顧海林

目前市場(chǎng)上工業(yè)控制中的主控器件有單片機(jī)、PLC、DSP和ARM四類，在日常教學(xué)實(shí)際中用的最多且易于上手的仍是單片機(jī)和PLC。DSP和ARM多用于企業(yè)高精度、高質(zhì)量的高端產(chǎn)品中。對(duì)于需要大量生產(chǎn)并不復(fù)雜的工業(yè)控制中，單片機(jī)控制仍然會(huì)作為首選。在進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)電路設(shè)計(jì)時(shí)，由于電網(wǎng)、線路、雷電、靜電等干擾會(huì)對(duì)電路造成不穩(wěn)定性，以至于設(shè)備不能正常工作，更嚴(yán)重的會(huì)損壞我們的設(shè)備，這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)考慮如何進(jìn)行抗干擾處理，盡可能把風(fēng)險(xiǎn)降在允許范圍之內(nèi)。以下面電路為例，具體說(shuō)說(shuō)單片機(jī)在工業(yè)控制電路中處理各種干擾的技巧。

一、主控電路部分

下圖是工控電路的核心部分，主控芯片是新唐1T的8051系列單片機(jī)，這款單片機(jī)在市場(chǎng)上比較冷門，不為大家所熟知，但其具備很高的抗干擾能力，讀者朋友也可以將單片機(jī)替換成別的型號(hào)單片機(jī)來(lái)使用，比如STC等。單片機(jī)的外圍電路主要由三部分構(gòu)成，即輸入、輸出和通信。指令輸入是通過(guò)兩片74LS165進(jìn)行并行輸入，串行輸出，單片機(jī)可以同時(shí)接收到16位輸入的開(kāi)關(guān)量。單片機(jī)的輸出是通過(guò)串入并出芯片74HC595將數(shù)據(jù)輸出。通信部分由芯片MAX13085完成。下面將一一描敘各部分的構(gòu)成及功能。

二、通信電路部分

由上圖中可見(jiàn)，芯片MAX13085構(gòu)成的電路可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行雙向通訊，該芯片在通訊距離上與RS485相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便。芯片的輸入端1、4腳與單片機(jī)的TXD和RXD相接，芯片的2、3腳占用單片機(jī)一個(gè)口，設(shè)置為方向控制端，控制電路發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收收據(jù)，通信電路的兩個(gè)輸出端6、7腳接外設(shè)，一般接工業(yè)上觸摸屏。由圖可見(jiàn)，在兩輸出端與地線之間分別接了兩個(gè)TVS管，又稱瞬態(tài)抑制二極管。日常的靜電以及雷雨天氣都會(huì)對(duì)通信質(zhì)量和通信設(shè)備產(chǎn)生影響。利用TVS管反向?qū)ㄌ匦?，將瞬間高壓引入大地，有效地防止靜電和雷擊對(duì)通訊的影響。當(dāng)然也可以選用其他的通信芯片，如果在芯片輸入端采用光耦隔離接入，則電路的穩(wěn)定性更高，抗干擾能力更強(qiáng)，但成本也會(huì)相應(yīng)提高。

三、信號(hào)輸入電路

單片機(jī)的工作電流和工作電壓都比較小，不能滿足工業(yè)控制中的需要，不能用單片機(jī)的口直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件工作，需要對(duì)輸入和輸出電路作一些處理，從而達(dá)到工控中電壓電流的要求。如圖所示，16位開(kāi)關(guān)量的輸入用來(lái)接面板上功能按鍵，開(kāi)關(guān)量通過(guò)光耦隔離后輸出，給單片機(jī)進(jìn)行處理。大家可以發(fā)現(xiàn)，在光耦電路的輸入端將二極管和電阻相并聯(lián)，并聯(lián)的電阻可以提高光耦的閾值，防止光耦誤導(dǎo)通，反向并聯(lián)的二極管起到反向保護(hù)的作用，防止反向電壓過(guò)高將光耦的發(fā)光管擊穿，增強(qiáng)了輸入端抗干擾的能力。因此光耦的輸入輸出電源分別采用兩路電源供電，互不干擾。

四、開(kāi)關(guān)量的輸出

電路的輸出部分采用了高耐壓、大電流的ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器，通過(guò)繼電器的吸合與斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的動(dòng)作。圖中ULN2003的9腳通過(guò)C19電容到地，因?yàn)槔^電器的線圈在接通的瞬間會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，容易對(duì)電路產(chǎn)生干擾，通過(guò)電容濾波后，很好地降低了反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電路的干擾。對(duì)于繼電器的選用，有一點(diǎn)很容易被大家忽略，即繼電器觸點(diǎn)材料的不同，抗擊電流干擾的能力也不一樣。下圖兩款繼電器，外形上看一模一樣，唯一的區(qū)別是材料型號(hào)中一個(gè)有T，一個(gè)沒(méi)有T，在工業(yè)控制中一般選用帶T的繼電器，避免觸點(diǎn)粘連。

五、電源的輸入

1.共模電感部分。工業(yè)控制中對(duì)電源的要求比較高，線性電源不考慮，因?yàn)閴航挡钐?，不適合。我們考慮開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓范圍一般都是18V左右，最后我選用了FP6150和MP451兩塊降壓芯片。電路中220V市電通過(guò)共模電路后進(jìn)行整流濾波，利用共模電路大大減少電磁干擾。

2.整流及TVS管的使用。交流電經(jīng)過(guò)橋式或半波降壓整流濾波后分為兩路，一路送給芯片MP2451進(jìn)行降壓處理得到5V的電壓輸出，另一路則經(jīng)過(guò)芯片F(xiàn)P6150進(jìn)行降壓處理得到12V電壓輸出。兩款降壓芯片的輸出電壓和電流不同，MP2451芯片最大輸出5V、500mA的電壓和電流，而FP6150可以輸出電壓電流為12V、3A，正好滿足單片機(jī)、通信和光耦及繼電器的需求。該電路中的橋式整流電路和半波整流電路可以根據(jù)實(shí)際工作需要選擇，使用方便靈活。整流濾波后并聯(lián)了一個(gè)TVS管D23，該管跟穩(wěn)壓二極管的工作原理類似，區(qū)別在于結(jié)構(gòu)上，其反向電流可以達(dá)到幾安到幾十安，因此可以不用接限流電阻。

3.DC-DC降壓電源。濾波后采用的是DC-DC降壓電路。下面兩個(gè)電路分別由芯片F(xiàn)P6150和芯片MP2451及外圍元件構(gòu)成了DC-DC降壓變換電路，在電路中二極管D20為肖特基二極管，耐壓為40V，作隔離續(xù)流使用。電感L2時(shí)儲(chǔ)能元件，產(chǎn)生電場(chǎng)能與降壓芯片的輸出電壓疊加后經(jīng)電容濾波得到穩(wěn)定的輸出電壓，供給后續(xù)電路使用。兩個(gè)電路的原理相同。兩款降壓芯片的輸入電壓最大可達(dá)到36V，輸出電流分別達(dá)到3A和500mA，輸出電壓非常穩(wěn)定，且成本不高，適合量產(chǎn)，大家根據(jù)需求可以自行選用。

以上僅僅是我在設(shè)計(jì)工控電路時(shí)所使用的抗干擾的方法，都是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而來(lái)，讀者有這方面設(shè)計(jì)需求時(shí)可以借鑒，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，不能“拿來(lái)主義”。