基于單片機的模擬信號測控電路設(shè)計

李曉宇

摘要：如今，我國科技水平不斷提高，單片機自動控制技術(shù)也更加成熟，其集成了計算機技術(shù)、通信技術(shù)等，有效提高了單片機自動控制系統(tǒng)的性能。單片機也因為其良好的性能，被逐漸的應(yīng)用到電力、化工、以及交通等各個領(lǐng)域中，發(fā)揮著非常重要的作用。然而在單片機自動控制系統(tǒng)中，抗干擾性還存在著一定的問題，影響著單片機的發(fā)展，因此本文研究了基于單片機的模擬信號測控電路設(shè)計。

關(guān)鍵詞：單片機;模擬信號;測控電路設(shè)計

引言

傳統(tǒng)儀器儀表采用純機械結(jié)構(gòu)或者模擬電路、邏輯門電路進行設(shè)計，在自動校準、自動檢測、數(shù)據(jù)處理方面有很大不足。隨著大規(guī)模集成電子技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表發(fā)展進入了一個智能儀器階段，自動測量、遠程監(jiān)控成為智能化的體現(xiàn)。目前，基于單片機的集中數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)已經(jīng)得到了很好的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但在惡劣環(huán)境下以及多地域分布的生產(chǎn)環(huán)境下，一方面人力難以到達現(xiàn)場進行集中測量，另一方面，分布式的測量需要進行聯(lián)網(wǎng)采集，因此需要設(shè)計遠程測控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程和多地點分布式的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

1基于單片機的模擬信號測控電路設(shè)計策略

1.1核心硬件構(gòu)成

1.1.1AT89C52單片機

采用功能穩(wěn)定的AT89C52實施中心控制，主要采集各種模擬量信號，以實現(xiàn)不同的增益，其輸出控制也針對輸入信號不同而使用不同的控制算法運行。工作時利用其網(wǎng)絡(luò)通訊串行口，在上位機及其他智能電路單元間傳送模擬量信號、接收各種數(shù)據(jù)和命令，以控制LED的顯示。

1.1.2精密差動放大電路

采用三片集成運放OP07組裝構(gòu)成兩級精密差動放大電路。正常工作時，設(shè)置其輸入電壓為零或為正，以保證放大電路的輸出與后級轉(zhuǎn)換器的輸入相互匹配;當進行零漂測試時，應(yīng)調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，以實現(xiàn)正常環(huán)境溫度內(nèi)其輸出為負或為零。另外，為盡量克服干擾影響，最好將二階低通濾波器裝在該電路前端，以最大限度保證放大精度。

1.1.3程控增益放大電路

采用DAC0832和單片機組成程控增益放大電路，來保證測控信號的寬泛性和測量數(shù)據(jù)的精確性，同時實現(xiàn)自動切換量程。此種程控增益放大電路和軟件判別功能相互配合，即可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)時量程自動切換。

1.1.4A/D轉(zhuǎn)換電路

采用外圍電路簡單、功耗低的LM331集成電路實現(xiàn)V/F和F/V轉(zhuǎn)換。LM331適用場合多，并且其內(nèi)部新的溫度補償電路能給整個工作溫度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換精度提供極大保障，為模擬信號測量和控制電路模塊提供技術(shù)支持。

1.2其他硬件構(gòu)成

1.2.1數(shù)據(jù)傳輸和控制量輸出

數(shù)據(jù)傳輸電路是模擬量測控電路與計算機通信的接口部分，采用RS-485串行接口總線構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與控制網(wǎng)絡(luò)。通信由其差分接收和平衡發(fā)送的模式完成，上位機完成控制量的計算。采用選定單片機的串行口，通過6N136及半雙工串行通訊的總線驅(qū)動器DS75176連接到總線上，再通過總線模塊與計算機進行數(shù)據(jù)通信。控制輸出電路用ULN2803功率驅(qū)動芯片，其輸出能夠保證控制外設(shè)的工作狀態(tài)和發(fā)出報警信號。

1.2.2鍵顯電路和看門狗電路

按鍵電路采用充分節(jié)省I/O口的矩陣式鍵盤，合理利用資源節(jié)省開支;顯示電路采用74tEl64驅(qū)動數(shù)碼管，能驅(qū)動發(fā)光二極管作為工作狀態(tài)的各種指示;采用25045看門狗電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時自動復(fù)位。

1.2.3電源和多路開關(guān)

供電實施多個穩(wěn)壓電源分開供電方式，采用12V和5V穩(wěn)壓電源分別對運算放大器及CPU等相關(guān)部件各自供電。多路開關(guān)采用兩片CD4052模擬開關(guān)，它具有雙通道四路結(jié)構(gòu)，可進行八路模擬量的測量，滿足測控模擬量數(shù)目需求。采集信號時可將其模擬開關(guān)接地，以補償放大器零漂、提升測量精度。

