第9章单片机工程应用技术

第9章单片机工程应用技术第9章单片机工程应用技术[学习目的]–1、掌握单片机应用系统的硬件抗干扰和软件抗干扰的应用；–2、掌握模拟信号放大器和标度变换的应用；–3、掌握常用接口驱动电路的应用；–4、掌握温度传感器检测电路及应用。[学习重点和难点]–1、掌握综合应用（抗干扰技术、模拟信号放大器和标度变换、接口驱动电路和传感器检测电路）；–2、硬件抗干扰和软件抗干扰的应用。第9章单片机工程应用技术本章主要小节9.1单片机应用系统的抗干扰技术9.2模拟信号放大器和线性参数标度变换9.3常用接口驱动电路9.4度传感器检测电路第9章单片机工程应用技术9.1单片机应用系统的抗干扰技术•单片机应用系统的抗干扰技术非常重要，往往一个应用系统抗干扰问题解决不好，设计的应用系统无法投入生产运行。只有解决好系统抗干扰问题，加强抗干扰措施，应用系统适应现场工业环境后，系统在工业现场才能正常运行。实际上解决系统的抗干扰问题的技术含量要求较高、工作量也大，要面临工业现场解决实际问题，因此，学习抗干扰技术就变得非常重要。本节从硬件抗干扰和软件抗干扰两方面来加以介绍。•干扰的来源是多方面的，主要来自外部和内部。•外部干扰的主要来源有：电源电网电压的波动，高压设备和电磁开关的电磁辐射，大型用电设备（如电炉、电梯、照明灯、电机、电焊机）启停，传输电缆的共模干扰等。•内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的。如分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输造成的波反射；多点接地造成的电位差引入的干扰；装置及设备中各种寄生振荡引入的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等引入的干扰；甚至元器件产生的噪声等。第9章单片机工程应用技术9.1.1单片机应用系统硬件抗干扰的设计一、电源供电系统的抗干扰措施电源供电系统的干扰是单片机应用系统的主要干扰来源，因此应高度重视。电源供电系统分为交流电源供电系统和直流电源供电系统。–1、交流电源供电系统的抗干扰措施•（1）选用供电比较稳定的进线电源单片机控制系统的电源进线要尽量选用比较稳定的交流电源线。尽量不要将单片机控制系统接到负载变化比较大电源线，如电机设备或者有高频设备的电源线上。第9章单片机工程应用技术–(2)、采用交流稳压电源•交流稳压电源是为了克服供电电网电压波动对单片机控制系统的影响，提高单片机控制系统的稳定性。交流稳压电源能把输出稳定在5%范围以内，另外，由于交流稳压电源中有电磁线圈，对干扰也有一定的抑制作用。–(3)、采用低通滤波器•在交流电源的输入端，接一个低通滤波器，它可以滤除电网中高于50Hz的高次谐波干扰信号，保证50Hz的工频信号无衰减地通过，低通滤波器的接法如图9-1所示。图9-1低通滤波器接法–(4)、采用不间断电源UPS消除干扰•供电电网瞬间断电或1000V以上的尖锋电压等事件可能使控制系统陷入混乱状态和失灵。对于要求很高的控制系统，可以采用不间断电源（UPS）向系统供电。第9章单片机工程应用技术2、直流电源供电系统的抗干扰措施–（1）采用直流开关电源•直流开关电源是一种脉宽调制型电源，由于脉冲频率高达20kHz，所以不用传统的工频变压器，具有体积小、重量轻、效率高（＞70%）、电网电压变化范围大（（－20%～+10%）×220V）、电网电压变化时不会输出过电压或欠电压等优点。开关电源初、次级之间有较好的隔离，对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力。•现在已有许多直流开关电源产品，一般都有几个独立的电源，如±5V，±12V，±24V等。第9章单片机工程应用技术–（2）采用DC－DC变换器•如果控制系统供电电网波动较大，或者对直流电源的精度要求较高，就可以采用DC－DC变换器。它们有升压型、降压型和升压/降压型。它们的特点是：体积小、性能价格比高、输入电压范围大、输出电压稳定且可调整、环境温度范围宽等一系列优点。因此，DC－DC变换器在便携式仪器或手持式微机测控装置中得到了广泛的应用。