单片机抗干扰技术4开关量输入输出通道隔离
单片机测控系统抗干扰能力分析
单片机测控系统的抗干扰能力分析摘要：由于工作环境的多样性，单片机测控系统在工作过程中所受干扰比较大。
为了减少这种影响，提出了抗干扰技术，它是一项系统性的工程，该系统开发的整个过程与环节都要进行抗干扰能力的设计。
本文分析了干扰的来源与形成以及其对单片机测控系统产生的不良影响，从硬件、软件两方面来讨论单片机的抗干扰能力，尽可能的提高整个单片机测控系统的稳定性与可靠性。
关键词：单片机；测控系统；抗干扰能力中图分类号：tp274 文献标识码：a文章编号：1007-9599 (2013) 05-0000-02随着单片微型计算机的应用越来越广泛，主要用于智能化仪表中，尤其是测量控制系统的微型计算机，它是一种新型的微电子设备，具有完善的智能化特性，因而在工业系统中高达90%采用的是单片机测控系统。
由于工业环境中到处都是强弱电设备，不仅有数字电路还有不同模拟电路形成一个强电与弱电数字与模拟共存的局面，同时工作环境电磁干扰强、环境恶劣，其工作性与可靠性都会收到极大的影响。
因此，有必要对单片机测控系统的抗干扰能力进行研究，提高其在电磁环境中的适应能力以及稳定性。
1干扰的来源及形成1.1干扰的来源。
（1）较恶劣的供电环境。
属于重工型企业的铝厂，设备多数是大功率、大感性负载，启动或停止它们都会造成电网电压的大幅度变化，出现欠压、过压的现象，甚至有时候是额定电压的10%，出现这种情况可能持续几分钟或更久。
另外，大功率开关的通断也会造成电网产生尖脉冲，当尖脉冲跟电网的正弦波两者相叠加的时候，其通过交流电源进入到计算机内，对计算机造成了极大的危害，通常情况下，使得计算机发生“飞程序”，出现鼠标乱跳、打印机误动作等故障，使得计算机系统半瘫痪。
（2）严重的噪声环境。
为了实现数据采集或实时控制，模拟量、开关量的输入/输出信号线和控制线长达十几米至几百米，从而对计算机系统的干扰无从避免。
在高压系统调试后，发现在足够大的干扰下，极大的影响了线路分布电容的参数，同时，它对微型计算机引入了够强的干扰，轻微情况只是程序发生错误，影响其正常工作，严重情况下可能导致程序被冲或微机芯片直接被损坏掉【1】。
如何解决单片机的抗干扰问题
如何解决单片机的抗干扰问题随着单片机的发展，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。
1 干扰对单片机应用系统的影响1.1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。
1.2 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。
1.3 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。
1.4 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。
2 如何提高我们设备的抗干扰能力2.1 解决来自电源端的干扰。
开关量信号的输入输出
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通 道结构 4、注意： P1口可直接输出（锁存 器和地址译码电路可省 略）最多8个开关量信号。 P0口经锁存电路隔离可 接多组8个开关量输出。 当驱动小负载时，输出 驱动电路可省略。
§4.2 开关量信号的输出
二、开关量输出接口的简单设计 1、P1口开关量的输出 练习：通过P1口直接控制8个LED发光二 极管，画出硬件电路图，并写出控制发光 二极管点亮的指令。
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通道 结构 3、各部分作用 锁存器：当开关量信号从 P0口输出时，锁存器起到ห้องสมุดไป่ตู้隔离数据总线的作用。常 用锁存器如74LS373、 74LS273、74LS377等 地址译码控制：锁存器的 锁存地址控制 输出驱动电路：提高输出 开关量信号的输出功率。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接 口电路 在驱动功率较大的继电 器和电磁开关等控制对 象，要求提供50~500 mA的电流时，可使 用MC1413 （ULN2003）、 MC1416（ULN2004） 等达林顿管集成电路。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接口 电路 若图中继电器需要100mA 吸合电流，则（V+—0.3） /（r+R2）=I=100，其中r 是继电器的线圈内阻，当已 知V+时，可求R2 取 MC1413的放大倍数 β=100，P1.0输出电流 =100mA/β=1mA， 1*R1+0.7+0.7+100*R2 =5, 可求R1