2單片機自動控制抗干擾技術(shù)

2.1抗干擾硬件技術(shù)

2.1.1消除電源干擾的技術(shù)措施

在消除電源干擾方面，首先做好電源和設(shè)備的選擇，要盡可能的選擇具有抗電磁、靜電屏蔽等功能的電源變壓器，并且將其分離出去，獨自供電，這樣就會讓單片機的輸入電源跟強電設(shè)備的動力電源分離，從而消除電源的干擾。并且系統(tǒng)中的電源線、控制線、以及動力線等，除了選擇導(dǎo)電性比較強的的外，還需要各自配線，以此來提高抗干擾能力。其次保證電源電壓的穩(wěn)定?？梢詫㈦娫丛O(shè)置成多級的濾波處理器，以此來避免電壓發(fā)生畸變現(xiàn)象，并且電源線在布線過程中要保持平行，如配置集成穩(wěn)壓塊，以此來降低電源噪聲，避免信號干擾。此外，隔離電源變頻器，通過對其隔離來降低電源傳導(dǎo)的干擾，從而消除電源干擾。

2.1.2優(yōu)化布線結(jié)構(gòu)

首先要注意強弱電的分離。當在布線過程中，可以通過分槽走線的方式，將直流線和交流線獨立的進行捆綁，以此來拉大直流線和交流線的距離，從而提高抗干擾。并且將信號地和模擬地分離。在進行接地線處理中，要保持單點接地，而且選擇粗一點的地線，在屏蔽線時，盡可能選擇覆蓋范圍比較大的電路板，以此來降低信號的干擾。

2.1.3提升接地抗干擾

模擬地跟電網(wǎng)相連接會產(chǎn)生電網(wǎng)干擾，影響著系統(tǒng)的安全性，為了避免這種現(xiàn)象，可以通過完善接地系統(tǒng)的方式，來提升接地的抗干擾。鑒于根據(jù)信號頻率來選擇不同的接地形式，如如果信號頻率在小于1MHz和1-10MHz左右時，選擇單點接地，并且將地線端子跟接地點進行就近連接，如果小于1MHz還需要采用電阻要小于100Ω的專用地線，如果信號超過了10MHz，那么需要采用多點接地的方式，以此來提高接地的抗干擾。

2.2抗干擾軟件技術(shù)

在提高單片機的自動控制系統(tǒng)抗干擾能力時，除了通過硬件提高外，還可以通過軟件的方式來提高抗干擾能力。

2.2.1軟件數(shù)字濾波技術(shù)

在單片機自動控制系統(tǒng)中，其輸入通達有著非常多的干擾源，通過軟件數(shù)字濾波技術(shù)可以有效的將一些錯誤的信號過濾出去，從而提高信號傳輸?shù)臏蚀_性。其應(yīng)用的原理在于，軟件數(shù)字濾波技術(shù)可以通過運算的方式來將輸入的信號轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)字的蓄力裝置，以此來控制輸出錯誤的信號。

2.2.2軟件陷阱技術(shù)

軟件陷阱技術(shù)主要是指攔截技術(shù)，就是將一些錯誤的信號和程序進行攔截處理，以此來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。如可以在ROM空間、程序的中裂點等處，設(shè)置軟件陷阱技術(shù)，這樣其就會接受到的失控程序傳輸?shù)郊夹g(shù)中的容錯程序中來進行處理，以此來保證輸出的信號質(zhì)量。

2.2.3其他技術(shù)

如果單片機自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)中斷情況，還可以通過如下方式來進行補救。首先重復(fù)讀取信號。如果外部信號被中斷時，就會產(chǎn)生干擾問題，如果不進行及時處理，可能會中斷程序，因此可以通過重復(fù)讀取信號的方式，來避免執(zhí)行錯誤的中斷指令。其次及時的關(guān)閉未使用的空間，當外部信號被中斷時，還可以及時的關(guān)閉未使用的空間，以此來將一些錯誤的程序、信號及時的進行控制，以此來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

結(jié)語

本設(shè)計配以上位機軟件和下位機軟件支持，通過連接不同的傳感器，即可輕松實現(xiàn)對流量、溫度、壓力等常見模擬信號量的測量與智能控制，用戶通過顯示屏能夠直接觀察到被測控量的變化，測量和控制精度極高，具有實際使用價值。

參考文獻

[1]吳瑞坤，黃鐵勇.基于單片機的水位測量及控制電路設(shè)計[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2013，13（5）：51-53.

[2]陳瓊良，申濤，葉海明，等.一種變電站監(jiān)控系統(tǒng)改造遙控校核的新方法[J].電氣技術(shù)，2016，17（10）：139-141.

[3]婁建國，徐小軍，劉團結(jié).軟開關(guān)技術(shù)在城軌車輛低壓電源中的應(yīng)用研究[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2019，19（1）：55-58.