–（3）采用分散独立的三端稳压块供电•使用三端稳压集成块（78系列和79系列）组成稳压电源，对每个系统功能模块单独一组供电，这样不会因某块稳压电源出故障而使整个系统遭到破坏。同时也减少了公共阻抗的相互耦合，大大提高了供电的可靠性，也有利于电源的散热。第9章单片机工程应用技术二、接地系统抗干扰–在单片机应用系统中，接地是否正确，将直接影响到系统的正常工作。因为，地电平是整个电源电平的基础，因而它的升高和降低，都会影响所有电源电平的波动，而地线又与所有元器件都有通道联系，干扰进入地线后，就会传递到所有元器件上。因此，接地系统干扰直接影响系统的抗干扰能力。单片机应用系统的主要地线有：系统地、信号地、模拟地、数字地、屏蔽地、直流地、交流地第9章单片机工程应用技术–（1）交流地是交流电源的地线。交流地上任意两点之间，往往都存在着电位差，而且交流地也很容易引进干扰，因此，交流地绝对不可以与其他地相连接。–（2）直流地是直流电源的地线。–（3）屏蔽地即机壳地，也叫安全地，目的是让设备机壳和大地等电位，以保证人生安全和防止静电感应、电磁感应。–（4）数字地即逻辑地，是单片机应用系统中数字电路的零电位。–（5）模拟地是单片机应用系统中所有模拟信号的零电位。–（6）信号地是传感器的地。–（7）系统地是以上几种地的最终回流点，直接和大地相连。第9章单片机工程应用技术•接地包含两方面的内容，一是接地点是否正确，一是接地是否牢固。前者用来防止系统各部分的窜扰，后者用以防止接地线上的压降。下面介绍几种常用的接地方法。–1、单点接地与多点接地•根据接地理论分析，频率在1MHZ以下时，电路应单点接地，目的是避免形成地环流，因为地环流引入到信号回路中会引起干扰；频率在10MHZ以上，电路应多点就近接地，降低地线阻抗。单片机控制系统的工作频率较低，故应采用一点接地法。当频率处于1～10MHz之间时，如采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地。单点接地如图9-2所示。–2、数字地和模拟地的连接原则•单片机应用系统中的模拟公共地线应与数字公共地线分开走线，最后在一点连接。因为数字电平的跳跃会造成大的电流尖峰，数字电路的信号通过模拟电路地线回到数字电源，就会构成串模信号对模拟输入有影响。所以，在ADC和DAC电路中，要注意区分数字地和模拟地，必须将所有的数字地和模拟地分别相连，否则转换将不准确，而且干扰严重。数字地和模拟地的连接如图9-2所示。第9章单片机工程应用技术图9-2单点接地第9章单片机工程应用技术3、输入部分的接地–在单片机控制输入系统中，传感器、变送器和放大器通常采用屏蔽罩，而信号的传输往往使用屏蔽线。对屏蔽层的接地要注意，也应遵循单点接地原则。输入信号源有接地和浮地两种情况，接地电路也有两种情况。在图9-3（a）中，信号源端接地，而接收端放大器浮地，则屏蔽层应在信号源端接地（A点）。而图9-3（b）却相反，信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地（B点）。这样单点接地是为了避免在屏蔽层与地之间的回路电流，从而通过屏蔽层与信号线间的电容产生对信号线的干扰。一般输入信号比较小，而模拟信号又容易接受干扰。因此，对输入系统的接地和屏蔽应格外重视。–高增益放大器常常用金属罩罩屏蔽起来，但屏蔽罩的接地要合理，否则要引起干扰。解决的办法就是将屏蔽罩接到放大器的公共端。第9章单片机工程应用技术图9-3输入系统的接地方式返回第9章单片机工程应用技术4、主机系统的接地–单片机主机接地，也是为了防止干扰，提高可靠性。下面介绍三种主机接地方式–1）主机外壳接地、机心浮空•为了提高单片机的抗干扰能力，把主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50MΩ，即机内信号地浮空。如图9-4所示，这种方法安全可靠，抗干扰能力强。但一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。第9章单片机工程应用技术图9-4外壳接地与机心浮空第9章单片机工程应用技术2）全机一点接地•主机地与外部设备地连接后，采用一点接地。