单片机原理及应用

第14章 MCS-51应用系统的抗干扰设计

单片机原理及应用

主要内容

干扰的来源供电系统的干扰及其抑制措施过程通道干扰的抑制措施空间干扰及抗干扰措施印刷线路板的抗干扰设计软件抗干扰措施监督定时器的作用2

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抗干扰设计的重要性

干扰是无处不在的，尤其在工业现场更为严重。系统的抗干扰性能的好坏是影响其工作可靠性的重要因素。这部分以介绍为主，属于提高阶段的学习内容，可以为大家将来的系统设计提供借鉴。

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14.1干扰的来源

影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪声，又称干扰。干扰会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵。在测量通道中产生了干扰，就会使测量产生误差，电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。

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干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，进入单片机系统的渠道主要有三条：

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(1)空间干扰周围的电气设备如发射机、中频炉、可控硅逆变电源等发出的电干扰和磁干扰；广播电台或通讯发射台发出的电磁波；空中雷电，甚至地磁场的变化也会引起干扰。会使单片机系统不能正常工作。 (2)供电系统干扰大功率设备，大感性负载设备的启停使电网电压大幅度涨落(浪涌),欠压或过压常常达到额定电压的15%以上。长达几分钟、几小时、甚至几天。大功率开关的通断，电机的启停，电焊等原因，电网上常出现几百伏，甚至几千伏的尖脉冲干扰。6

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(3)过程通道干扰开关量/模拟量输入输出在单片机系统中是必不可少的。输入输出的信号线多，长度长，不可避免地将干扰引入单片机系统。当大的电气设备漏电，接地系统不完善，或者测量部件绝缘不好，会使通道中直接串入干扰信号；各通道的线路如果同出一根电缆中或绑扎在一起，各路间会通过电磁感应而产生瞬间的干扰，尤其是 0~15V的信号与交流220V的电源线同套在一根长达几百米的管中其干扰更为严重。这种彼此感应产生的干扰其表现形式仍然是通道中形成干扰电压。7

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过程通道中的干扰轻者会使测量的信号发生误差，重者会使有用的信号完全淹没。有时这种通过感应产生的干扰电压会达到几十伏以上，使单片机系统无法工作。 **三种干扰中以来自供电系统的干扰最为严重，其次为来自过程通道的干扰。对于来自空间的辐射干扰，需加适当的屏蔽及接地来解决。

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14.2供电系统干扰及其抗干扰措施单片机系统中最重要、危害最严重的干扰源是电源。在某些大功率耗电设备的电网中，经对电源检测发现，在50周正弦波上叠加有很多1000多伏的尖峰电压。 14.2.1电源噪声来源、种类及危害 (1)过压、欠压、停电

:>1s; (2)浪涌、下陷：1s>t>10ms; (3)尖峰电压：t为µs量级； (4)射频干扰：t为ns量级；过压、欠压、停电的危害是显而易见的。解决的办法是使用各种稳压器、电源调节器，对付暂短时间的停电则配置不间断电源(UPS)。9

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浪涌与下陷是电压的快变化，如幅度过大也会毁坏系统。即使变化不大(10%~15%),直接使用不一定会毁坏系统，但由于电源系统中接有反应迟缓的磁饱和或电子交流稳压器，往往会在这些变化点附近产生振荡，使得电压忽高忽低。如果有连续几个10%~15%的浪涌或下陷，由此造成的振荡能产生30%~40%的电源变化，而是系统无法工作。解决的办法是使用快速响应的交流电源稳压器。尖峰电压持续时间很短，一般不会毁坏系统，但对单片机系统正常运行危害很大，会造成逻辑功能紊乱，甚至冲坏源程序代码。解决办法是使用具有噪声抑制能力的交流电源调节器或超隔离变压器。射频干扰对单片机系统影响不大，一般加接2~3节低通滤波器 10既可解决。

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14.2.2供电系统的抗干扰设计

单单一台高质量的电源不足以解决干扰和电压波动的所有问题，必须完整地设计整个电源供电系统。逻辑电路是在低电压、大电流下工作。电源部分的设计就必须引起注意，譬如一条0.1Ω的电源线回路，对于5A的供电系统，就会把电源电压从5V降到4.5V,以至不能正常工作。另一方面工作在极高频率下的数字电路，对电源线有高频要求。一般电源线上的干扰是数字系统最常出现的问题之一。11

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电源系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源系统内的全部电流。应该采用粗导线作为电源连接线，地线应尽量短而直接走线；对于插件式线路板，应多给电源线、地线分配几个沿插头方向均匀分布的插针。

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推荐：单片机电源系统设计的重要原则

在设计单片机应用系统时，为了提高供电系统的质量，防止窜入干扰，电源系统建议采用如下的形式。

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(1)交流近线端加交流滤波器，可滤掉高频干扰，如电网上大功率设备启停造成的瞬间干扰。滤波器市场上的产品有一级、二级滤波器之分，安装时外壳要加屏蔽并良好接地，进出线要分开，防止感应和辐射耦合。低通滤波器仅允许50Hz交流电通过，对高频和中频干扰有良好的衰减作用。 (2)要求高的系统加交流稳压器。 (3)采用具有静电屏蔽和抗电磁干扰的隔离电源变压器。 (4)采用集成稳压块两级稳压。目前市场上集成稳压块有许多种，如提供正电源的7805、7812、7820、7824以及提供负电压的79系列稳压块，它们内部是多级稳压电

路，采用两级稳压，效果好。例如主机电源先用7809稳到9V,再用7805稳到5V。

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(5)直流输出采用大容量电解电容进行平滑滤波。 (6)交流电源线与其他线尽量分开，减少再度耦合干扰。滤波器的输出线上干扰已减少，应使其与电源进线级滤波器外壳保持一定距离，交流电源线与直流电源线即信号线分开走线。 (7)电源线与信号线布线时，不可把两线靠得太近或互相平行，以减少电源信号线的影响。 (8)在每块印刷版的电源与地之间并接退耦电容。即5~10µF的电解电容和一个0.01~1.0µF的电容，以消除直流电源与地线中的脉冲电流所造成的干扰。 (9)提高功率接口部分电源电压。例如采用光电耦合器输出端驱动直流继电器，可选用直流24V比直流6V抗干扰能力更强。

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14.3过程通道干扰的抑制措施--隔离过程通道是系统输入、输出以及单片机之间进行信息传输的路径。过程通道的干扰主要采用光电隔离技术、双绞线传输等方法抑制。

14.3.1光电隔离的基本配置采用光电耦合器可以将单片机与前向、后向以及其他部分切断电的联系(通过电-光、光-电的转换),能有效地防止干扰从过程通道进入单片机。