基于单片机控制系统的抗干扰设计

刘西玲 常多贵

摘 要：随着单片机性价比的不断提高，它的应用范围也在不断扩大。从人们的日常工作和生活用品到高端的国防通讯产品，单片机的身影随处可见。单片机系统运行环境的可靠性和安全性愈来愈成为人们关注的一个重点。因此，抗干扰设计是单片机控制系统设计中不可忽视的内容。

关键词：单片机；控制系统；抗干扰

1 概述

单片机因其集成度高、功能强、速度快、体积小、成本低、可靠性高等特点，作为嵌入式控制器件，在很多控制系统中得到了普遍应用。由于控制系统的工作环境往往比较恶劣，存在各种各样的干扰，这些干扰源进入控制系统的方式主要有：空间干扰（场干扰）；过程通道干扰；供电系统干扰等。一般情况下过程通道干扰和供电系统干扰在强度上远大于空间干扰，故在设计单片机的控制系统时，应重点考虑过程通道与供电系统的干扰。

2 过程通道干扰及抗干扰措施

对于过程通道，它直接与输入输出设备相连，输入输出信号在过程通道中传输时，干扰也随之进入系统，因此要防止干扰信号的进入，一是要去掉过程通道与外部设备间的公共地线，实现相互间的电隔离；二是利用光电耦合器将主机部分与过程通道及其它部分隔离开来；三是要充分考虑元器件的排列和布线，减小电路中杂散电容，分布电容的产生，抑制各种干扰噪声对系统的影响。

在设计这一部分电路时，对于过程通道中的数字信号，应采用光电隔离并增加必要的硬件电路，把主机电源和供电电源分开单独供电。对于过程通道中的模拟信号，应让抗干扰屏蔽的位置往外设置。也就是说，对于输入端先设干扰屏蔽再进行A/D转换，对于输出端先进行D/A转换再设置抗干扰屏蔽。并采用具有线性变换和传输的特性的光电耦合器，尽可能的减少干扰信号在通道中的干扰。另外还要分别对光电耦合器两边的输入输出回路电源单独供电，接地电路也要分开。

3 供电系统干扰及抗干扰措施

单片机控制系统的各单元模块电路都需要工作电压，系统所需的这些工作电压一般由市电电网通过交流变压器变压，由整流电路、滤波电路、集成稳压环节稳压得到。由于变压器初级绕组是接在市电电网上，电网上的噪声干扰会窜入系统，影响系统的安全性能，另外输电线路及滤波电路都存在或多或少的阻抗，它往往以内阻、电容、电感的形式分布于整个电源网络。造成了电源的严重污染，随着现代化工业的迅速发展，电源污染日趋严重。

电源供电系统中主要的干扰源有：过压、欠压、停电、浪涌、下陷、降出、尖峰干扰等，都有会形成干扰电压。

过压、欠压、停电的危害是显而易见，对于电网欠压，可以在直流稳压电路的输出端接一大电解电容，增大它的输出电压。对于电网过压，可以采用电源调节器快速调节电源或增加稳压器对电源加以保护。而对于短时间的停电则配置不间断电源（UPS）。

尖峰电压是一种频繁出现的叠加于电网上的随机脉冲，持续时间很短，一般不会毁坏控制系统，但往往会造成系统的计算机程序无法正常运行，逻辑功能紊乱，数据丢失甚至死机。对于这种干扰，一般采用软件和硬件结合进行抑制，硬件设计方面采用能够抑制噪声能力的参数可变的稳压器、可调节的交流电源或超隔离变压器。软件设计方面及时引导系统恢复原始状态或使用定时中断来监视程序运行状态。

下陷与浪涌是电压的快变化，这种电源干扰往往会使系统中反应迟缓的元器件产生振荡，引起电压的上下变化，直接导致系统无法正常工作，一般使用响应快速的交流电源调压器。

另外对于供电系统也可以采用独立供电模块进行供电，以减少因某块电源出现故障而导致整个控制系统无法工作，提高了供电系统的可靠性，也有利于电源的散热。

4 空间干扰及抗干扰措施

空间干扰主要有传导干扰和辐射干扰两类，对于传导干扰主要是由导线传播到敏感器件上的干扰。由于有用信号的频带和高频干扰噪声频带不同，可以采用在导线上增加滤波器的方法滤掉高频干扰或者采用光电耦合器；对于辐射干扰主要是由空间辐射传播到敏感器件的干扰。可以采用加大干扰源与敏感器件的之间长度，用接地线进行隔离或在敏感器件上加屏蔽罩的方法。

5 结束结

文章简略地分析了单片機控制过程中各种干扰源及抗干扰措施。在控制系统中，供电系统干扰和过程通道干扰的远大于空间干扰，成为主干扰。而空间干扰在某些特定情况下也会带来严重干扰，必须引起重视。另外随着单片机应用范围的不断扩大，电网污染问题也日趋严重，控制系统中由于电网污染而引起系统故障所占比例越来越大，这就要求我们有必要加大绿色电源的开发，提高电路中各种设备对电网的污染，同时还要继续提高电源的稳定性和可靠性，使得单片机系统工作更加安全、稳定。

参考文献

[1]何立民.MCS-51单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，1995.

[2]刘松.单片机技术与应用[M].机械工业出版社，2010.

[3]王幸之.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京航空航天大学出版社，2001.

[4]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京航空航天大学出版社，1995.

[5]郝波.电子技术基础-模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社，2008.

作者简介：刘西玲（1966，3-），女，籍贯：陕西武功，工作单位：宝鸡职业技术学院电子信息工程系，研究方向：计算机控制，学历：本科，职称：副教授。