第6章_单片机应用系统设计.ppt

第六章 单片机应用系统设计,6.1.1 单片机应用系统设计,单片机由于体积小，使用灵活，成本低，易于产品化，抗干扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠工作等优点，常用于：工业测控、智能仪器仪表、智能产品、计算机外设等方面。 其典型应用系统应包括单片机系统、前向传感器输入通道，后向伺服控制输出通道以及基本的人机对话通道。对多机系统还包括单片机与单片机、单片机与pc机之间进行通信的互相通道。,6.1 概述 p189,图6.1 典型单片机应用系统结构,一、单片机应用系统的典型结构,二、前向通道的组成及其特点 前向通道是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的数据采集的输入通道。 来自被控对象的现场信息有多种多样。按物理量的特征可分为模拟量和数字量（开关量）两种。 对于数字量(频率、周期、相位、脉冲)的采集，输入比较简单。它们可直接作为计数输入、测试输入、i/o口输入或中断源输入进行事件计数、定时计数，实现脉冲的频率、周期、相位及记数测量。对于开关量的采集，可通过i/o口线或扩展i/o 口线直接输入。对于被控对象，一般是交变电流、交变电压、大电流、高电压系统，而单片机属于数字弱电系统，因此在数字量和开关量采集通道中，要用隔离器件进行隔离(如光电耦元器件等)。,模拟信号采集的前向通道组成,变换器：变换器是各种传感器的总称，它采集现场的各种信号，并变换成电信号(电压信号或电流信号)，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。 隔离放大与滤波：传感器的输出信号一般是比较微弱的，不能满足单片机系统的输入要求，要经过放大处理后才能作为单片机系统的采集输入信号。还有，现场信息来自各种工业现场，夹带大量的噪音干扰信号。为提高单片机应用系统的可靠性必须隔离或削减干扰信号，这是整个系统抗干扰设计的重点部位。,采样保持器：前向通道中的采样保持器有两个作用。一是实现多路模拟信号的同时采集；二是消除a/d转换器的“孔径误差“。 一般的单片机应用系统都是用一个a/d转换器分时对多路模拟信号进行转换并输入给单片机，而控制系统又要求单片机对同一时刻的现场采样值进行处理，否则将产生很大误差。用一个a/d转换器同时对多路模拟信号进行采样是由采样保持器来实现的。采样保持器在单片机的控制下，在某一个时刻可同时采样它所接一路的模拟信号的值，并能保持该瞬时值，直到下一次重新采样。,a/d转换器把一个模拟量转换成数字量总要经历一个时间过程。a/d转换器从接通模拟信号开始转换，到转换结束输出稳定的数字量，这一段时间称为孔径时间。对于一个动态模拟信号，在a/d转换器接通的孔径时间里，输入模拟信号值是不确定的，从而会引起输出的不确定性误差。在a/d转换器前加设采集保持器，在孔径时间里，使模拟信号保持某一个瞬时值不变，从而可消除孔径误差。,多路开关：用多路开关实现一个a/d转换器分时对多路模拟信号进行转换。多路开关是受单片机控制的多路模拟电子开关，某一时刻需要对某路模拟信号进行转换，由单片机向多路开关发出路地址信息，使多路开关把该路模拟信号与a/d转换器接通，其它路模拟信号与a/d转换器不接通，实现有选择的转换。 a/d转换器：将模拟信号转换成数字信号，是前向通道中模拟系统与数字系统连接的核心部件。,综上所述，前向通道具有以下特点： (1) 与现场采集对象相连，是现场干扰进入的主要通道，是整个系统抗干扰设计的重点部位。 (2) 由于所采集的对象不同，有模拟量和数字量(开关量)，而这些都是由安放在测量现场的传感、变换装置产生的，许多参量信号不能满足单片机输入的要求，故有大量的、形式多样的信号变换调节电路，如测量放大器、i/f变换、a/d转换、放大、整形电路等。 (3) 前向通道是一个模拟、数字混合电路系统，其电路功耗小，一般没有功率驱动要求。,三、后向通道的组成与特点,(1) 后向通道是应用系统的输出通道，大多数需要功率驱动。 (2) 靠近伺服驱动现场，伺服控制系统的大功率负荷易从后向通道进入单片机系统，故后向通道的隔离对系统的可靠性影响很大。 (3) 根据输出控制的不同要求，后向通道电路有多种多样，如模拟电路、数字电路、开关电路等，输出信号形式有电流输出、电压输出、开关量输出及数字量输出等。