基于单片机的节能照明控制器的设计[2]

　　3系统软件设计及实现

　　3.1 系统软件流程图

　　软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对热释电传感器信号处理电路的输出信号进行处理。在光照较强时，系统继续对光照检测电路的输出状态进行检测。光照较弱时，系统对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。若室内有人时Vo为高电平，系统控制照明设备点亮并按设定的时间进行延时。在延时时间内再一次检测到有人时，则系统又按设定的时间进行延时;若在延时时间内检测到室内无人时，则系统控制照明设备熄灭并重新对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。基于上述分析，系统软件设计流程如图3所示。

　　由于本实验中，有些电路，仿真无法观看到明显的变化，采用了其他电路代替····

　　3.2 仿真环境介绍

　　3.2.1 Keil介绍

　　随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。该软件是美国Keil Software公司出品的软件开发系统，其允许用户使用汇编或者C语言来开发MCS-51单片机(或与MSC-51指令兼容的其它单片机)的应用软件。功能上，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些部份组合在一起。外观上采用全Windows界面，容易上手。性能上，即便是使用高级语言开发应用程序，其生成的目标代码效率也非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑。

　　3.2.2 Proteus介绍

　　Porteus是一款集单片机仿真与SPICE分析于一身的EDA仿真软件，于1989年由英国Labcenter Eletronice Ltd研发成功，经过多年的发屏，现已成为当前EDA性价比最高、性能最强的一款软件。

　　Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其最大的特点是Proteus VSM(Virtual System Modelling)实现了混合模式的SPICE电路仿真，它将虚拟仪器、高级图表仿真、微处理器软仿真器、第三方的编译器和调试器等有机结合起来，在世界范围内第一次实现了在硬件物理模型搭建成功之前，即可在计算机上完成原理图设计、电路分析与仿真、处理器代码调试及实时仿真、系统测试，以及功能验证。

　　Proteus主要有两大部分组成：

　　ISIS——原理图设计、仿真系统。它用于电路原理图的设计以及交互式仿真。

　　ARES——印制电路板设计系统。它主要用于印制电路板的设计，产生最终的PCB文件。

　　4 系统可靠性技术

　　在实验室里设计的控制系统，在安装、调试后完全符合设计要求，但把系统置入现场后，系统常常不能正常稳定地工作。产生这种情况的原因主要是现场环境复杂和各种各样的电磁干扰，所以单片机应用系统的可靠性设计、抗干扰技术变得越来越重要了。

　　工业现场环境中干扰是以脉冲产的形式进人单片机系统的，其主要的渠道有三条，即空干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，并通过静电感应，电磁感应等方式侵入系统内部;供电系统干扰是由电源的噪声干扰引起的;过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统的。干扰一般沿各种线路侵入系统。系统接地装置不可靠，也是产生干扰的重要原因;各类传感器，输人/输出线路的绝缘损坏均有可能引入干抚。

　　4.1干扰产生的后果

　　(1)数据采集误差的加大。当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上，会使数据采集误差增大，特别是前向通道的传感器接口是小电压输入时，此现象会更加严重。

　　(2)程序运行失常：①控制状态失灵。在单片机系统中，由于干扰的加人使输出误差加大，造成逻辑状态改变，最终导致控制失常。②死机。在单片机系统受强干扰后，造成程序计数器(PC)值的改变，破坏程序正常运行。

　　(3)系统被控对象误操作。①单片机内部程序指针错乱，指向了其它地方，运行了错误的程序;②DRAM中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变，使程序计算出错误的结果。③中断误触发，使系统进行错误的中断处理。

　　(4)被控对象状态不稳定。锁存电路与被控对象间的线路(包括驱动电路)受干扰，从而造成被控对象状态不稳定。

　　(5)定时不准。①单片机内部程序指针错乱，使中断程序运行超出定时时间;②RAM中计时数据被冲乱，使程序计算出错误的结果。

　　(6)数据发生变化。在单片机应用系统中，由于外部RAM是可读写的，在干扰的侵入下，RAM中数据有可能发生改变，虽然ROM能避免干扰破坏，但单片机片内RAM以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化，甚至EPROM中的数据也可能误读写,使程序计算出错误的结果。

　　针对以上出现的问题，本系统分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单片机应用系统抗干扰能力的方法。合理地使用软件和硬件抗干扰技术，可使系统最大限度地避免干扰的产生和受干扰后能使系统恢复正常运行，保证系统长期稳定可靠地工作。

　　4.2 单片机应用系统的硬件抗干扰设计

　　(1)供电系统。①防止从电源系统引入干扰，可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工频干扰。②采用开关电源并提供足够的功率余量，主机部分使用单独的稳压电路，必要时I/O供电分别采用DC-DC模块隔离，以避免各个部分相互干扰。

　　(2)注意印制电路板的布线与工艺。①尽量采用多层印制电路板，多层板可提供良好的接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。②印制电路板要合理分区。模拟电路区、数字电路区、功率驱动区要尽量分开，地线不能相混，分别和电源端的地线相连。③元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减小寄生耦合：避免相邻导线平行段过长;加大信号线间距。高频电路互联导线尽量短，使用45°或者圆弧折线布线，不要使用90°折线，以减小高频信号的发射。④印制电路板要按单点接电、单点心接地的原则送电。三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要尽量粗，噪声元件与非噪声元件要尽量离远一些。时钟振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零。⑤使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该个TTL或20多个CMOS。如果输出负载过重，会降低输出电平，使电平处于或低于被驱动器件的输入门槛电平，从而造成系统不稳定。

　　(3)提高元器件的可靠性。①选用质量好的电子元件，并进行严格的测试、筛选和老化。②设计时元件技术参数要有一定的余量。③提高印制板和组装的质量。

　　(4)使用双机冗余设计。在对控制系统的可靠性有严格要求的场合，使用双机冗余可进一步提高系统抗干扰能力。双机冗余，就是执行同一个控制任务，可安排两个单片机来完成，即主机与从机。正常情况下，主机掌握着三总线的控制权，对整个系统进行控制，此时，从机处于待机状态，等待仲裁器的触发。当主机由于某种原因发生误动作时，仲裁器根据判别条件，若认为主机程序已混乱，则切断主机的总线控制权，将从机唤醒，从机将代替主机进行处理与控制。

　　(5)用好去耦电容。好的高频去耦电容可以去除高到1AHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能;另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1uf，10uf电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10uf。