本文分析了基于AT89S51 单片机的角度测量的硬件组成、电路设计原理。给出了主函数的工作流程和源代码。设计样机已通过多种环境实验的测试。

角度测量仪是某控制系统中瞄准装置的关键部件。在以往的控制系统中，多数都是仅凭设备操作人员眼睛瞄准指定目标，然后作出相应的控制，这样就带来一系列问题，如操作人员的经验、瞄准装置转盘的空回都可能会严重会影响瞄准目标的精确程度，从而严重影响控制系统的精度。为了提高控制系统的瞄准精度，在控制系统的瞄准装置中增加了角度测量仪部件，操作人员瞄准目标后的角度值能够精确定量地显示在操作面板上，帮助操作人员更加准确地瞄准目标，因此，极大地提高了控制系统的控制精确度。

角度测量仪利用光电编码器读取角度值，采用AT89S51 单片机实现角度值数码显示、角度值偏差范围的发光二极管指示功能(有三个指示灯，分别指示：偏高、偏低、适中)。不论在操作的复杂程度上还是在测量的精度上，都是传统的眼瞄方法、刻度测量及标识方法无法比拟的。

作为某控制系统的瞄准装置的重要技术改进，此仪器的应用大大提高了控制系统瞄准的精度，增加瞄准偏差范围的可读性，淘汰了传统的用刻度测量和标识角度的方法，使该控制系统的整体性能得到了显着提高。此外，该角度测量仪只要稍作改动即可广泛用于其它工业控制系统中。

1、硬件基本原理

首先，角度测量仪利用单片机读取光电编码器测出的角度值，再将角度值转换成密位值并显示在数码屏上(注意： 密位(mil) 是一种角度单位，密位100 = 角度6°)。单片机判断当前角度值的偏差范围，给出控制信号点亮相应的发光二极管指示灯。此外，角度测量仪还可以通过控制面板上的开关控制实现瞄准镜照明和低温环境下瞄准镜自动除霜功能。单片机的主要功能是实现角度值数码管显示、角度值范围的发光二极管指示。该系统的难点在于确保角度值转换成密位值的转换精度和系统在非常温环境下的工作可靠性。

硬件分为以下几个模块：控制面板、单片机、光电编码器、电源、数码显示器、发光二极管匹配指示装置、周视镜与直瞄镜照明与除霜，如图1所示。

1. 1 单片机的选用

首先，根据项目的需求分析可以得知单片机要完成的主要功能是：从光电编码器(数据总线宽度是15 位) 读取角度值后，将该角度值与系统预设的角度值比较，判断瞄准的角度值范围，点亮相应的指示灯。然后将从光电编码器读得的角度值转换成密位值，发送给串行L ED 显示驱动器MAX7219 ,显示在LED 显示器上。
从以上分析可以得知，适合此需求的单片机至少应具备3 个8 位并行I/ O 端口(其中光电编码器占用2 个端口，其它占用1 个端口) ,才能有效工作。众所周知，产品的品质等级通常分为三级：军用级、工业级和商用级，其中，军用级等级最高，商用级等级最低。由于此工业控制设备通常在户外作业，工作环境比较恶劣，故单片机的品质的等级也是需要考虑的一个重要因素。

目前，MCS - 51 系列单片机技术成熟，开发所用的教材和技术资料多，开发工具齐全，市场上产品种类丰富、性价比较高、购买容易，开发语言简单易学(可以用汇编或C51) ,因此，该系列产品应用广泛，经久不衰。

经过综合考虑，单片机采用ATMEL 公司生产的AT89S51 芯片(MCS - 51 系列单片机的工业级产品) , 兼容MCS51 微控制器，4 K 字节FLASH 存贮器支持在系统编程( ISP) 1000 次擦写周期，128 字节片内RAM ,工作电压4. 0 V 到5. 5 V ,全静态时钟0 Hz 到33 MHz ,三级程序加密，4 个8 位的可编程I/ O 端口，2/ 3 个16 位定时/ 计数器，6/ 8 个中断源，全双工UART ,低功耗支持Idle 和Power down 模式，Powerdown 模式支持中断唤醒，双数据指针，上电复位标志。ATMEL 公司生产的89 系列单片机在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域都有着极及其广泛的应用。所选型号为ATMEL 公司的AT89S51 - 24PI ,工业级。能适应- 45 ℃~ + 80 ℃环境工作。

单片机的I/ O 端口资源分配是： P0 和P2口分配给光电编码器，P1 口分配给显示驱动和匹配指示发光二极管控制以及MAX813.