,四、人机通道的结构及其特点,(1) 由于通常的单片机应用系统大多数是小规模系统，因此，应用系统中的人机对话通道以及人机对话设备的配置都是小规模的，如微型打印机、功能键、led/lcd显示器等。若需高水平的人机对话配置，如通用打印机、crt、硬盘、标准键盘等，则往往将单片机应用系统通过外总线与pc机相连，享用pc计算机的外围人机对话设备。 (2) 单片机应用系统中，人机对话通道及接口大多采用内总线形式，与计算机系统扩展密切相关。 (3) 人机通道接口一般都是数字电路，电路结构简单，可靠性好。,五、相互通道及其特点,(1) 在单片机中大多设有串行口，为构成应用系统的相互通道提供了方便条件。 (2) 单片机本身的串行口只为相互通道提供了硬件结构及基本的通信方式，并没有提供标准的通信规程。故利用单片机串行口构成相互通道时，要通过相应的通信软件。 (3) 在很多情况下，采用扩展标准通信控制芯片来组成相互通道。例如，用扩展8250、8251等通用通信控制芯片来构成相互通信接口。 (4) 相互通信接口都是数字电路系统，抗干扰能力强。但大多数都需远距离传输，故需要解决长线传输的驱动、匹配、隔离等问题。,6.1.2 单片机控制系统与调试的一般原则,一、单片机应用系统结构 在单片机控制系统中，由于控制对象的不同，其硬件和软件有很大的差异，但系统设计的基本内容和主要步骤是基本相同的。 设计单片机控制系统时，一般需要做以下几个方面的考虑： 、确定系统设计的任务：功能、指标等。 、系统方案设计： 一般包括：单片机的选择； 软、硬件的分工。 、系统的硬件和软件设计： 系统硬件设计：,传感器,放大器,传感器,放大器,。,多 路 转 换 器,a/d,msc-51 单片机,打印机,显示器,键 盘,d/a,执行机构,6.3 单片机应用系统硬件结构,软件系统设计 系统软件是根据系统功能要求来设计的，应可靠地实现系统的各种功能。一个系统的工作程序实际上就是该系统的监控程序。其设计步骤如下：,a、选择程序语言：常用汇编语言、c语言等； b、画出程序流程图：要求框图结构清晰、简洁、合 理；使编制的各功能程序实现模块化、子程序化 以及各模块之间的参数传递关系。 c、汇编连接调试。,二、系统调试,软、硬件设计好后，就可以进行系统调试。 、硬件调试：分为静态调试和动态调试。,静态调试：主要用来检查电路制作的正确性，包括pcb板； 动态调试：需在开发系统上进行，用各诊断程序进行检查；一般方法是由近及远、由分到合。(逻辑状态、时序变化等的测试。) 、软件调试：一般方法是 先独立后联机，先分块后组合、先单步后连续。 先进行各模块软件调试，再进行联调。,3. 系统联调 系统联调主要解决以下问题： (1) 软、硬件能否按预定要求配合工作？如果不能，那么问题出在哪里？如何解决？,(2) 系统运行中是否有潜在的设计时难以预料的错误？如：硬件延时过长造成工作时序不符合要求，布线不合理造成有信号串扰等。 (3) 系统的动态性能指标(包括精度、速度参数)是否满足设计要求？ 待一切都正常后，即可将程序固化到eprom中，进行现场调试，考验单片机控制系统是否工作正常、可靠，性能是否达到要求。如某些指标达不到要求，应进行软、硬件的修改，直到满足要求。,4、现场调试 一般情况下，通过系统联调后，用户系统就可以按照设计目标正常工作了。但由于用户系统运行的环境较为复杂(如环境干扰较为严重、工作现场有腐蚀性气体等)，在实际现场工作之前，环境对系统的影响无法预料，只能通过现场运行调试来发现问题，找出相应的解决方法；另外，有些用户系统的调试是在用模拟设备代替实际监测、控制对象的情况下进行的，这就更有必要进行现场调试，以检验用户系统在实际工作环境中工作的正确性。（包括仪器的例行实验）,图6.4单片机应用系统设计过程,6.2 传感器接口电路 p192,6.2.1 概述 在单片机控制系统中，常常需要通过传感器将非电量转换成电量。（电压、电流和脉冲等），再传给单片机分析处理。 传感器的种类繁多，一般有： 压力传感器：主要用于各种压力的测量。如：静压、动压、绝对压力、真空压力、负压及压差的测量。 温度传感器：主要用于各种温度的测量。按不同温度范围划分为：热敏电阻、热电偶以及各种半导体温度传感器。 振动传感器：包括测量振幅、速度、加速度等各种振动和冲击的传感器。 光电传感器：可用于照度、转速等的测量。,对于传感器，有时可以将传感器的工作原理加上它的使用范围作为传感器的名称来分类，如：应变式压力传感器、压电式加速度计、半导体温度传感器等。