论单片机控制系统的硬件抗干扰设计

杨琳

摘要：现代微型计算机技术的普及应用，使单片机在电气控制系统中的运用更加广泛，取代了传统人工控制的作业模式，综合提高了机械及电气设备的自动化运行效率。硬件是单片机极为重要的组成部分，使用过程易受到多方面因素的干扰，加强单片机抗干扰设计是保证其功能正常发挥的前提条件。本文结合实际的工作经验，重点对单片机控制系统的硬件抗干扰进行分析和总结。

关键词：单片机;硬件;抗干扰

一、造成干扰的渠道和影响

影响单片机控制系统可靠运行的主要因素为各种电气信号的干扰，并且受到系统结构、安装工艺、器件选择、制造水平等影响。多种因素交织在一起经常会使单片机系统出现不稳定，轻则降低产品质量，重则会造成事故。

（一）空间中的电磁干扰。单片机控制系统主要应用在工业控制中，其实际工作的生产现场存在着许多干扰源，例如，闪电、电机、高频率的时钟等。这些电磁干扰信号有可能会进入测量单元的模拟信号输入通道，使数据采集的误差加大，甚至干扰信号掩盖了正确的测量信号，从而带来整个单片机控制系统的误操作，对其正常工作造成极大的影响。

（二）测控通道中的干扰。测控通道是单片机控制系统与其他主机之间连通的桥梁。其传输线中的信号多为脉冲波，当干扰信号进入系统的后向通道后，会出现延时，波形畸变、衰减等现象，从而产生错误的操作指令和反馈信号，造成整个控制系统的故障。

（三）供电系统干扰。事实上在正常的50Hz正弦波上叠加有许多高电压的尖峰脉冲信号，这些信号在不稳定时有可能影响系统的正常工作，甚至烧毁一些器件。

二、硬件抗干扰设计的方法和原则

（一）合理设计电路板电路。电路板电路的设计对单片机控制系统是否抗干扰起着十分重要的作用。在设计过程中要注意尽量控制噪声源、降低对外部噪声的吸收和减小噪声的传播与耦合来进行布线。对模拟电路部分、数字电路部分以及驱动部分的电源线和地线要分别进行处理，噪音元件和非噪音元件要保持一定的距离。

在元器件的位置排列上尽量使相互关联的器件布置在一起。将发热量较大的部分，如存储单元、时钟发生器等放置在板子散热条件较好的地方。为了消除电位差，降低干扰，可以将整流电路部分设计为网格状。对于地线和电源线的走向上尽量与数据的传输方向一致，这样有助于提高整个系统的抗噪声能力。当单片机控制系统中同时存在弱电信号和强电信号时，要在线路布局和走向上予以区别并保持一定的距离以降低相互间的干扰。同时为了降低电磁感应对传输信号的影响，系统中的电源线、信号线等尽量采用双绞线。

（二）降低供电系统的电源干扰。（1）为确保单片机供电系统的稳定性，防止出现欠压和过压，应在电源接入端采用交流稳压器件;（2）电源系统中的干扰部分大多是高次谐波，因此可以采用在交流端添加电感电容滤波，从而改善电源波形。例如，可以使用磁珠和电容组成π形滤波电路，如果条件要求不是很苛刻时磁珠可以用1000电阻替代，从而可以消除干扰脉冲;（3）在一些情况下也可以采用系统模块独立供电的方法进行供电。在每个功能模块上采用三端稳压集成模块组成稳压电源，如7805等。这样不仅可以提高供电的可靠性，也可以减少公共阻抗和公共电源的相互耦合，有助于电源的散热。

（三）增强敏感元件的抗干擾能力。（1）对于按钮等部件在实际操作时出现抖动现象，须用RC电路予以处理;（2）在对电路板进行布线时，电源线和地线要设计的尽量粗些。这样不仅可以减小压降，还可以有效降低耦合噪声;（3）对于单片机中空闲的I/O口，须尽量避免其悬空，在不影响系统功能和逻辑的前提下对其接地或接电源以降低干扰源进行系统;（4）为提高整体系统的抗干扰能力，需要对单片机电路进行优化，例如采用电源监控、看门狗电路等;（5）在采用低速芯片可以满足条件的前提下尽量避免使用高速芯片;（6）单片机控制系统的复位电路在受到干扰的情况下可能出现误复位操作，因此需要在复位端接入去耦电容;（7）时钟发生器尽量靠近使用到该时钟的器件，同时要注意将石英晶体振荡器的外壳接地。

（四）隔离和屏蔽设计。对单片机控制系统的进行隔离和屏蔽设计是硬件抗干扰的常用措施。隔离的目的是将电路上的干扰源和系统中易受到干扰部分进行分离，从而切断干扰通道，保证监控装置与现场仅仅保持正常的信号联系。常见的隔离方式主要有布线隔离、继电器隔离和光电隔离等。其中光电隔离是比较典型的信号隔离，其作用是将单片机的输入端和输出端隔离开，从而可以使干扰信号进入不了单片机系统，也可以确保系统本身的噪声不会向外传播。屏蔽主要是针对噪声相对大的部件来，如开关电源等，可以用金属外壳的罩子进行封闭，降低噪声源对单片机的干扰。

（五）其他常用的抗干扰措施。（1）电路板布线时尽量避免线路出现90度折线，以便降低高频噪声;（2）电路板在设计中要合理布局，尽量降低强电信号、弱电信号、数字信号和模拟信号之间的相互影响，保证干扰源与敏感元件之间距离;（3）对于系统中的大功率器件尽量布置在电路板的边缘，同时要将单片机和其接地独立开，在提高散热的同时降低相互干扰;（4）在单片机控制系统的关键地方使用抗干扰器件，如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩等;（5）对变压器采用双隔离措施是硬件抗干扰的重要手段之一。即将串联电容接入变压器初级输入端，初、次级线圈间屏蔽层与初级间电容中心接点接大地，次级外屏蔽层接印制板地。同时为了吸收变压器产生的浪涌电压可以在次级加低通滤波器;（6）为了降低信号的误差，A/D转换用隔离放大器或采用现场转换的方式。

三、结束语

单片机控制系统的硬件抗干扰设计与系统的使用环境、具体电路以及相应的软件设计等有着密切的关系。因此，在具体设计中应根据实际情况具体分析，在可靠的实现需求功能的基础上提高整体性能和降低设计成本。同时要注意抗干扰设计理论与实践的结合，不断积累经验，才能设计中运行稳定的单片机控制系统。

参考文献：

[1]  刘大茂.单片机原理及其应用[M].上海：上海交通大学出版社，2015

[2]  胡连柱，姜宝山.简析单片机软硬件的抗干扰设计技术[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2017（01）.

[3]  王建晓，初伟先，于宏波.单片机系统硬件抗干扰的方法[J].山东科学，2016（05）.

（作者单位：大连富士冰山自动售货机有限公司）