1. 2 单片机主要外围电路的设计

监控电路：为了提高单片机在恶劣环境下的可靠性，必须采用μP 监控电路来增加单片机的稳定性和抗干扰能力。硬件监控电路有以下功能：(1) 上电复位：保障系统加电时能正确地启动。(2) 掉电复位：当电源失效或电压降到某一电压值以下时，产生复位信号对系统进行复位。(3)看门狗定时器：当处理器遇干扰，程序运行混乱产生"死锁"时，对系统复位。此处采用MAXIM公司的军用级芯片MAX813LMJA.
显示驱动电路： 为了节省单片机I/ O 口资源，降低单片机的计算量，选用串行L ED 显示驱动器MAX7219. 它能控制8 位共阴级L ED 数码管，具有16 级亮度控制、译码灵活，上电发光二极管全熄、只占用三根单片机I/ O 口线等优点。

单片机及主要外围电路的原理如图2 所示。

1. 3 单片机与外围器件的数据通信

单片机与光电编码器：因为光电编码器获得角度值的速度远大于单片机的工作速度，所以，单片机可以认为光电编码器上的数据总是处于"准备好"状态，单片机随时可以读取有效数据，16 位的角度值分成高8 位和低8 位两次读取，它们之间的数据是并行无条件传送。

单片机与MAX7219 :从单片机和MAX7219的工作速度来看，CPU 两次发送数据给MAX7219 的时间间隔，足以保证单片机访问MAX7219 时，MAX7219 总是处于"准备好"状态。而MAX7219 又是串行L ED 显示驱动器，因此，单片机与MAX7219 的数据传送是串行无条件传送。

单片机与MAX813 :因为单片机向MAX813发送数据时，MAX813 只等待接收单片机的初始化数据而并无其它的工作其工作速度足够快，可以认为MAX813 总是处于"准备好"状态。因此，单片机与MAX813 的数据传送也是串行无条件传送。

2、软件设计原理

角度测量仪启动工作后，单片机的工作过程是：系统启动后，初始化外部看门狗，初始化显示驱动芯片MAX7219 ,给看门狗计数器赋初值，读取光电编码器获取的角度值，当角度偏差值处在某一特定范围时，单片机发出控制信号点亮与该范围相对应的指示灯，将当前的角度值转换成密位值显示在数码屏，又重新给看门狗计数器赋初值，进入下一个工作循环。主函数的工作流程如图3 所示。

请注意，流程图中，带双线边的矩形框表示该部分为函数。在本课题的软件设计中，采用了C51 编程语言，因为用C51 编程不仅效率高，而且可读性很强。

下面给出主函数的源代码。

void main (void)
{
WDI = 0 ; / / 初始化看门狗
INItMax7219 () ; / / 初始化MAX7219 的函数
while (1) {
WDI = 1 ; / /"喂狗"
WDI = 0 ; / /"喂狗"
GetAngle () ; / / 读角度值的函数
MachView() ; / / 指示灯匹配显示的函数
GetMil () ; / / 计算密位值的函数
DisplayMil () ; / / 显示密位的函数
}
}

在主函数调用的几个函数中，InitMax7219() 的功能是初始化L ED 显示驱动器MAX7219 ,单片机向MAX7219 发送消影控制、亮度、扫描范围、译码方式信息。

GetAngle () 的功能是从光电编码器读角度值，先读高8 位，再读低8 位，然后将高8 位和低8 位合并，最后舍去最低位(光电编码器的有效数据是15 位) .