,6.2.2 传感器接口电路,在传感器的测量电路中，最简单的形式为电桥电路。 电桥具有两种基本的工作方式：零点检测；直接读出电压或电流差值。 基本电路如图6.5,图6.5 基本电桥电路,电桥工作原理： 在 r1/r4 = r2/r3 时，电桥达到平衡，输出为 0。如果 r2/r3 等于一个固定值 k 。 当被测物理量的大小能使 r1= kr4 时，电桥为平衡状态，eout = 0 ；如果 r1kr4,电桥的平衡被打破，eout 0，有输出。 对于电桥传感器，要考虑电桥的输出与被测值之间的线性关系、电桥的灵敏度、输出信号的稳定度等因数。 一般情况下，电桥输出不能直接连接到单片机，必须经过信号的放大、整形及 a/d 转换后的信号，才能被单片机所接收。,一、压力传感器,带有应变电桥的压力传感测量电路如图6.6。,图6.6带有应变电桥的压力测量接口,1mv / v 灵敏度,工作原理： 传感器：采用应变片电桥作为传感器。(1磅=0.454公斤) ad522：差分放大器，用于放大、调整传感器输出信号。 当压力传感器从 (0 100)磅/平方英寸时，输出电 压为：(010)v的输出电压。并且克服温度对输入 电压的漂移，如：环境温度变化20c，则最大 漂移将是120uv，小于满量程的 1% 。 ad542：接为跟随器，以消除对滤波器的负载。(隔离) 2b35: 传感器的供电电路。具有两路15v直流电压输出 的电源，为传感器提供电压和电流。,二、半导体温度传感器 p194,ad590是美国模拟器件公司生产的一种温度传感器。 在 -55 +150 范围内能按 1ua/k 的恒定比率输出一个与温度成正比的电流，通过对此电流的测量就可得到所需的温度值。,ad590 是一个电流源，流过的电流数值等于绝对温度（k）的度数，激励电压可以从 +4v +30v。 如图6.7所示。,图6.7 ad590电流源,ad590远距离测温示意图，如图6.8,图6.8 ad590远距离测温示意图,使用ad590的测温电路，见图6.9。 该电路测温范围在 60 内可以得到较好的精度。电路中通过调节电阻 r2 ，能对指定测温范围的中点温度进行校正。 a、b 两点的输出电压为 mv 级。,图6.9 使用测温电路,当ad590置于10的环境中，以 0.1 为分度的标准监测环境温度。接通电源数分钟之后，调节 r2 ，使a、c 两点的电压为 (273.2+t)mv ，再调节 r7 ，使 b、c 两点的电压为 +273.2mv ，此电压起到了绝对温度 (k)和摄氏温度()之间的转换。,ad590可通过 100 米或更长的双绞线连入接口电路。a、b两点的输出电压(mv)可以直接读成以 为单位的温度值。在单片机的控制系统中可以直接利用 a、b 两点的电压值送 a/d 转换器。,利用两个ad590可以容易地实现两点温差的测量。 其原理为 t1、t2 两个反向电流源叠加，得到两点温度的差值。 电路见图6.10,6.10 两点温差测量电路,三、湿度传感器接口电路,湿度传感器是通过电阻变化来测量相对湿度的。 传感器电阻与湿度之间呈现非线性关系，传感器电阻值又同时受温度影响，所以要对其进行二维修正后才能得到正确的相对湿度值。 湿度传感器接口电路如图6.11。 传感器采用 csk1 型陶瓷传感器。 湿度传感器要求交流供电，以防止传感器老化。用反相器构成振荡器产生650khz左右的方波电压，经射极跟随器t1，由电容c2送给湿度传感器。 wd是带温度补偿的稳压二极管，将方波电压的峰值限制在6v左右，当温度或湿度变化时，保持传感器的供电电压基本不变。,6.11 湿度传感器及其供电放大器电路,湿度的变化引起了湿度传感器导通电阻rh的改变，在相对湿度为 98% 时，rh的值为 20k；在相对湿度为 11% 时，rh的值为 20m ，湿度、导通电阻呈线性关系。 c2的输出，经双运放 lm747 中的一个作电流放大器和阻抗变换后，送到电子模拟开关 cd4052 解调，使得采样电阻 r8 上的电压与流过传感器的电流成正比；模拟开关 k1、k2受振荡器输出电压同步控制。 c3、c4 电容分别存储方波信号的正半周及负半周电压（电流放大器输出的电流值，随湿度而变化），分别送差动放大器的正、负输入端，r5、r6、r7、r8 都相等，在运算放大器的输出端得到的是电容c3、c4上的电压绝对值之和，送后级电路进行a/d转换。,四、力传感器接口 p196,某些测力传感器利用一段弹簧作为敏感元件。