§4.2 开关量信号的输出
三、开关量输出的功率接口电路设计 1、小功率驱动接口：
综述单片机控制系统的抗干扰设计
摘要：单片机应用系统在发动机电喷中得到了广泛的应用,然而由于发动机工作环境恶劣，提高控制系统的抗干扰性至关重要。
分析了单片机干扰的主要来源，并从硬件和软件抗干扰设计中总结了一些取得良好抗干扰性的方法。
关键词在进行单片机应用开发的过程中，经常遇到在实验室调整很好的单片机一到工作现场就会出现这样或那样的问题，这主要是由于设计未充分考虑到外界环境存在的干扰，如机械震动、各种电磁波和环境温差都会影响硬件系统的性能，导致电控单元不能正常工作。
鉴于此本文较全面分析了干扰单片机应用系统的因素并结合自己的研究课题，提出一些可增强系统抗干扰性的方法。
1单片机系统的主要干扰源（1）无线电设施的射频干扰；（2）发动机上的高压点火线圈向外辐射磁场强度大、频带宽的电磁波;（3）单片机内部的晶振电路是内部干扰源之一；（4）数字电路本身门电路频繁的导通、截止造成电源地线电流变化，也会产生很大的高频电磁干扰，各种开关电子设备通断时产生的急剧变化的电流会产生较宽频谱干扰；（5）外界交流电路中产生的工频干扰亦会影响模拟电路输出信号的准确性。
2干扰的耦合方式隔离干扰源与控制系统之间的耦合信道。
表1列出了干扰源的主要干扰方式及特征。
3单片机的硬件抗干扰设计断干扰的传输信道。
常用的措施有：滤波技术、去耦技术、屏蔽技术和接地技术。
3.1电源电路的设计源耦合逻辑电路产生的干扰进入模拟电路，二是为了避免传感器通过电源耦合对ECU干扰。
各功能模块供电系统如图1所示，皆采用7812和7805三端稳压集成芯片，且都单独对电源进行负压差保护，这样不会因其中某一稳压电源出现故障而影响整个系统电路；使用低通滤波器亦可减少以高次谐波为主的干扰源，从而改善电源波形;在输出端采用了过压保护电路。
通过上述设计可大大提高供电的可靠性。
图中D1、D2用于负压差保护，防止压差击穿稳压器的be结使器件永久失效，稳压管WY1、晶闸管Q1用于过压保护，电容E1、E2、C1、C2使输出电压波3.2模拟电路抗干扰设计比较大，因此在模拟电路中应选择低温漂系数的集成放大器；在模拟电路中共模信号对电路板影响较大，故在模拟电路中采用差动放大电路，可得出两端输出信号；接收时，将双端信号转化为单端信号，可非常有效地抑制共模信号。
单片机抗干扰措施
单片机抗干扰措施概述在单片机应用中，抗干扰是一个非常重要的问题。
由于电磁干扰的存在，单片机可能会受到干扰信号的影响，导致系统的性能下降甚至功能失效。
因此，为了确保单片机系统的稳定运行，需要采取一些抗干扰措施。
本文将介绍单片机常见的抗干扰措施，包括软件抗干扰措施和硬件抗干扰措施。
软件抗干扰措施1. 外部中断和定时中断技术外部中断是单片机接收外部信号的一种方式，通过设置中断触发条件，当接收到特定信号时触发中断处理程序。
通过使用外部中断技术，可以及时响应干扰信号的触发，进行干扰处理。
定时中断也是一种常见的抗干扰措施。
通过设置定时器，定时生成中断信号，进行对干扰信号的定时处理。
2. 硬件监控和重启单片机系统中，可以通过硬件监控电压、温度、电流等参数，并根据监控结果采取相应措施。
例如，如果电压过高或过低，可以通过监控电源电压的方式，自动重启系统，以恢复正常运行。
3. 硬件看门狗硬件看门狗是一种常见的抗干扰措施。
通过设置看门狗定时器，在预设时间内必须向看门狗喂狗，否则看门狗将复位单片机。
看门狗能够有效监控单片机运行，并在系统崩溃或运行异常时进行自动重启。
硬件抗干扰措施1. 接口屏蔽和过滤对于单片机与外部设备接口，可以通过屏蔽和过滤的方式降低干扰信号的影响。
接口屏蔽是通过在接口线上添加屏蔽层，减少干扰信号对于单片机的干扰。
常见的屏蔽层材料包括金属层、导电胶和导电纤维等。
接口过滤是通过添加滤波器或滤波电路，降低接口信号中的干扰成分。
常见的滤波器包括低通滤波器和带阻滤波器等。
2. 地线设计在单片机系统中，地线设计也是一个重要的抗干扰措施。
合理地划分地线，避免地线回路产生环形，可以有效减少共模干扰。
