单片机抗干扰的技术(4) 开关量输入输出通道隔离
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1 前言随着单片机的发展,单片机在家用电器、工业自动化、生产过程控制、智能仪器仪表等领域的应用越来越广泛。
然而处于同一电力系统中的各种电气设备通过电或磁的联系彼此紧密相连,相互影响,由于运行方式的改变,故障,开关操作等引起的电磁振荡会波及很多电气设备。
这对我们单片机系统的可靠性与安全性构成了极大的威胁。
单片机测控系统必须长期稳定、可靠运行,否则将导致控制误差加大,严重时会使系统失灵,甚至造成巨大损失。
因此单片机的抗干扰问题已经成为不容忽视的问题。
2 干扰对单片机应用系统的影响2.1 测量数据误差加大干扰侵入单片机系统测量单元模拟信号的输入通道,叠加在测量信号上,会使数据采集误差加大。
特别是检测一些微弱信号,干扰信号甚至淹没测量信号。
2.2 控制系统失灵单片机输出的控制信号通常依赖于某些条件的状态输入信号和对这些信号的逻辑处理结果。
若这些输入的状态信号受到干扰,引入虚假状态信息,将导致输出控制误差加大,甚至控制失灵。
2.3 影响单片机RAM存储器和E2PROM等在单片机系统中,程序及表格、数据存在程序存储器EPROM或FLASH中,避免了这些数据受干扰破坏。
但是,对于片内RAM、外扩RAM、E2PROM 中的数据都有可能受到外界干扰而变化。
2.4 程序运行失常外界的干扰有时导致机器频繁复位而影响程序的正常运行。
若外界干扰导致单片机程序计数器PC值的改变,则破坏了程序的正常运行。
由于受干扰后的PC 值是随机的,程序将执行一系列毫无意义的指令,最后进入“死循环”,这将使输出严重混乱或死机。
3 如何提高设备的抗干扰能力3.1 解决来自电源端的干扰单片机系统中的各个单元都需要使用直流电源,而直流电源一般是市电电网的交流电经过变压、整流、滤波、稳压后产生的,因此电源上的各种干扰便会引入系统。
除此之外,由于交流电源共用,各电子设备之间通过电源也会产生相互干扰,因此抑制电源干扰尤其重要。
电源干扰主要有以下几类:电源线中的高频干扰(传导骚扰):供电电力线相当于一个接收天线,能把雷电、电弧、广播电台等辐射的高频干扰信号通过电源变压器初级耦合到次级,形成对单片机系统的干扰;解决这种干扰,一般通过接口防护;在接口增加滤波器、或者使用隔离电源模块解决。
开关量输入/输出电路一、开关量的隔离与抗干扰1、开关量的隔离(1)隔离的作用隔离的主要作用是:使低压输入电路与大功率的电源隔离;外部现场器件与传输线同数字电路隔离,以免计算机受损;限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰;多个输入电路之间的隔离。
(2)开关量的隔离方法常用的开关量的隔离方法主要有以下方式。
○1光电隔离。
(图3-28 光电耦合器原理接线图)○2继电器隔离。
(图3-29 采用继电器隔离的开关原理接线图)○3继电器和光电耦合器双重隔离。
2、抗干扰软件抗干扰措施主要是适当增加延时,以躲开触点抖动的影响。
二、开关量的采集、检测与变位识别1、开关量的采集方式(图3—30 中断申请电路图)当开关状态发生变化时,由于Q端仍保持原状态,D、Q异或的结果使输出由低电平跳变为高电平,通过非门变成低电平向CPU申请一次中断。
当CPU 响应中断以后,发出INTA信号使触发器触发。
D、Q状态趋于一致,异或门输出又成为低电平。
2、开关动作的检测把3次采样的开关量用A、B、C三个布尔数来表示,从中任取出两个进分“与”运算,如果其中有两个或两个以上为“1”,则运算结果必定有一个为“1”;反之,若有两个或两个以上为“0”,则运算结果必定全为“0”。
另外,再根据“或”运算的规则,在N个数中只要有一个是“1”,则运算结果必定是“1”;只有当N个数全为“0”时,结果才为“0”。
可以把三取二表决的算法用以下逻辑算式来处理(A·B)+(B·C)+(C·A)(3-15)3、开关变位的识别开关量的状态通常用一位二进制数来表示,例如用“1”代表闭合,用“0”代表断开。
变电所的开关量数目很多,为了简化分析,下面只对用一个字节的二进制数表示的8个开关状态进行分析,但所得到的结论具有普遍的意义。
○1现状○+原状,若有变位则该位为1;若无变位,则该位为0。
○2(现状○+原状)∧原状,若为1,则该位由1→0。
○3(现状○+原状)∧现状,若为1,则该位由0→1。
