单片机应用系统抗干扰的设计

魏雅，杜云

（陕西工业职业技术学院陕西咸阳712000）

工业控制是计算机的一个重要应用领域，随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制应用系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平[1]，并用在不同的工业控制中。那么在温度控制应用系统中如何提高抗干扰能力，以使其在不同的恶劣环境下更好的服务，本文就基于单片机的温度控制抗干扰问题加以讨论，以提高温度控制系统的广泛应用。

1 硬件系统设计

本系统是一种以AT89S52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。该控制系统可以实时采集并存储相关的温度数据并记录当前的时间。如果实时监测的温度超出了设置的温度范围，蜂鸣器进行报警，并通过控制继电器的通断进行加热升温或通过LN298控制风扇转动进行降温，使之恢复到设置的温度范围。其主要包括：电源模块、温度采集模块、按键处理模块、实时时钟模块、数据存储模块、LCD显示模块、温度处理模块、通讯模块以及单片机最小系统。系统总体框架如图1所示。

图1 系统设计框架Fig.1 The system design framework

1.1 干扰的来源

干扰的来源[2]是多方面的，主要来自外部和内部。外部干扰的主要来源有：电源电网电压的波动，高压设备和电磁开关的电磁辐射，大型用电设备（如电炉、电梯、照明灯、电机、电焊机）启停，传输电缆的共模干扰等。内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。如分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。

单片机应用系统的抗干扰技术非常重要，往往一个应用系统抗干扰问题解决不好，设计的应用系统无法投入生产运行。只有解决好系统抗干扰问题，加强抗干扰措施，应用系统适应现场工业环境后，系统在工业现场才能正常运行。单片机应用系统的抗干扰技术通常有硬件抗干扰和软件抗干扰两方面。

1.2 电源供电的干扰措施

对于单片机应用系统来说，最严重的干扰来源于电源[3]。由于任何电源及辅电线都存在内阻、分布电容和电感等，正是这些因素引发了电源的噪声干扰。

电源的设计取决于系统所要求的供电方式，如是采用单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。在本设计中由于系统所选用的单片机是AT89S52，它的标准工作电压为+5 V，采集所用的发光二极管和光敏三极管等电路它们的工作电压都是+5 V，因此在本设计中采用单电源方案，单电源方案的优点是系统简单、工作可靠。由于温度控制电路中用到LN298，根据LN298的要求，需要一个+2.5～+46 V之间的一个电压源，考虑到用电安全及设计方便等因素，将其设定在+15 V。因此我们的目标是设计出一个能够提供+5 V与+15 V的电源，其电路如图2所示。

由上图可以得知，此电源电路可以将220 V的交流电转换为+15 V和+5 V直流电进行输出。从原理上看，首先将220 V交流电通过变压器转换为24 V交流电，然后采用二极管桥式整流电路并通过滤波电容C11对其进行整流，获得略低于24 V的直流输出，经过C13滤除纹波电压后进入集成稳压源L7815产生+15 V直流电压提供给外围电路使用，同时此电压又作为MC7805的输入电压，通过MC7805产生+5 V电压供系统逻辑电路和各模块使用。在交流电源的输入端，接一个低通滤波器，它可以滤除电网中高于50 Hz的高次谐波干扰信号，保证50 Hz的工频信号无衰减地通过，这种做法的好处是只使用一个变压器，降低了成本，同时还减小了+5 V直流电源的纹波电压，这样不会因某块稳压电源出故障而使整个系统遭到破坏。同时也减少了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供电的可靠性，也有利于电源的散热。

图2 电源电路Fig.2 Power supply circuit

经测试，整流后的信号已经基本接近直流，最大值与最小值之间只差0.02，满足要求。

1.3 其它硬件方面干扰措施

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。本系统中用双绞线作长线传输，能有效地抑制共模噪声及电磁场干扰。对于温度传感器后级的升温部分主要采用弱电控制强电，通过对继电器导通和断开的控制，来实现升温的效果。继电器是通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路、抗干扰能力强等作用。本设计中采用的继电气控制电路如图3所示。

