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单片机C8051f064在电力监控仪中抗干扰设计

单片机c8051f064是cygnal(现为SILIConlab)公司在2000年左右推出的新型单片机 ， 具有运行速度快 ， 与8051指令系统兼容的优点 ， 刚一推出就受到国内广大8031使用者的欢迎 ， 纷纷学习使用 ， 并有一定的商业应用 ， 但在具体的使用中也发现了很多问题 ， 抗干扰能力便是其中之一 。下面我将在文章中详细讨论 。先说明一下我的系统 。
在本设计中系统构成为：1.电力监控仪---负责采集三项交流电的电压、电流 ， LCD显示 ， 包括键盘操作 ， 数据记录等功能 ， 并根据电压、电流的变化控制执行机构调节电网的电压、电流 ， 从而达到节电的功能 ， 并具有modbus联网远传数据的能力 。2.上位机数据库系统----检测并记录个终端的状态和电量数据 。
显然电力监控仪在本系统中具有核心地位 ， 是系统正常运行的关键 。核心器件选用了C8051F064单片机 ， 应用了其内部集成的AD和EEPROM等外设 。在刚开始设计时只考虑功能的实现 ， 对抗干扰问题并没有太多的在意 ， 考虑到此产品的功能也不是很复杂 ， 就主要是以前用AT89C51完成产品设计的经验 ， 随便画了PCB ， 把主要精力放在了软件的编写上 ， 很快完成了样机的开发 ， 进入到调试阶段 。
在试验室单独调试时也是一帆风顺 ， 感觉很得意 。随着项目的推进要到系统联调了 ， 这时意外的情况出现了 ， 在第一次将电力监控仪装入电力调节柜时 ， 静态工作很正常 ， 三项电压电流显示正常 ， 数据通信正常 ， 计量准确 ， 可是当接通主回路测试电网补偿功能时 ， 出现执行机构频繁跳动 ， 电力监控仪屏幕时亮时暗 ， 蜂鸣器长鸣 ， 执行机构在频繁的反复调节下不堪重负冒出了白烟 。
紧急停机!感觉很奇怪 ， 为甚麽呢?不死心再来一次 ， 这次也先不接主回路 ， 空载测试 ， 开机后一切正常 ， 随即并入主回路 ， 又发生了上次的情况 ， 这次电力监控仪彻底不工作了 ， 决定不能再盲目测试了 ， 将控制器拆下 ， 进行详细分析 ， 连接上IDE调试线 ， 发现监控仪不工作的原因是内部的EEPROM和存储程序的FLASH不能进行写入 ， IDE调试软件不能正常接入 。换了一片单片机再重新下载程序 ， 又能正常工作 。证实了单片机已经损坏 ， 那么是什么原因造成单片机的FLASH和片内EEPROM的损坏呢? ， 经反复查找DATASHEET ， 发现FLASH大约有1000次的察写寿命 ， 而程序中为了在本地存储随即参数 ， 有烧写片内EEPROM的代码 ， 在正常情况下是足够了 ， 是不是由于程序跑飞 ， 变量被改变造成过度擦写造成呢?有很大的可能 。为了证实在程序中加入了随机写入次数的限制 ， 再进行试验故障依旧 ， 但EEPROM没有损坏 ， 可以确认上述的假设成立 。那么是什么造成的干扰呢?经与电力工程师的讨论发现最大的可能来自大功率的交流接触器 ， 在主回路接通的瞬间主交流接触器上电工作 ， 会产生巨大的电磁脉冲 ， 由于监控仪与交流接触器空间距离很小 ， 有可能感应到空间的电磁干扰 ， 同时C8051F系列单片机又是3V系统在线可擦写 ， 抗干扰能力很弱 ， 另外单片机的AD接口有PT,CT互感器 ， 虽然具有隔离作用 ， 但在并网的瞬间具有巨大的电压电流跳变(di/dt,du/dt)也可能有干扰进入 。
针对初次试验和分析结果对电路做如下更改：
1.在PCB尽可能加宽单片机的电源线宽并尽量缩短长度 。
2.在单片机的电源线上尽可能多地使用大容量的滤波电容 。
3.在单片机电源线上对地并接瞬态抑制二极管 。
4.尽可能扩大地线的面积 ， 在两层版之间打比较多的过孔 ， 增大接地效果 。
5.在3V电源的两层版之间也大量打孔同样增大接触效果 。
6.将单片机的IO都同过光藕控制外设 ， 并使单片机IO脚到光藕的连线尽可能地短 ， 并在实在不能短的线上并入瞬态抑制二极管 。
7.对AD接口也并入瞬态抑制二极管处理 。
8.使用单片机内部的时钟 ， 不用外部时钟 ， 并将外部时钟脚接地 。
9.将C8051F064的IDE接口MSO,MSI等调试信号线在不使用时 ， 用跳线接地 。
按照上面的几条 ， 经过很长时间的LAYOUT和反复的修改确认达到满意的程度了 ， 再制版 。
经过实际联机调试一切OK!,后又经过老化高低温、震动等试验都能正常运行 。再经过现场的实际运行2年没有出现任何故障 。
经验总结：
1.在功能相对简单的产品设计时 ， 在考虑到工程实际使用中可能出现的各种复杂情况 ， 其设计并不简单 。
2.3V供电的单片机在不仔细的设计中抗干扰能力可能不如5V供电的单片机 。
3.FLASH的单片机在不仔细的设计中可能不如OTP型的单片机 。
4.随着单片机技术的进步 ， 其硬件集成度越来越高 ， 这就要求设计人员有比较高的综合运用能力 ， 要将模拟和数字设计综合运用才能设计出稳定可靠的产品 。
【单片机C8051f064在电力监控仪中抗干扰设计】

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