把弹簧连接到一个可变电阻上，其阻值的大小与施加在弹簧上的力成正比，当力从 0 增加到 20 磅时，电阻从 100变到 500。力传感器接口电路如图6.12,图6.12 力传感器接口电路,（1磅 = 0.454公斤）,力传感器的可变电阻器接到运算放大器a2的反馈回路中，通过5ma的恒定电流。0 2v的输出范围提供每伏10磅的数值。从ad580型集成参考电源输出的2.5v参考电压源，经ad741j运算放大器反相，输出放大器再次反相，既得到正向的输出，通过晶体管2n2219驱动负载。输出电压eout为 0 2v ，此输出信号送 a/d 转换器转换成相应的数字信号。 对此电路的校正：先将输入力调到 20 磅，调幅度调节电位器，使输出为 2v ，然后将力减至 0 磅，调节偏置电位器使输出为 0v 。这样便完成了力传感器接口的校正。,五、数字化温度传感器接口 p196,随着半导体技术的高速发展，数字传感器已成为传感器中的重要组成部分。 介绍常用的数字化传感器ds1820。 1、ds1820的特性 特点： 1)单线接口方式，它在与微处理器连接时，仅需要一条总线即可实现ds1820与单片机的通信 2)支持多点组网功能，多个ds1820 ( 一般为8个) 可以并联在唯一的3根线上，实现多点测温。 3)在使用中不需要任何外围元件 4)温度范围-55 125，在-10+85时精度为0.5。,5)测量结果以 9 12 位数字量方式串行传输。对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温 6)设有用户可写的 e2prom，用于设定报警温度等。,图6.13 ds1820封装图,ds1820封装如图6.13 引脚中： gnd：地线 dq：数据输入、输出 vdd：外结电源 nc：空脚,2、ds1820的结构1) ds1820的引脚、封装、分类,图6.13 ds1820封装图,表6-1 ds1820系列产品性能表,2) ds1820内部结构及工作原理,ds1820内部结构图见图6.14 其中： 64位光刻rom中的64位序列号，在出厂前就光刻好的，它可以看成是ds1820的地址序列号，用于分挂在同一总线上的8个ds1820的目的。,图6.14 ds1820数字温度传感器内部结构图,64位光刻rom的排列是：开始8位（28h）是产品类型标号，接着的48位是该 ds18b20自身的序列号，最后8位是前面 56 位的循环冗余校验码（crc=x8+x5+x4+1）。光刻rom的作用是使每一个ds18b20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个ds18b20的目的。 ds18b20中的温度传感器转换数字，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/lsb形式表达，其中s为符号位。s=1为负，s=0为正。其输出格式如下图：,转化后得到的12位数据，存储在18b20的两个8比特的ram中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为07d0h，+25.0625的数字输出为0191h，-25.0625的数字输出为ff6fh， -55的数字输出为fc90h。 0191h=401d 401d0.0625=25.0625,配置寄存器：该字节各位的意义如下：,其低五位一直都是“1”，tm是测试模式位，在出厂时该位被设置为0，传感器处于工作方式。r1和r0用来设置分辨率，如下表所示：（ds18b20出厂时被设置为12位）,表6-2 分辨率的设置,暂存寄存器（高速rem）的分布见表6-2。,表6-2 ds1820暂存寄存器分配表,测温工作原理见图6.15 低温度系数晶振受温度影响较小，用于产生固定频率的脉冲送给计数器1； 高温度系数的晶振随温度变化，其振荡周期明显变化，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入；,图6.15 ds1820工作原理图,计数器 1 和温度寄存器分别被预置每度计数值和在 -55时所对应的一个基数值。 计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减 1 计数，当计数器减 1 到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重新被加入，计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减 1 计数；计数器减 1 到 0 时，温度寄存器的值加 1 。