如图9-5所示，为了避免多点接地，各机座用绝缘板垫起来。这种接地也具有较好的抗干扰能力，安全可靠。但要注意接地的处理，使接地电阻越小越好。一般接地电阻选为4～10Ω左右。接地电阻越小，接地极的施工就越困难。3）多机系统的接地•在单片机网络系统中，多台机器之间相互通信，资源共享。如果接地不合理，将使整个网络系统无法正常工作。近距离的几台单片机或计算机安装在同一机房内，可采用类似图9-5所示，那样的多机一点接地方法。对于远距离的单片机网络，多台单片机之间的数据通信，通过隔离的办法把地分开。例如，采用变压器隔离技术、光电隔离技术或无线通信技术。第9章单片机工程应用技术链接动画图9-5全机一点接地返回第9章单片机工程应用技术三、I/O接口的抗干扰措施–1、对信号加硬件滤波器•在信号加到输入通道之前，可以先使用硬件滤波器滤出交流干扰。如果干扰信号频率比信号频率高，选用低通滤波器；如果干扰信号频率比信号频率低，选用高通滤波器；当干扰信号在信号频率的两侧时，需采用带通滤波器。常用的低通滤波器有RC滤波器、LC滤波器、双T滤波器，它们的原理图如图9-6所示。其中（a）,(b),(c)是无源滤波器，（d）是有源滤波器。无源滤波器线路简单，成本低，不需要调整，但对信号有较大衰减。有源滤波器对小信号尤其重要，它可以提高增益，滤波效果好，但线路复杂。第9章单片机工程应用技术图9-6滤波电路返回第9章单片机工程应用技术2、差动方式传输和接收•利用差动方式传输和接收信号，是抑制共模干扰的一个主要方法。由于差动放大器只对差动信号起放大作用，而对共模电压不起放大作用，因此能够抑制共模干扰的影响。3、光电隔离•光电耦合器采用了电一光一电的信号传输方式，它的绝缘电阻很高可达810～1010Ω以上，而输入电阻很小为100Ω～1KΩ。被隔离的两端可以自成系统，不需共地。把光电耦合器用在输入通道中的A/D时，可以使主机与输入通道隔离；把光电耦合器用在输出通道中的D/A时，可以使主机与输出通道隔离，避免了输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。光电耦合器有较好的带宽、较低的输入失调漂移和增益温度系统，能较好地满足工业过程控制信号传输的要求。光电隔离电路如图9-7所示。第9章单片机工程应用技术图9-7光电耦合隔离器模拟信号隔离链接动画第9章单片机工程应用技术4、变压器隔离•利用变压器将模拟电路与数字电路隔离开来，即将模拟地与数字地断开，使共模干扰电压不能形成回路从而抑制了共模干扰。由于隔离的两边分别采用了两组独立的电源，切断了两部分的地线联系，使地线长度缩短了，地线传输中不会形成地环流。如图9-8所示。图9-8变压器隔离链接动画第9章单片机工程应用技术四、输入/输出传输线的抗干扰措施–1、采用双绞线传输•双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，每一个小环路上感应的电势会互相抵消，可以使干扰抑制比达到几十分贝，对扭绞节距不同，有不同的抑制效果，表9-1列举了不同节距的双绞线对串模干扰的抑制效果，节距越小，干扰衰减比越大，抑制干扰效果越好。•双绞线可用来传输模拟信号和数字信号，用于点对点连接和多点连接应用场合，传输距离为几公里，数据传输速率可达2Mbps。第9章单片机工程应用技术表9-1双绞线节距对串模干扰的抑制效果返回第9章单片机工程应用技术2、采用屏蔽信号线传输•在干扰严重，精度要求高的场合，应当采用屏蔽信号线。屏蔽信号线的屏蔽层可以防止外部干扰窜入。表9-2屏蔽信号线性能的类型及对干扰抑制效果3、使用光缆传输•光缆是利用光信号传送电信号，可以不受任何形式的电磁干扰影响，传输损耗极小。因此光缆传输适用于周围电磁干扰大，传输距离较远的场合。第9章单片机工程应用技术五、布线的抗干扰技术–在选择了合适的信号线后，还必须正确地进行铺设；否则，不仅达不到抗干扰的效果，反而会引进干扰。在单片机控制系统中，正确的布线也可以抑制干扰。•1、电源线–电源线的引线应尽量短、粗、直；从单片机控制系统电源到交流供电电源端的线路上，开关触点应尽量少，触点接触要可靠。电源线与信号线要分开