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单片机误动作原因的分析及解决方法

单片机误动作原因的分析及解决方法

摘要:单片机应用的控制系统千差万别,干扰原因也不尽相同,这里通过对机床实验室的“智能考核台”中的单片机在电磁干扰情况下误动作原因的分析以及行之有效的解决方法进行了介绍,为设计单片机时充分考虑抗干扰性能和可靠性提供参考依据。

随着工业自动控制技术的发展,单片机应用系统以其高性价比正逐步取代模拟式控制系统,被广泛应用于各个领域。但是,由于应用现场存在着各种干扰源,对单片机应用系统的工作影响很大。在实验室里设计好的控制系统,安装调试时完全符合设计要求,而置入现场后,系统常常无法正常稳定地工作,本学院机床实验室的“智能考核台”中的单片机就存在这种情况。虽然单片机电路板几经厂家补救、完善、更新,而且厂家技术人员也通过多方试验,但只要置于实际工作环境中,往往又故态复萌。究其原因,是制造厂家在设计单片机时,对单片机周围工作环境的干扰源考虑不够充分,单片机的抗干扰性能不够高,以致使用过程中经常出现误动作和一些不正常的现象。笔者在较长时间的使用过程中,对机床实验室的电磁等干扰途径进行分析,总结了一定的经验,提出了自己的看法,并采取了一定的行之有效的补救措施和解决的办法,在此给予介绍,以供同行参考。

1“机床排故智能考核台”简介学院机床实验室中有 X62W万能铣床、 T68镗床等机床的故障排除智能考核台,主要包括电脑主机、单片机、机床三大部分,机床的工作原理及动作演示完全可以独立进行。在进行模拟实际的机床故障时,由指导老师先在电脑里设置好故障点的位置、故障点的多少,并通过数据线发送给每台机床的单片机,然后由单片机驱动中间继电器,锁定设置的故障点。学生查找出故障点后,通过单片机输入反馈到电脑,老师可以通过电脑查询学生的排查故障的时间、对错等情况,可以强行收卷、人工评分,也可以由电脑自动评分。该类智能考核台在学生的实习、实训和维修电工的排除故障考核中发挥了很大作用。

2单片机出现误动作和不正常现象及原因分析

2.1主要的误动作和不正常现象⑴计算机发送出去的信息,智能考核台的单片机全部或者部分接收不到;⑵计算机发送出去的信息,智能考核台的单片机接收到后不能驱动相关的中间继电器;⑶机床的电磁器件一动作,单片机显示的数据即乱码;⑷电动机运转期间,基于单片机的答题器不能正常输入数据,或者输入的数据变为另外的数据;⑸单片机显示器不显示;⑹单片机死机,按复位按钮后又恢复到初始状态。

2.2原因分析出现上述的现象,通过综合分析,主要是单片机抗干扰性能差,有如下方面的原因:⑴单片机自身的原因:元器件布局不合理,电路工作不可靠,元器件质量差,形成诸如电阻热噪声、半导体散粒噪声、接触噪声、过程通道以及公共电阻形成的干扰等。⑵用于“机床智能考核台”中的单片机相当于工业用途,比一般的更多地受着各种电磁场干扰的影响。机床实验室现场的干扰源很多,主要是电磁干扰,来源有以下几种:

1)直流低压回路断开电感性负载(如接触器、中间继电器、电磁铁线圈等)或电磁型电流、电压继电器触点抖动时,常会产生快速瞬变脉冲组电波;

2)可控硅元件、伺服电动机等设备通/断产生的电流剧变及伴随的电火花;

3)高压电器设备操作时产生的感应干扰;

4)移动电话或附近设备发生的调频电磁波及电弧放电时产生的高频电磁辐射;

5)实验室中其他设备中脉冲电路、时钟回路、开关电源等通过空间传播的电磁能量;

3干扰途径及解决方法

3.1干扰途径干扰途径,是指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。按实际情况分析,机床实验室中干扰源的干扰传播路径,主要是通过导线的传导和空间的辐射。传导是通过导线以电流或电压的形式作用产生干扰,辐射是通过空间以电磁场的形式而干扰。由于实验室计算机到单片机之间的数据线比较长,输入计算机的信号在传递到单片机的过程中,往往既受到传导干扰,又受到辐射的干扰。而在使用单片机答题器输入数据和执行程序过程中,则主要受到的是辐射形式的干扰。干扰的作用,使浪涌的电压、尖峰的电流等以线路传输形式经电源线或数据传输线进入控制系统,或以辐射的形式通过互感耦合、电容耦合进入控制系统,结果常使系统程序“跑飞”,造成“死机”、数据采集误差加大或数据发生变化、影响控制指令正常执行、使控制状态失灵、系统被控对象不稳定或误操作等,导致不正常现象的发生。

3.2.1抑制干扰源(1)在电源输入端增加 EMI滤波器。 EMI滤波器是一种低通滤波器,由无源元件构成的多端口网络。它不仅能衰减由传导传播干扰方式引起的干扰,同时也对辐射干扰方式的干扰有显著的抑制作用。这样的滤波器对于低频(20~100 kHz)特别有效。再通过选用合适的铁氧体材料铁芯,它的抑制频率范围可增大到400MHz。滤波电路图如图1所示。滤波器中介质电容、电感均可改变,适当改变它们之间的耦合,对于线路开关、接触器、执行机构,触点抖动产生的瞬变干扰能起到充分的抑制作用。(2)在比较靠近单片机的接触器和继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰,并在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是 RC串联电路,电阻一般选数 k到数十 k,电容选0.01μF),减小电火花影响。(3)给电动机加滤波电路,电容和电感的引线要尽量短。(4)可控硅两端并接 RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声。

3.2.2切断干扰传播路径(1)单片机与机床等设备之间加金属板隔离、屏蔽。(2)单片机等弱电体与机床设备等强电体分开接地,以减少互相干扰。(3)计算机到单片机的传输线采用双绞线传输,双绞线能使各小环路的电磁感应干扰相抵消,对电磁场干扰、共模噪声有一定的抑制效果。(4)长线传输的阻抗匹配,要求信号源的输出阻抗、传输线的特性阻抗与接收端的输入阻抗相等。否则,信号在传输线上会产生反射,造成失真。(5)电路之间的连接尽量短,把容易受干扰的信号线作为重点保护对象,使之不与能够产生干扰或传递干扰的线路长距离平行;交直流电路要分开;以减少磁场耦合效应。

3.2.3提高单片机本身的抗干扰性能除上述抑制干扰源、切断干扰传播路径的解决方法外,如果从单片机本身考虑,提高单片机本身的抗干扰性能,要从硬件设计上和软件编写上下功夫。硬件设计主要包括电路板的设计、元器件的选择布置和布线等,软件的编写如在程序中插入空操作指令(指令冗余)、采用软件陷阱、睡眠抗干扰、“看门狗”技术等,在此不再赘述。

4结束语抗干扰设计是单片机应用系统设计中不可缺少的重要内容。硬件抗干扰是主动的,而软件抗干扰是被动的。由于干扰环境多种多样,在设计时应分析具体情况,选用有针对性的抗干扰措施。在工程实践中,通常几种抗干扰方法并用,互相补充完善,以确保应用系统能正常运行。本学院机床实验室的“智能考核台”中的单片机,在具体的工作环境下经常误动作,主要是单片机抑制外部干扰的手段不够。经过上述补救办法的实施,经实际应用,解决了之前所存在的干扰引起经常误动作的问题,运行可靠性得到了很大提高。

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