如此循环，直到计数器 2 到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的值 即为所测的温度值。 斜率累加器用于修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1 的预置值。,3、ds1820与单片机的接口电路及编程,1) 接口电路 如图6.16,图6.16 ds1820与单片机接口电路,2) 编程, 指令代码介绍 通常单片机是以ds1820 rom命令和ds1820 功能命令来控制ds1920工作的。表6-3a是rom命令集，表6-3b是功能命令集。,表6-3a ds1820 rom命令集,表6-3b ds1820 rom功能命令集,ds1820单线通信功能是分时完成的, 它有严格的时隙概念。因此系统对ds1820的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化ds1820（发复位脉冲）发rom功能命令发存储器操作命令处理数据。,图6.17 初始化时序, 编程 根据ds1820的通信协议，主机控制ds1820完成温度转换必须经过三个步骤：a、每次读/写之前要对其复位；b、复位成功后发送一条rom指令；c、最后发送rem命令。这样才能对ds1820进行预定的操作。复位要求主cpu将数据线下拉500us，然后释放，ds1820收到信号后等待1660us的低脉冲，主cpu收到此信号后复位成功，才对ds1820进行操作。 ds1820初始化、读/写流程图及源程序如下：,开始,初始化ds1820,读取温度值送 55h、56h,送显示缓冲器 显示,结束,开始,初始化,送0cch命令，跳过rom区,送温度转换命令44h， 等待750ms复位,送0cch命令，跳过rom匹配， 读温度命令0beh,读取温度值送55h、56h,结束,a、主程序,b、读温度程序流程图,流程图,开始,初始化，给dq引脚送 480us的低电平,等待ds1820回应 判dq是否为0？,置位70h=1,延时,结束,置位70h=0,y,n,开始,设置循环变量,c=0, dq=0, 延时10us,写一位到dq， 延时50us, dq=1,修改指针r2=0?,结束,y,n,初始化ds1820流程图,写ds1820程序流程图,一、主程序,b20main: lcall init_1820 ; 调用复位子程序 main1: lcall get_temper ;调用读温度子程序 mov a, 56h ;读数据低字节 anl a, #0fh ;屏蔽高位 mov 61h, a ;保存数据低位 mov a, 56h ;读数据 swap a ;高、低4位交换 anl a, #0fh ;屏蔽高4位 mov 62h, a ;保存数据高位 mov a, 55h ;读数据高字节 anl a, #0fh ;屏蔽高位 mov 63h, a ;保存数据低位,mov a, 55h ;读数据 swap a ;高、低数据交换 anl a, #0fh ;屏蔽高位 mov 64h, a ;保存数据高位 lcall display ;调用显示子程序 acall ksa ;调用键盘子程序 cjne a, #0ah, b20main ;键值是0ah，测温 acall release ;等待键推出子程序 ljmp main0 ;键释放转主程序,二、初始化程序,init_1820: setb p1.0 ;ds1820 复位、初始化 nop ;dq置位 clr p1.0 ;dq复位 mov r0, #0ffh ;主机发出延时553us的复位 tsr1: djnz r0, tsr1 ;低脉冲 setb p1.0 ;拉高数据线，形成1负脉冲 nop nop nop mov r0, #25h ; tsr2: jnb p1.0, tsr3 ;等待ds1820回应 djnz r0, tsr2 ;延时,ljmp tsr4 tsr3: setb 70h ;置标志位，表示ds1820存在 ljmp tsr5 tsr4: clr 70h ;清标志位，表示ds1820不存在 ljmp tsr7 tsr5: mov r0, #6bh tsr6: djnz r0, tsr6 ;延时一段时间 tsr7: setb