AT89C51单片机电炉烤箱温控系统的抗干扰研究

【摘 要】本文对AT89C51单片机控制的电炉烤箱温度控制系统的抗干扰问题进行了表述，分析研究了干扰信号的来源，提出了一种抗干扰设计，较好地解决电炉烤箱温度控制系统的抗干扰问题。

【关键词】AT89C51单片机；温度控制系统；抗干扰研究

0 引言

本电炉烤箱温度控制系统采用ATMEL 公司推出的AT89C51 单片机为控制部件，它是一个低功耗、高性能的CMOS 八位单片机，兼容标准MCS-51 指令系统。由于本系统的控制程序不大，能将控制程序写入单片机内自带的4KBFLASHROM 中，不必再扩展ROM。这样使得控制系统的设计极其方便，元件少，结构简单，系统反应快。价格经济。同时也存在其不足的方面，稳定性能不太理想，可能受现场环境干扰而降低温度控制的精度，这就要求我们对其干扰来源认真分析研究，进而改进抗干扰设计，使其充分体现系统的优点，抑制干扰，加强系统的稳定性和可靠性。

1 单片机温度控制系统干扰来源的分析

1.1 根据单片机温度控制系统所处的工作环境，干扰源可以分为如下几种

1）自然界干扰源：极端天气温度剧烈变化，地磁场的变化、空中风雨雷电交加，造成系统工作电源波动与控制信号异常。2）系统周边的干扰：周边有大功率电器运行如中频炉，晶闸管、大功率发射机、大功率逆变电源等可能形成磁和电干扰。3）系统本身的干扰：系统含有大功率，大电流驱动电路，如产生火花的继电器，大电流开关等。电感性大的设备在启停的过程中造成系统工作电源电压畸变，干扰单片机正常运行。4）系统传感器信号太微弱容易造成干扰误差：微弱传感器模拟信号需要高倍放大的电路和高精度A/D变换电路，受到内外干扰后数据采集出现大的误差。

1.2 干扰信号进入系统的耦合途径

1）传导耦合：通过导体（导线）将噪声耦合进电路中。最典型的例子是噪声通过电源线传入电路。2）公共阻抗耦合：来自不同电路的电流流经一个公共阻抗时，就会产生公共阻抗噪声耦合。3）电磁场耦合：只要电荷发生移动，所有的电路元件、导线都会辐射电磁场，存在来自发射源的辐射。近场时，分别考虑电场和磁场；远场时，电磁联合辐射。4）电容耦合：噪声源与被干扰电路之间存在着电容通路。显然，这种电容一般不是人为加上的，而是二者之间的分布电容。干扰脉冲或其他高频干扰会经过分布电容耦合到电子线路中。5）电磁耦合：由于两电路之间存在互感而产生的，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。 6）共地阻抗耦合：干扰源在零线接到上产生的压降被接收电路接收。

2 单片机温度控制系统的抗干扰的研究

2.1 系统电源抗干扰措施

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选用比较稳定的交流电源线，不将控制系统接到负载变化大、晶闸管设备多或者有高频设备的电源上。2）利用干扰抑制器消除尖峰干扰。3）为了抑制电网电压的波动采用交流稳压器稳定电网电压。提高计算机控制系统的稳定性，低通滤波器是为了滤除电网中混杂的高频干扰信号，保证50HZ基波通过。4）利用UPS保证不中断供电。电网瞬间断电或电压突然下降等掉电事件会使计算机系统陷入混乱状态，对于精度要求高的单片机控制系统，采用UPS向系统供电，如果交流供电中断，系统中的断电传感器检测到断电后就会将供电通路切换到电池组，从而保证流入计算机控制系统的电流不因停电而中断。逆变器能把电池直流电压逆变到正常电压频率和幅度的交流电压，具有稳压和稳频的双重功能，提高了供电质量。5）为了进一步抑制来自于电源方面的干扰，在直流电源侧也要采用相应的抗干扰措施。交流电源变压器的屏蔽，把高压交流变成低压直流的简单方法是用交流电源变压器。将电源变压器的一、二次绕组分别加以屏蔽，一次绕组屏蔽层与铁心同时接地。

2.2 系统串模干扰的抑制

1）双绞线做信号引线，双绞线是由两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，为了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加金属编织物或护套形成屏蔽双绞线。2）引入滤波电路。根据串模干扰频率与被测信号频率的分布特性，可以选用具有低通、高通、带通等滤波器。其中，如果干扰频率比被测信号频率高，则选用低通滤波器；如果干扰频率比被测信号频率低，则选用高通滤波器；如果干扰频率落在被测信号频率的两侧时，则需用带通滤波器。

2.3 系统共模干扰的抑制

1）变压器隔离，利用变压器把现场信号源的地与计算机的地隔离开来，也就是把“模拟地”与“数字地”断开。被测信号通过变压器耦合获得通路，而共模干扰电压由于不成回路而得到有效的抑制。 2）光电隔离，利用光耦隔离器的开关特性，可传送数字信号而隔离电磁干扰，即在数字信号通道中进行隔离。开关量输入信号调理电路中，光耦隔离器不仅把开关状态送至主机数据口，而且实现了外部与计算机的完全电隔离。

2.4 接地系统的抗干扰

1）单点接地与多点接地，根据接地理论分析，低频电路应单点接地，这主要是避免形成产生干扰的地环路；高频电路应该就近多点接地，这主要是避免“长线传输”引入的干扰。一般来说，当频率低于1MHZ时，采用单点接地方式为好；当频率高于10MHZ时，采用多点接地方式为好；而在1～10MHZ之间，如果采用单点接地，其地线长度不得超过波长的1/20，否则应采用多点接地方式。本单片机控制系统，信号频率大多小于1MHZ，所以通常采用单点接地方式。2）输入系统的接地，在计算机控制输入系统中，传感器、变送器和放大器通常采用屏蔽罩，而信号的传送往往使用屏蔽线。对于屏蔽层的接地也应遵守单点接地原则。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。3）印制线路板的地线抗干扰措施，系统的TTL与CMOS器件的地线要呈辐射状，不形成环形。地线越加宽越好。旁路电容的地线不能长，应尽量缩短。4）大电流的零电位地线应尽量宽，而且必须和小信号的地分开。5）主机外壳接地，机芯浮空，为了提高计算机系统的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地，抗干扰能力强。

3 结论

由于对AT89C51单片机控制的电炉烤箱温度控制系统的抗干扰问题进行了深入研究，并且根据本温度控制系统的实际工作环境进行了清晰分析，制定出一套完整的抗干扰设计，保证了系统硬件和程序的可靠运行，电炉烤箱温度控制的精度和稳定性达到实际应用的要求，所以，本抗干扰设计在单片机控制方面有一定的应用前景。