单片机在工业控制中抗干扰电路的设计

顾海林

目前市场上工业控制中的主控器件有单片机、PLC、DSP和ARM四类，在日常教学实际中用的最多且易于上手的仍是单片机和PLC。DSP和ARM多用于企业高精度、高质量的高端产品中。对于需要大量生产并不复杂的工业控制中，单片机控制仍然会作为首选。在进行单片机相关电路设计时，由于电网、线路、雷电、静电等干扰会对电路造成不稳定性，以至于设备不能正常工作，更严重的会损坏我们的设备，这就需要我们在设计电路时考虑如何进行抗干扰处理，尽可能把風险降在允许范围之内。以下面电路为例，具体说说单片机在工业控制电路中处理各种干扰的技巧。

一、主控电路部分

下图是工控电路的核心部分，主控芯片是新唐1T的8051系列单片机，这款单片机在市场上比较冷门，不为大家所熟知，但其具备很高的抗干扰能力，读者朋友也可以将单片机替换成别的型号单片机来使用，比如STC等。单片机的外围电路主要由三部分构成，即输入、输出和通信。指令输入是通过两片74LS165进行并行输入，串行输出，单片机可以同时接收到16位输入的开关量。单片机的输出是通过串入并出芯片74HC595将数据输出。通信部分由芯片MAX13085完成。下面将一一描叙各部分的构成及功能。

二、通信电路部分

由上图中可见，芯片MAX13085构成的电路可以实现单片机与外部设备进行双向通讯，该芯片在通讯距离上与RS485相比没有优势，但使用起来简单方便。芯片的输入端1、4脚与单片机的TXD和RXD相接，芯片的2、3脚占用单片机一个口，设置为方向控制端，控制电路发送数据还是接收收据，通信电路的两个输出端6、7脚接外设，一般接工业上触摸屏。由图可见，在两输出端与地线之间分别接了两个TVS管，又称瞬态抑制二极管。日常的静电以及雷雨天气都会对通信质量和通信设备产生影响。利用TVS管反向导通特性，将瞬间高压引入大地，有效地防止静电和雷击对通讯的影响。当然也可以选用其他的通信芯片，如果在芯片输入端采用光耦隔离接入，则电路的稳定性更高，抗干扰能力更强，但成本也会相应提高。

三、信号输入电路

单片机的工作电流和工作电压都比较小，不能满足工业控制中的需要，不能用单片机的口直接驱动执行部件工作，需要对输入和输出电路作一些处理，从而达到工控中电压电流的要求。如图所示，16位开关量的输入用来接面板上功能按键，开关量通过光耦隔离后输出，给单片机进行处理。大家可以发现，在光耦电路的输入端将二极管和电阻相并联，并联的电阻可以提高光耦的阈值，防止光耦误导通，反向并联的二极管起到反向保护的作用，防止反向电压过高将光耦的发光管击穿，增强了输入端抗干扰的能力。因此光耦的输入输出电源分别采用两路电源供电，互不干扰。

四、开关量的输出

电路的输出部分采用了高耐压、大电流的ULN2003来驱动继电器，通过继电器的吸合与断开实现设备的动作。图中ULN2003的9脚通过C19电容到地，因为继电器的线圈在接通的瞬间会产生反电动势，容易对电路产生干扰，通过电容滤波后，很好地降低了反电动势对电路的干扰。对于继电器的选用，有一点很容易被大家忽略，即继电器触点材料的不同，抗击电流干扰的能力也不一样。下图两款继电器，外形上看一模一样，唯一的区别是材料型号中一个有T，一个没有T，在工业控制中一般选用带T的继电器，避免触点粘连。

五、电源的输入

1.共模电感部分。工业控制中对电源的要求比较高，线性电源不考虑，因为压降差太大，不适合。我们考虑开关电源，开关电源的输入电压范围一般都是18V左右，最后我选用了FP6150和MP451两块降压芯片。电路中220V市电通过共模电路后进行整流滤波，利用共模电路大大减少电磁干扰。

2.整流及TVS管的使用。交流电经过桥式或半波降压整流滤波后分为两路，一路送给芯片MP2451进行降压处理得到5V的电压输出，另一路则经过芯片FP6150进行降压处理得到12V电压输出。两款降压芯片的输出电压和电流不同，MP2451芯片最大输出5V、500mA的电压和电流，而FP6150可以输出电压电流为12V、3A，正好满足单片机、通信和光耦及继电器的需求。该电路中的桥式整流电路和半波整流电路可以根据实际工作需要选择，使用方便灵活。整流滤波后并联了一个TVS管D23，该管跟稳压二极管的工作原理类似，区别在于结构上，其反向电流可以达到几安到几十安，因此可以不用接限流电阻。

3.DC-DC降压电源。滤波后采用的是DC-DC降压电路。下面两个电路分别由芯片FP6150和芯片MP2451及外围元件构成了DC-DC降压变换电路，在电路中二极管D20为肖特基二极管，耐压为40V，作隔离续流使用。电感L2时储能元件，产生电场能与降压芯片的输出电压叠加后经电容滤波得到稳定的输出电压，供给后续电路使用。两个电路的原理相同。两款降压芯片的输入电压最大可达到36V，输出电流分别达到3A和500mA，输出电压非常稳定，且成本不高，适合量产，大家根据需求可以自行选用。

以上仅仅是我在设计工控电路时所使用的抗干扰的方法，都是根据实际经验而来，读者有这方面设计需求时可以借鉴，根据实际情况调整，不能“拿来主义”。