p1.0 ret,三、读温度程序,get_temper: setb p1.0 lcall init_1820 ;调用初始化复位ds1820 jb 70h, tss2 ;ds1820存在，读数据 ret ;若ds18b20不存在则返回 tss2: mov a, #0cch ;跳过rom匹配 lcall write_18020 ;调用写程序 mov a, #44h lcall write_1820 ;启动温度转换 mov 66h, #02 ; tss3: mov 67h, #250 ;等待a/d转换结束 tss4: dec 67h lcall display mov a, 67h jnz tss4 ;等待延时,dec 66h mov a, 66h jnz tss3 ;等待转换完毕 lcall init_1820 ;准备读温度前先复位 mov a, #0cch ; lcall write_1820 ;跳过rom匹配 mov a, #0beh ; lcall write_1820 ;发读温度命令 lcall read_1820 ;保存温度数据到rem ret read_1820:mov r4, #2 ;读出温度高、低位，共2字节 mov r1, #56h ;将低位存入56h(temper-l) re00: mov r2, #8 ;高位存入55h(temper-h) ;每字节8位数据,re01: clr c setb p1.0 nop nop clr p1.0 nop nop nop setb p1.0 ;dq产生一负脉冲 mov r3, #5 re10: djnz r3, re10 ;延时 mov c, p1.0 mov r3, #23 re20: djnz r3, re20 ;延时,rrc a ;数据从c移入a djnz r2, re01 ;8位数据未完继续 mov r1, a ;转换数据存入56h dec r1 ;指向55h djnz r4, re00 ;两字节数据未完继续 ret,四、写程序,write_1820: mov r2, #8 ;写程序，有时序要求 clr c ;将命令写入ds1820 wr1: clr p1.0 mov r3, #5 wr2: djnz r3, wr2 ;延时 rrc a ;数据移入c mov p1.0, c mov r3, #23 wr3: djnz r3, wr3 ;延时 setb p1.0 nop djnz r2, wr1 ;8位数据未写完继续 setb p1.0 ret,6.3 行程开关、晶闸管、继电器与单片机的接口,6.3.1 光电耦合器件 光电耦合器件是由发光二极管(发光源)与受光源(如光敏三极管、光敏晶闸管或光敏集成电路等)封装在一起，构成电光电转换器件。根据受光源结构的不同，可以将光电耦合器件分为晶体管输出的光电耦合器件和晶闸管输出的光电耦合器件两大类。 晶体管输出的光电耦合器件的内部结构如图5.31所示。,图 6.18 晶体管光耦器件结构图,图6.19 晶闸管输出光耦内部结构,6.3.2 行程开关、继电器触点与单片机的接口,图6.20 开关、触点状态输入接口,6.3.3 晶闸管元件与单片机接口,图6.21 光耦晶闸管与单片机接口示例,为了避免误触发，在moc3041 第4引脚和外部大功率双向可控硅阴极之间增加了泄放电阻r3。r2是moc3041导通的限流电阻，避免因电流过大引起moc3041 过流而损坏。 当单片机p1.1引脚输出低电平时，moc3041 内部的发光二极管导通，由于moc3041 内部带有过零触发电路，交流电压过零后将触发内部的双向可控硅而导通，结果外部大功率双向晶闸管导通，从而接通交流负载。,6.3.4 继电器与单片机接口,图6.22 继电器与单片机接口示例 (a) 驱动微型继电器；(b) 驱动较大功率继电器,当p1.0输出低电平时，v1导通，继电器吸合；当p1.0输出高电平时，v1截止，继电器不吸合。在继电器吸合到断开的瞬间，由于线圈中的电流不能突变，将在线圈产生下正上负的感应电压，使晶体管集电极承受很高电压，有可能损坏驱动管v1，为此在继电器线圈两端并接一个续流二极管vd2，使线圈两端的感应电压被箝位在0.7 v左右。正常工作时，线圈上的电压上正下负，二极管vd2截止，对电路没有影响。当继电器驱动电压vcc大于5 v时，vcc电压可能通过三极管v1串入低压回路，为此在7406和v1之间加二极管vd2。