图3 继电器控制电路Fig.3 Control relay circuit

在做印制电路板[3]时，将强、弱电路严格分开，放在不同印制电路扳上。电源线的走向基本与数据传输方向一致。电源的地线尽量加粗，一般超过3 mm。

2 温度采集系统软件抗干扰的措施

由于有的温度采集的地方环境较恶劣，各种干扰源很多，如环境温度、电磁场等，使单片机系统采集到的数据信号，虽经硬件电路的滤波处理，但仍会混有随机干扰。因此，为了提高系统性能，达到准确的测量与控制，一般情况下还需要进行数字滤波[4]。

2.1 数字滤波

数字滤波[5]，就是计算机系统对输入信号采样多次，然后用某种计算方法进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声造成的随机误差，从而获得一个真实信号的过程。这种滤波方法只是根据预定的滤波算法编制相应的程序，实质上是一种程序滤波。数字滤波与硬件电路RC滤波相比有很多优点：1）无须增加任何硬件设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。2）由于数字滤波器不需增加硬件设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。3）对于模拟滤波器，通常是各通道专用的，而对于数字滤波器来说，则可多通道共享，从而降低了成本。4）可对频率很低（如0.01 Hz）的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。5）使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法或改变滤波器的参数。

总之，数字滤波与硬件滤波器相比优点很多，因此得到了普遍的应用。常用的数字滤波方法有：程序判断滤波（限幅、限速）、中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波、滑动平均滤波、RC低通数字滤波和复合数字滤波等。本系统采用限幅滤波法。

2.2 限幅滤波法

限幅滤波[6]就是把两次相邻的采样值相减，求其增量的绝对值，再与两次采样所允许的最大差值ΔY进行比较，如果小于或等于ΔY，表示本次（第K次）采样值Y（k）是真实的，则取Y（k）为有效采样值；反之，Y（k）是不真实的，则取上次采样值Y（k-1）作为本次有效采样值。

使用时关键问题是最大允许误差ΔY的选取。ΔY太大，各种干扰信号将“乘机而入”，使系统误差增大；ΔY太小，又会使某些有用信号被“拒之门外”，使单片机采样效率变低。因此，门限值ΔY的选取是非常重要的。本系统的门限值ΔY=02H。上一次采样值存入DATA0单元，本次采样值存入DATA1单元。

在限幅滤波程序中先求出本次采样值与上一次采样值的差值。若差值为正，则直接进行限幅判断；若差值为负，则求绝对值后再进行限幅判断。限幅判断采用加法进行，即差值+FDH（02H的反码）。若有进位，则超限；若无进位，则未超限。

温度采集时的具体的限幅滤波程序如下：

ORG 0100H

LIMIT：MOV DATA0，DATA1；本次采样值送DATA0

ACALL TOAD；本次采样值存入A

MOV DATA1，A；暂存于DATA1中

CLR C

SUBB A，DATA0；求差值

JNC LIMIT1；若差值为正，转LIMIT1

CPL A；若差值为负，则求绝对值

INC A

LIMIT1：ADD A，#0FDH；超限判断

JNC LIMIT2；若不超限，则本次采样值有效

MOV DATA1，DATA0；若超限，则上次采样

值送DATA1

LIMIT2：RET

TOAD：；采样子程序（由于篇幅问题未给出）

:

：

END

DATA0 EQU 60H

DATA1 EQU 61H

以上程序的出口条件是，滤波后的采样值在A中。

3 结论

为了提高温度采集的可靠性，本文综合从硬件和软件等采用不同的方法对硬件电路和采集的温度信号进行处理，经实践证明，该方法能够达到抗干扰的目的，提高了系统的可靠性，经过滤波后，采集到的温度数据最大误差为0.02，满足控制系统的要求。

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