電等干擾會對電路造成不穩(wěn)定性，以至于設(shè)備不能正常工作，更嚴重的會損壞我們的設(shè)備，這就需要我們在設(shè)計電路時考慮如何進行抗干擾處理，盡可能把風(fēng)險降在允許范圍之內(nèi)。以下面電路為例，具體說說單片機在工業(yè)控制電路中處理各種干擾的技巧。

一、主控電路部分

下圖是工控電路的核心部分，主控芯片是新唐1T的8051系列單片機，這款單片機在市場上比較冷門，不為大家所熟知，但其具備很高的抗干擾能力，讀者朋友也可以將單片機替換成別的型號單片機來使用，比如STC等。單片機的外圍電路主要由三部分構(gòu)成，即輸入、輸出和通信。指令輸入是通過兩片74LS165進行并行輸入，串行輸出，單片機可以同時接收到16位輸入的開關(guān)量。單片機的輸出是通過串入并出芯片74HC595將數(shù)據(jù)輸出。通信部分由芯片MAX13085完成。下面將一一描敘各部分的構(gòu)成及功能。

二、通信電路部分

由上圖中可見，芯片MAX13085構(gòu)成的電路可以實現(xiàn)單片機與外部設(shè)備進行雙向通訊，該芯片在通訊距離上與RS485相比沒有優(yōu)勢，但使用起來簡單方便。芯片的輸入端1、4腳與單片機的TXD和RXD相接，芯片的2、3腳占用單片機一個口，設(shè)置為方向控制端，控制電路發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收收據(jù)，通信電路的兩個輸出端6、7腳接外設(shè)，一般接工業(yè)上觸摸屏。由圖可見，在兩輸出端與地線之間分別接了兩個TVS管，又稱瞬態(tài)抑制二極管。日常的靜電以及雷雨天氣都會對通信質(zhì)量和通信設(shè)備產(chǎn)生影響。利用TVS管反向?qū)ㄌ匦?，將瞬間高壓引入大地，有效地防止靜電和雷擊對通訊的影響。當(dāng)然也可以選用其他的通信芯片，如果在芯片輸入端采用光耦隔離接入，則電路的穩(wěn)定性更高，抗干擾能力更強，但成本也會相應(yīng)提高。

三、信號輸入電路

單片機的工作電流和工作電壓都比較小，不能滿足工業(yè)控制中的需要，不能用單片機的口直接驅(qū)動執(zhí)行部件工作，需要對輸入和輸出電路作一些處理，從而達到工控中電壓電流的要求。如圖所示，16位開關(guān)量的輸入用來接面板上功能按鍵，開關(guān)量通過光耦隔離后輸出，給單片機進行處理。大家可以發(fā)現(xiàn)，在光耦電路的輸入端將二極管和電阻相并聯(lián)，并聯(lián)的電阻可以提高光耦的閾值，防止光耦誤導(dǎo)通，反向并聯(lián)的二極管起到反向保護的作用，防止反向電壓過高將光耦的發(fā)光管擊穿，增強了輸入端抗干擾的能力。因此光耦的輸入輸出電源分別采用兩路電源供電，互不干擾。

四、開關(guān)量的輸出

電路的輸出部分采用了高耐壓、大電流的ULN2003來驅(qū)動繼電器，通過繼電器的吸合與斷開實現(xiàn)設(shè)備的動作。圖中ULN2003的9腳通過C19電容到地，因為繼電器的線圈在接通的瞬間會產(chǎn)生反電動勢，容易對電路產(chǎn)生干擾，通過電容濾波后，很好地降低了反電動勢對電路的干擾。對于繼電器的選用，有一點很容易被大家忽略，即繼電器觸點材料的不同，抗擊電流干擾的能力也不一樣。下圖兩款繼電器，外形上看一模一樣，唯一的區(qū)別是材料型號中一個有T，一個沒有T，在工業(yè)控制中一般選用帶T的繼電器，避免觸點粘連。

五、電源的輸入

1.共模電感部分。工業(yè)控制中對電源的要求比較高，線性電源不考慮，因為壓降差太大，不適合。我們考慮開關(guān)電源，開關(guān)電源的輸入電壓范圍一般都是18V左右，最后我選用了FP6150和MP451兩塊降壓芯片。電路中220V市電通過共模電路后進行整流濾波，利用共模電路大大減少電磁干擾。

2.整流及TVS管的使用。交流電經(jīng)過橋式或半波降壓整流濾波后分為兩路，一路送給芯片MP2451進行降壓處理得到5V的電壓輸出，另一路則經(jīng)過芯片F(xiàn)P6150進行降壓處理得到12V電壓輸出。兩款降壓芯片的輸出電壓和電流不同，MP2451芯片最大輸出5V、500mA的電壓和電流，而FP6150可以輸出電壓電流為12V、3A，正好滿足單片機、通信和光耦及繼電器的需求。該電路中的橋式整流電路和半波整流電路可以根據(jù)實際工作需要選擇，使用方便靈活。整流濾波后并聯(lián)了一個TVS管D23，該管跟穩(wěn)壓二極管的工作原理類似，區(qū)別在于結(jié)構(gòu)上，其反向電流可以達到幾安到幾十安，因此可以不用接限流電阻。

3.DC-DC降壓電源。濾波后采用的是DC-DC降壓電路。下面兩個電路分別由芯片F(xiàn)P6150和芯片MP2451及外圍元件構(gòu)成了DC-DC降壓變換電路，在電路中二極管D20為肖特基二極管，耐壓為40V，作隔離續(xù)流使用。電感L2時儲能元件，產(chǎn)生電場能與降壓芯片的輸出電壓疊加后經(jīng)電容濾波得到穩(wěn)定的輸出電壓，供給后續(xù)電路使用。兩個電路的原理相同。兩款降壓芯片的輸入電壓最大可達到36V，輸出電流分別達到3A和500mA，輸出電壓非常穩(wěn)定，且成本不高，適合量產(chǎn)，大家根據(jù)需求可以自行選用。

以上僅僅是我在設(shè)計工控電路時所使用的抗干擾的方法，都是根據(jù)實際經(jīng)驗而來，讀者有這方面設(shè)計需求時可以借鑒，根據(jù)實際情況調(diào)整，不能“拿來主義”。