3. 电源干扰削弱技术电源干扰是单片机系统中常见的干扰源之一。
为了降低电源干扰，可以采取以下措施：•过滤电源线，加装滤波电容和滤波电阻，降低电源中的高频干扰成分。
•使用稳压器或电源滤波器，确保电源稳定，并降低电源线上的干扰噪声。
单片机的输入输出通道接口
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5.3 A/D转换器及接口技术
A/D转换器（Analog To Digit Converter）：将模拟量转换为 与之成比例的数字量的器件称为A/D转换器，常用ADC表示。
5.3.1 A/D转换器的性能指标
（1）分辨率：分辨率是指输出数字量变化一个相邻数码所需 输入模拟电压的变化量。A/D转换器的分辨率定义为满刻度电 压与2n之比值，其中n为ADC的位数。 例如：具有12位分辨率的ADC能分辨出满刻度的（1/2）12或 满刻度的0.0245%。一个10V满刻度的12位ADC能够分辨输入 电压变化的最小值为2.4mV。而3 12 位的A/D转换器（满字为 1999），其分辨率为满刻度的1/1999×100%=0.05%。
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5.3.2 A/D转换器的分类
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5.3.3 A/D转换器的接口
串行A/D转换器MAX187/189
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•常用传感器的简介：
1、温度传感器DS18B20特性介绍 DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器。 ·是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，仅需要一个 端 口引脚就可以与单片机进行通信。无须别的外围器件。 ·多个18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能。 ·测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。 ·可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5伏。 ·可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5℃。 ·用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。 ·负电压特性，电源极性接反时，温度计不会烧毁，但不能正常工作。 DS18B20的性能是新一代产品中最好的，性能价格比也非常出色， 继“一线总线”的早期产品后，DS18B20开辟了温度传感器技术的 新概念，18B20使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建
单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离
周围空间中的电磁场对信号线 的电磁感应干扰。
接地系统干扰
由于接地不良或地线配置不当 导致的地线噪声干扰。
信号传输线干扰
信号传输线上的外部干扰信号 通过电感和电容耦合引入。
开关量输入通道隔离技术
01
光耦隔离
利用光耦器件将输入和输出电路隔 离，以减小干扰信号的影响。
变压器隔离
利用变压器原理实现输入和输出电 路的隔离，降低共模干扰。
单片机在工作过程中，其电路板 和元件会受到周围空间电磁辐射 的影响，导致信号失真和噪声干 扰。
接地系统干扰
接地系统不良或不合理，会导致 信号接地电位不均，产生电位差， 从而引入干扰信号。
开关量输出通道隔离技术
光耦隔离
光耦隔离是利用光耦合器的工作原理，将单片机开关量输出信号通过光耦隔离器进行隔离，以减小外界干扰对输出信 号的影响。
03
02
继电器隔离
通过继电器触点实现输入信号的电 气隔离，提高抗干扰能力。
运算放大器隔离
通过运算放大器将输入信号进行放 大和隔离，提高信号质量。
04
开关量输入通道隔离的实现方法
选择合适的隔离器件
根据应用需求选择适合的光耦、继电器、变 压器或运算放大器等器件。
正确连接隔离器件
按照隔离器件的连接方式，正确接入输入和 输出电路。