目录摘要 (3)前言 (5)第一章热水壶控制系统总体概述 (6)1.1 热水壶的工作情况 (6)1.2 MCS-51单片机控制的总体介绍 (7)第二章电热水壶控制系统的硬件设计 (8)2.1 温度检测电路和A/D转换器的电路 (8)2.2 单片机8051芯片介绍和主要电路 (12)2.3 8255输出口扩展 (17)2.4 单片机的抗干扰电路 (19)2.5 键盘及显示电路 (21)2.6 加热电路和报警装置 (26)第三章单片机的软件设计 (28)3.1 总的程序设计框图 (28)3.2 8255的程序设计 (29)3.3 键盘和显示接口电路程序设计 (30)结论 (35)致谢 (36)参考文献 (37)摘要本论文设计介绍了MCS-51系列单片机为控制芯片,对电热水壶工作进行控制的方法。
通过电加热电路对水进行加热,并对水的温度进行采样,采样信号通过ADC0809将数字量送入单片机系统,经微机处理后,结合键盘控制实现LED显示,并可实现对水的温度的控制和超过水温的报警系统。
单片机控制热水壶的硬件构成包括8051芯片、8255芯片、地址锁存器等组成的单片机控制电路、温度检测电路、A/D转换电路、光电隔离电路、键盘及显示电路和温度加热电路。
整个系统的关键电路是单片机控制电路,完成信号的输入和输出的转换,即可将温度检测电路采样的输入信号通过A/D转换器ADC0809进行处理加工后输出到显示器进行显示,并可以通过控制器控制温度,同时当水加热超过指定的温度以后,蜂鸣器工作报警。
关键字:单片机;温度控制;控制器。
ABSTRACTThe thesis introducts the method of use the series of MCS-51 one-chip computer which is the control chip to control the work of kettle heat with electric energy. Through electric heated circle, the water will be heated, then sample the temperature of the water. The sampling signal will set the mimic to the system of single chip computer through ADC0809, after is processed by the computer and controlled by the keyboard, it will be showed by LED monitor, at the same time, the system can control the temperature beyond the setting, the system of alarm will run.The hardware of the one-chip computer controls the thermos which includes 8051 chips, 8255 chips, one-chip computer control circuit that address latch ,etc. make up temperature-measure circuit , circuit is changes by A/D, light-electricity and isolation circuit, keyboard and shows circuit、temperature heated circuit .The key circuit of the whole system is a control circuit of one-chip computer, finish the input and output of the signal conversion, can measure temperature sampled signal of input circuit which will deal with after processing then set to display and show to go on to outputting through A/D converter ADC0809, and can control the temperature through the keyboard, after heating and exceeding designated temperature in water, at the same time, the buzzer is sound so as to alarm.Key word: One-chip computer; Temperature control; Controller.前言Intel公司在MCS-48系列单片微机的基础上,采用HMOS技术,研制出了8位高档的MCS-51系列产品微机。