,6.4.1干扰源及其分类,一、 干扰的含义 所谓干扰, 一般是指有用信号以外的噪声, 在信号输入、 传输和输出过程中出现的一些有害的电气变化现象。这些变化迫使信号的传输值、 指示值或输出值出现误差, 出现假像。干扰对电路的影响, 轻则降低信号的质量, 影响系统的稳定性; 重则破坏电路的正常功能, 造成逻辑关系混乱, 控制失灵。,6.4 单片机应用系统的抗干扰技术,二、 干扰源的分类 1. 从干扰的来源划分 1) 内部干扰 内部干扰是应用系统本身引起的各种干扰, 包括固定干扰和过渡干扰两种。固定干扰是指信号间的相互串扰、长线传输阻抗失配时反射噪声、负载突变噪声以及馈电系统的浪涌噪声等。过渡干扰是指电路在动态工作时引起的干扰。 2) 外部干扰 外部干扰是由系统外部窜入到系统内部的各种干扰。包括某些自然现象（如闪电、 雷击、地球或宇宙辐射等）引起的自然干扰和人为干扰（如电台、车辆、家用电器、电器设备等发出的电磁干扰, 以及电源的工频干扰）。 一般来说, 自然干扰对系统影响不大, 而人为干扰则是外部干扰的关键。,2. 按干扰出现的规律划分,1) 固定干扰 2) 半固定干扰 3) 随机干扰,从干扰与输入信号的关系划分,1) 串模干扰 2) 共模干扰,图 6.24 串模干扰和共模干扰 (a) 串模干扰；(b) 共模干扰,图6.25 串模干扰与共模干扰波形 (a) 直流信号； (b) 串模干扰； (c) 共模干扰； (d) 串模干扰与共模干扰共同作用,表 6-4 常见干扰的种类,三、干扰对单片机系统的影响,图 6.26 干扰入侵单片机系统的途径,1、干扰的耦合及其传播,噪声的耦合和传播途径只要有一下几种方式： 1)静电耦合方式：干扰通过分布电容耦合传播到电子装置。 2)互感耦合方式：由电磁器件的漏磁通以及因之板线间和电缆间的互感作用二产生的噪声。 3)公共阻抗耦合方式：在公共电源和公共接地时，由于电源内部及各接地点之间存在着阻抗，结果会造成电源及接地电位的偏移，它进而又影响了逻辑元件的开、关门电平，使线路工作不可靠。 4)电磁场辐射耦合方式：无线电收、发送机，广播以及一般通信电波、雷达等，通过空间耦合造成干扰。 5)传导：噪声通过电源或输入、输出信号处理线路进行传播，是一种有线的传播方式。 6)漏电流：印制电路板表面、端子板表面、继电器端子间、电容器产生的漏电流以及二极管反向电流等产生的干扰。,6.4.2 硬件抗干扰技术,一、 串模干扰的抑制方法,一、 光电隔离,图 6.27 二极管、三极管光电耦合器,二、长线传输干扰的排除 线长几十米以上,1、利用屏蔽线消除静电感应干扰； 2、利用双绞线消除电磁感应干扰； 3、消除长传输线串扰的方法： 1)分开走线：功率线、载流线和信号线分开走；电位线和脉冲线分开；电力线必修单独走线，而且最好采用屏蔽线 2)交叉走线； 3)逻辑设计时要考虑消除串扰问题。 传送16位全“1”数字信号时，数据电平发生负跳变时将在发送控制线上产生串扰，影响正常工作。同样传送16位数中有15位“1”，1位“0”时，则15位“1”将对“0”信号发生串扰。解决方法：a、在时间上避开串扰脉冲；b、在传输数据前先清“0”，然后在传送命令。,三、几种元器件的抗干扰措施,1、门电路、触发器、单稳态电路的抗干扰措施 1)对信号整形： 2)处理集成电路中不用的输出端： 3)触发器的抗干扰 防误触发：采用几种信号相与后作为触发脉冲；触发器输出采用缓冲器隔离；采用负逻辑输出等。 4)单稳态电路的抗干扰措施 外接的rc电路的引脚要尽量短。 2、光电耦合器件 3、机械触点的抗干扰措施 开关、按钮、继电器触点等在操作时，经常会发生抖动，入不采取措施，则会造成误动作。,图 6.28 可控硅感性负载开关电路,措施：,图6.29 机械触点的抗干扰措施,四、 输入输出隔离 1) 脉冲电路的应用 门电路将不同电位的信号, 加到光电耦合器上, 构成简单的逻辑电路, 可方便地用于各种逻辑电路相连的输入端, 能把信号送到输出端, 而输入端的噪声不会送出。 2) 整形放大 在测量微弱电流时, 常常采用由光电耦合器构成的整形放大器。若放大器中使用机械换流器时, 响应速度慢, 有尖峰干扰, 影响电路工作。采用光电耦合器就没有这样的问题, 尖峰噪声可以去掉。,二、 硬件滤波电路,图 6.29 四种滤波器的结构图,三、 过压保护电路 在输入通道上采用一定的过压保护电路, 以防引入高压, 损坏系统电路。 过压保护电路由限流电阻和稳压管组成, 稳压值以略高于最高传送信号电压为宜。