单片机抗干扰技术开关量输入输出 通道隔离
contents
目录
• 单片机抗干扰技术概述 • 单片机开关量输入通道隔离 • 单片机开关量输出通道隔离 • 单片机抗干扰技术的实际应用
01 单片机抗干扰技术概述
干扰的定义与影响
定义
干扰是指对系统正常信号的扰动 或破坏，导致信号失真、畸变或 阻塞。
第4章开关量信号的输入输出
3 磁性开关与单片机的接口电路
图4-4ａ 霍尔元件差动放大电路
磁性开关一般由霍尔元 件型、干簧管型等，常用于 监测门窗是否打开及各种脉 冲式水表气表。此时，需在 普通转盘计数的仪表中加装 霍尔元件和磁铁，即可构成 基于磁电转换技术的传感器。
图4-4ａ所示的电路中，若有磁场作用，则霍尔元件会输 出120mV电压信号，经过约40倍的差动放大器放大整形后，在 Vout上输出高电平；否则输出低电平。霍尔元件和运放电路一 起，构成了开关型霍尔传感器，将这个信号输送到单片机的I／ O口或外部中断引脚，即可实现霍尔检测开关控制 ．
2．开关量信号的特点是什么？
只有开和关、通和断、高电平和低电平两种状 态的信号叫开关量信号，在智能仪器的电子电路中， 通常用二进制数0和1来表示。
智能仪器原理与设计------第4章 开关量信号的输入输出
3．开关量信号的作用？ 开关量输入、输出部分是智能仪器与外部设备的联系部件，
智能仪器通过接受来自外部设备的开关量输入号和向外部设备 发送开关量信号，实现对外部设备状态的检测、识别和对外部 执行元器件的驱动和控制。 4．常见电子开关都有哪些？
智能仪器原理与设计------第4章 开关量信号的输入输出
4.1.2 开关量输入接口
1 扳键开关与单片机的接口电路
图4-2 扳键开关与单片机的接口电路
图中， 扳键开关将高电平
或低电平经单片机的I／O引脚 输入缓冲器74LS244，74LS244 的数据输入端与单片机89C51 的P0口相连接，用于8位数据 的传送，89C51的P1.7和/RD作 为74LS244的选通信号 。当扳 键开关合上时，将向P0口的相
智能仪器原理与设计------第4章 开关量信号的输入输出
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IF=10mA。
在使用中，可以根据应用情况适当调整。 一般使用，在5～15mA之间选择，最多情况选择10mA。
23
② 频率特性
受发光二极管和光敏元件响应时间的影响，光 电隔离器件只能通过一定频率以下的脉冲信号。
几种常用的预处理方法
4
图2.1 开关量输入通道的典型结构
5
开关量输入的常用预处理方法
信号转换处理 安全保护措施 消除机械抖动影响 隔离处理 光电耦合器件原理与使用
6
（1）信号转换处理
从工业现场获取的开关量或数字量，在逻辑上 表现为逻辑“1”或逻辑“0”，信号形式则可能是 电压、电流信号或开关的通断，其幅值范围也往往 不符合数字电路的电平范围要求，因此必须进行转 换处理。
因此，在传送高频信号时，应该考虑光电隔器 件的频率特性，选择通过频率较高的光电隔离器。
IF
VCE
TON
TS
TOFF
24
TLP521系列： TON=2μS，TS=12μS，TOFF=25μS
IF
VCE
TON
TS
TOFF
它的最高信号频率（脉冲）就不应该超过:250KHZ
25
6N137
脉冲频率可高达 近10MHZ。
ห้องสมุดไป่ตู้
极限条件
19
推荐的使用条件
二极管侧
参数
输入电流 反向电压 工作温度
输出侧
符号 最小值 min
IF
—
VR
TOPR
-25
参数
集电极电流 输出侧电压
符号
Ic VCEO
最小值 min —
典型值 Typ 16 5 —
典型值 Typ 1 55
最大值 单位 Max 50 mA
V 85 ℃
最大值 Max 10
单位
mA V
20
使用注意事项主要有：
• 输入侧导通电流 • 频率特性 • 输出端工作电流 • 输出端暗电流 • 隔离电压 • 电源隔离
21
（1）输入侧导通电流 为了可靠传送信息，一般在10mA左右比较合适。 当然，不同的器件可能会有差异，例如TLP521系列推 荐在16mA左右。
22
① 输入侧导通电流
26
③输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否 则就会使元件发生损坏。