244 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering单片机技术• SCM Technology【关键词】单片机 抗干扰技术 数字滤波技术1 引言如图1所示,单片机测控系统是在程序化管理下形成的测控系统,它可以在工业生产过程中提高机械控制的效率。
但是,工业现场环境复杂,具有电磁功能的大量设备频繁启动、停止,产生的干扰影响了单片机系统的正常运行。
本文针对单片机测控系统中的抗干扰问题,单片机测控系统中的软件抗干扰技术文/陈欣从软件抗干扰技术方面进行了分析和研究,并提出了解决方案。
工业单片机测控系统的常见影响如下:1.1 干扰加大数据采集的误差测试系统通道的输入部分受到干扰信号的入侵,有用信号和外来干扰信号相互叠加,加剧了该通道数据采集的误差。
尤其在当前系统输入的是小电压信号时,数据干扰的现象更加严重。
1.2 干扰使数据发送变化单片机系统中的程序是存放在存储器EPROM 中,这些程序不易发生变化。
但是单片机系统的RAM 数据区是可以读写的,它可能会受到读入信息的干扰从而发生变化。
因为干扰渠道的区别,以及数据性质的区别,单片机系统受损害的情况也各不相同,可能造成控制失灵,也可能造成数值误差,更严重的会改变单片机系统某些部件(如串行口、定时器/计数器等)的运行状态等。
1.3 干扰使控制状态失灵在单片机系统中,控制状态依赖于特定条件的输入状况和处理结果,干扰的侵入会造成条件状态错误,引起虚假的信号,从而加大输出控制的误差,甚至控制失常。
1.4 干扰使程序运行失常单片机系统正常运行的前提是CPU 正常工作,如果干扰信号影响到了CPU ,则程序计数器不能正常运行,从而引起系统混乱、控制失灵,即通常说的程序“跑飞”。
现在使用的单片机抗干扰技术主要分为硬件与软件两类。
硬件抗干扰技术固然可以降低系统受干扰的程度,但是成本较高,灵活性不足,而且容易受电磁干扰。
科技学院课程设计报告( 2010 -- 2011 年度第 2 学期)名称:计算机控制系统A题目:开关量I/O通道中抗干扰措施的分析与可实现方案设计院系:班级:学号:学生:指导教师:设计周数:成绩:日期: 2011 年月日《计算机控制系统A》课程设计任务书一、目的与要求1.通过本课程设计教学环节,使学生加深对所学课程容的理解和掌握;2.结合工程问题,培养提高学生查阅文献、相关资料以与组织素材的能力;3.培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力;4.要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法,根据工程问题和实际应用方案的要求,进行方案的总体设计和分析评估;5.报告原则上要求依据相应工程技术规进行设计、制图、分析和撰写等。
二、主要容1、数字控制算法分析设计;2、现代控制理论算法分析设计3、模糊控制理论算法分析设计4、过程数字控制系统方案分析设计;5、微机硬件应用接口电路设计;6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计;7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现;8、PLC应用控制方案分析与设计;9、数据通信接口电路硬软件方案设计与性能分析;10、现场总线控制技术应用方案设计;11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法;12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计14、计算机控制系统差错控制技术分析设计15、计算机控制系统容错技术分析设计16、工程过程建模方法分析三、进度计划四、设计成果要求1.针对所选题目的国外应用发展概述;2.课程设计正文容,包括设计方案、硬件电路和软件流程,以与综述、分析等;3.课程设计总结或结论以与参考文献;4.要求设计报告规完整。