对于微弱信号（0.2 v 以下）, 采用两支反并联的二极管, 也可起到过压保护作用。 四、 调制解调技术 有时, 有效信号的频谱与干扰的频谱相互交错, 使用一般硬件滤波很难分离, 可采用调制解调技术。先用已知频率的信号对有效信号进行调制, 调制后的信号频谱应远离干扰信号的频谱区域。传输中各种干扰信号很容易被滤波器滤除, 被调制的有效信号经解调器解调后,恢复原状。有时, 不用硬件解调, 运用软件中的相关算法, 也可达到解调的目的。,五、 抗干扰稳压电源 (1) 应用系统的供电线路和产生干扰的用电设备分开供电。 (2) 通过低通滤波器和隔离变压器接入电网, 如图 6.30 所示。 (3) 整流组件上并接滤波电容。滤波电容选用1 000 pf 0.01 f的瓷片电容, 接法参见图 6.30。 (4) 采用高质量的稳压电源,图 6.30 抗干扰稳压电源,六、 数字信号采用负逻辑传输 干扰源作用于高阻线路上, 容易形成较大幅度的干扰信号, 而对低阻线路影响要小一些。在数字系统中, 输出低电平时内阻较小, 输出高电平时内阻较大。如果我们采用负逻辑传输, 就可以减少干扰引起的误动作, 提高数字信号传输的可靠性。,6.4.3 共模干扰的抑制方法 一、 平衡对称输入 在设计信号源时尽可能做到平衡和对称,否则会产生附加的共模干扰。 二、 选用高质量的差动放大器 要求差动放大器具有高增益、低噪声、低漂移、宽频带等特点, 以便获得足够高的共模抑制比。 三、 良好的接地系统 接地不良时将形成较明显的共模干扰。如没有条件进行良好接地, 不如将系统浮置起来, 再配合采用合适的屏蔽措施, 效果也不错。,四、 系统接地点的正确连接 单片机应用系统中存在的地线有: 数字地、 模拟地、 功率地、 信号地和屏蔽地。 1. 一点接地和多点接地的应用原则 (1) 一般高频电路应就近多点接地, 低频电路应一点接地。在高频电路中, 地线上具有电感, 因而增加了地线阻抗, 而且地线变成了天线, 向外辐射噪声信号, 因此, 要多点就近接地。在低频电路中, 接地电路若形成环路, 对系统影响很大, 因此应一点接地。,(2) 交流地、功率地与信号地不能公用。 流过交流地和功率地的电流较大, 会造成数毫伏、甚至几伏电压, 这会严重地干扰低电平信号的电路, 因此信号地与交流地、功率地分开。 (3) 信号地与屏蔽地的连接不能形成死循环回路。 否则会感生出电压, 形成干扰信号。 (4) 数字地与模拟地应分开, 最后单点相连。,2. 印制板的地线布置,图 6.31 导线的长度宽度与,印制板地线应成网状，根据电流通路最好逐渐加宽,图6.32 芯片的布置,集成电路芯片跨越地线和电源线来减小干扰。,五、 屏蔽 用金属外壳将整机或部分元器件包围起来, 再将金属外壳接地, 就能起到屏蔽的作用, 对于各种通过电磁感应引起的干扰特别有效。 屏蔽外壳的接地点要与系统的信号参考点相接,而且只能单点接地, 所有具有同参考点的电路必须装在同一屏蔽盒内。如有引出线, 应采用屏蔽线, 其屏蔽层应和外壳在同一点接系统参考点。参考点不同的系统应分别屏蔽, 不可共处一个屏蔽盒内。,6.4.4 软件抗干扰技术,一、数字量i/o通道中的软件抗干扰,1、 数字量输入方法 2、 数字量输出方法,二、程序执行过程中的软件抗干扰,1、 程序“跑飞” 2、 指令冗余 3、软件陷阱,则下面三条指令即组成一个“软件陷阱”: nop nop ljmp err,“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。 1）未使用的中断向量区 mcs - 51 单片机的中断向量区为 0003h002fh, 如果系统程序未使用完全部中断向量区, 则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”, 以便能捕捉到错误的中断。 如某系统使用了两个外部中断int0、int1和一个定时器溢出中断t0, 它们的中断服务子程序入口地址分别为fuint0、 fuint1和 fut0, 即可按下面的方式来设置中断向量区:,org 0000h 0000h start: ljmp main ; 引向主程序入口 0003h ljmp fuint0 ; int0中断服务程序入口 006h nop ; 冗余指令 007h nop 008h ljmp err ; 陷阱 0013h ljmp fut0 ; t0中断服务程序入口 00eh nop ; 冗余指令,00fh nop ; 0010h lj