一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大 功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还 需设置驱动电路。
27
④ 输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时（IF=0）, 流经输出端元件的电流，此值越小越好。
就是非工业控制应用也可能出现瞬间尖峰过电压 （过电流），例如雷电引起的等。
因此还需要有安全保护电路。
常用的保护电路为：
11
输入保护电路 12
电平转换与保护电路组合使用的一个例子： 这时，我们可以把分压电阻去掉，用稳压二极管
13
（3）隔离处理
从工业现场获取的开关量或数字量的信号电平往 往高于计算机系统的逻辑电平；
V2IR2
9
对于开关输入，S断开，V2=5V，为逻辑“1” S闭合，V2=0V，为逻辑“0” V2
开关触点输入电路 R地阻值可在4.7KΩ～100KΩ之间选取
10
（2）安全保护措施
在设计一个计算机控制系统时，必须针对可能出 现的输入过电压、瞬间尖峰或极性接反的情况，预先 采取安全保护措施。
信号转换电路，虽然也考虑逻辑电平问题，但在 工业应用中，还可能出现意外的过电压（电流），瞬 间干扰等。
17
使用光电隔离器件的注意事项
要注意不要超过期间的极限参数。 以三极管输出隔离器件为例。 通过查询它的技术说明书，可以获得使用参数，主要 参数包括发光二极管侧的输入电流，反向电压等； 输出侧：C-E结电压、集电极最大电流 隔离电压 电流传输比等 例如以TLP521-1为例。 尽量在推荐条件下使用
18
注意：现场侧和CPU侧两边没有电的联系（独立的电源
和地线）
15
（4）光电耦合器件原理与使用
光电耦合器件是一种常用且非常有效的电隔离手 段，由于它价格低廉、可靠性好，被广泛地用于现场 设备与计算机系统之间的隔离保护。
根据输出级的不同，用于开关量隔离的光电隔离器 件可分为三极管型、可控硅型等几种，但其工作原理 都是采用光作为传输信号的媒介，实现电气隔离。
使用光电隔离器件的注意事项 以三极管输出光电耦合器件为例。
16
图2.8 三极管输出型光电隔离器件原理
当输入侧流过一定的电流IF 时，发光二极管开始
发光，它触发光敏三极管使其导通；当撤去该电流时， 发光二极管熄灭、三极管截止。这样，就实现了以光 路来传递信号，保证了两侧电路没有电气联系，从而 达到了隔离的目的。
单片机抗干扰技术4开关量 输入输出通道隔离
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型 （1）一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机 的启动与停止、触点的接通与断开。 （2）成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码 开关组等。 （3） 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数 字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。
即使输入开关量电压本身不高，也有可能从现场 引入意外的高压信号；
因此必须采取电隔离措施，以保障计算机系统的 安全。
常用的隔离措施是采用光电耦合器件实现的。
下图给出了两种开关量光电耦合输入电路，它们 除了实现电气隔离之外，还具有电平转换功能。
14
CPU侧
现场侧
图2.7 开关量光电耦合输入电路 工业控制的现场开关，一般使用24VDC电源。
对于电压输入，V1>某一值，为逻辑1 对于电流输入， I > 某一值，为逻辑1
7
V2 V1
电压输入电路
如果是电压输入，R1和R2电阻分压，使得V2符合TTL逻辑规范
V2 R2 V1 R1 R2
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
V2IR2
8
电流输入电路
如果是电流输入，I在电阻R2上的压降符合TTL逻辑规范
2
2. 开关量信号输入通道
针对不同性质的开关量输入信号，可以采取不同 的方法输入计算机进行处理。 • 一般的系统设定信息和状态信息可以采用并行接口 输入； • 极限报警信号采用中断方式处理； • 数字脉冲信号可以使用系统的定时/计数器来测量 其脉冲宽度、周期或脉冲个数。
3
出于安全或抗干扰等方面的考虑，现场的开关量 输入至计算机接口前，一般需要进行预处理，然后再 送至接口。