五、考核方式《计算机控制系统》课程设计成绩评定依据如下:1.撰写的课程设计报告;2.独立工作能力与设计过程的表现;3.答辩时回答问题情况。
成绩以五级分制综合评定分为优、良、中、与格、不与格五个等级。
第五章单片机应用系统的抗干扰技术设计§5.1 干扰源我们要进行抗干扰措施,首先就得仔细研究干扰产生的原因、途径,掌握或了解其规律后,才能有针对性地提出各种抗干 / 扰的理论和措施。
5.1.1干扰与噪声的区别(1> 噪声是绝对的,它的产生或存在不受接收者的影响,是独立的,与有用信号无关。
干扰是相对有用信号而言的,只有噪声达到一定数值、它和有用信号一起进入应用系统并影响其正常工作时才形成干扰。
(2> 干扰在满足一定条件时,可以消除;噪声在一般情况下,难以消除,只能减弱。
5.1.2分类根据产生干扰的物理原因,干扰可以分为如下几种类型:机械干扰、热干扰、光干扰、湿度干扰、化学干扰、电和磁的干扰、射线辐射干扰。
其中,电和磁的干扰是最为普遍和严重的干扰,下面对电磁干扰作重点论述。
电磁干扰的分类:(1> 从噪声产生的来源分类可以分为:错误!固有噪声源固有噪声是指器件内部物理性的无规则波动所形成的噪声。
错误!人为噪声源人为噪声源主要是各种电气设备所产生的噪声,主要有以下几种:1. 工频噪声,大功率输电线是典型的工频噪声源。
低电平的信号线只要有一段长度与输电线平行,就会受到明显的干扰;即使一般室内的交流电源线,对输入阻抗低和灵敏度高的传感器来说也会是很大的干扰源。
在传感器的内部,由于工频感应也会产生交流噪声,它所形成的干扰也不可忽视。
2. 射频噪声,高频感应加热、高频焊接等工业电子设备以及广播、电视、雷达及通信设备等通过辐射或通过电源线会给附近的传感器系统带来干扰。
3. 电子开关,由于电子通断的速度极快,使电路中的电压和电流发生急剧的变化,形成冲击脉冲,从而成为噪声干扰源。
错误!自然噪声源和放电噪声自然噪声主要指天电形成的放电现象。
放电现象的起因不仅是天电,还有各种电气设备所造成的,主要有:电晕放电、火花放电、放电管放电等。
(2> 从干扰的出现区域来分可分为内部干扰和外部干扰。
(3> 从干扰对电路作用的形成分类错误!差模干扰也称为串联干扰,差模干扰进入电路后,使传感器系统 / 的一个信号输入端子相对于另一个信号输入端子的电位发生变化,即干扰信号与有用信号按电势源串联起来作用于输入端。
单片机的干扰因素及抗干扰措施作者:闫曼来源:《中国科技博览》2014年第03期[摘要]本文通过对单片机系统干扰的分析,指出其危害性,并在此基础上对常见的抗干扰措施进行了归纳和总结。
[关键字] 单片机抗干扰中图分类号: TP368.1 文献标识码:A随着现代微电子技术的迅猛发展,单片机以期体积小、价格低、智能化高、价格便宜,进而得到了广泛的应用,在应用的同时对其可靠性的要求也越来越高,而抗干扰是决定可靠性高低的重要指标之一。
但是,由单片机构成的工控装置所处的工作环境比较恶劣,干扰因素较多,因此必须采取抗干扰措施才能保证装置的正常运行。
1、单片机系统干扰及其危害干扰就是叠加在有用信号上的不需要的信号,是影响电路正常工作的另一种噪声。
在各种实际环境中,干扰总是存在的,这些干扰能降低电子系统的准确性甚至破坏其可靠性。
干扰的分类有好多种,通常可以按照噪声产生的原因、传导方式、波形特性等等进行不同的分类。
按照产生原因分:放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。
按传导方式可分为:共模噪声和串模噪声。
按波形分为:持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。
1.1单片机系统的主要干扰原因1.1.1 电源线中的高频干扰高频电源、交流电源、强电设备产生的电火花、晶闸管的通断甚至雷电,都能产生电磁波,从而成为造成一定程度的电磁干扰。
当距离较近时,电磁波会通过分布电容和电感耦合到信号回路而形成电磁干扰;当距离较远时,电磁波以辐射的形式构成干扰。
1.1.2 感性负载产生的瞬变噪声干扰在单片机的应用系统中,常用的元件及设备如继电器、电动机、电磁阀等均具有较大电感量。
当电感回路的电流被切断时,会产生很大的反电势而形成噪声干扰。
这种干扰不仅能产生电磁场,而且还可能击穿电路中晶体管。
1.1.3噪声电压干扰在直流电源回路中,负载的变化会引起电源噪声,例如在数字电路中,当电路从一个状态转变为另一种状态时,就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流,形成瞬变的噪声电压。