MachView() 的功能是角度偏差指示灯匹配显示，将该角度值与系统预设的角度值比较，判断瞄准的角度值是偏高、偏低还是适中。如果角度值偏高，那么单片机就发出控制命令，使偏高指示灯亮，如果偏低，则令偏低指示灯亮，否则令适中指示灯亮。

值得注意的是，计算密位值的函数GetMil() 的代码编写，要考虑角度的转换精度，在本课题中，采用了C51 中的long 型变量来分别存放密位的整数和小数部分，并将角度的小数部分放大十万倍后参加运算，保证转换精度。

DisplayMil( )的功能是驱动MAX7219 显示密位。首先显示密位，判断此角度是否进入预设区，如果是，熄灭符号灯，各位显示"0";如果没有，判断角度值是否为负，如果是，显示负号，如果是正，不显示负号，然后将角度值显示在L ED显示屏上。

3、结束语

为了使角度测量仪能在各种可能的恶劣环境下(如高温、低温、振动等环境) 正常工作，在整个设计过程中，要着重考虑的问题是硬件的可靠性和软件的可靠性。

设计时的注意事项如下：

(1)电源芯片的额定功率选择要留有余量。
(2) 元器件选择工业级或军用级产品。
(3) 采用硬件看门狗方案，防止单片机程序锁死。
本课题设计的样机已处于测试阶段，目前已通过了常温和多种环境试验的测试。

单片机主要作用是控制外围的器件，并实现一定的通信和数据处理。但在某些特定场合，不可避免地要用到数学运算，尽管单片机并不擅长实现算法和进行复杂的运算。下面主要是介绍如何用单片机实现数字滤波。

在单片机进行数据采集时，会遇到数据的随机误差，随机误差是由随机干扰引起的，其特点是在相同条件下测量同一量时，其大小和符号会现无规则的变化而无法预测，但多次测量的结果符合统计规律。为克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术，软件上可采用软件算法实现数字滤波。滤波算法往往是系统测控算法的一个重要组成部分，实时性很强。

采用数字滤波算法克服随机干扰的误差具有以下优点

1、数字滤波无需其他的硬件成本，只用一个计算过程，可靠性高，不存在阻抗匹配问题。尤其是数字滤波可以对频率很低的信号进行滤波，这是模拟滤波器做不到的。
2、数字滤波使用软件算法实现，多输入通道可共用一个滤波程序，降低系统开支。
3、只要适当改变滤波器的滤波程序或运算，就能方便地改变其滤波特性，这对于滤除低频干扰和随机信号会有较大的效果。
4、在单片机系统中常用的滤波算法有限幅滤波法、中值滤波法、算术平均滤波法、加权平均滤波法、滑动平均滤波等。

(1)限幅滤波算法

该运算的过程中将两次相邻的采样相减，求出其增量，然后将增量的绝对值，与两次采样允许的最大差值A进行比较。A的大小由被测对象的具体情况而定，如果小于或等于允许的最大差值，则本次采样有效;否则取上次采样值作为本次数据的样本。

算法的程序代码如下：

#defineA //允许的最大差值
chardata; //上一次的数据
char filter()
{
chardatanew; //新数据变量
datanew=get_data(); //获得新数据变量
if((datanew-data)>A||(data-datanew>A))
return data;
else
returndatanew;
}

说明：限幅滤波法主要用于处理变化较为缓慢的数据，如温度、物体的位置等。使用时，关键要选取合适的门限制A。通常这可由经验数据获得，必要时可通过实验得到。

(2)中值滤波算法

该运算的过程是对某一参数连续采样N次(N一般为奇数)，然后把N次采样的值按从小到大排列，再取中间值作为本次采样值，整个过程实际上是一个序列排序的过程。

算法的程序代码如下：

#define N11 //定义获得的数据个数
char filter()
{
charvalue_buff[N]; //定义存储数据的数组
char count,i,j,temp;
for(count=0;count
{
value_buf[count]=get_data();
delay(); //如果采集数据比较慢，那么就需要延时或中断
}
for(j=0;j
{
for(value_buff[i]>value_buff[i+1]
{
temp=value_buff[i];
value_buff[i]=value_buff[i+1];
value_buff[i+1]=temp;
}
}
returnvalue_buff[(N-1)/2];
}

说明：中值滤波比较适用于去掉由偶然因素引起的波动和采样器不稳定而引起的脉动干扰。若被测量值变化比较慢，采用中值滤波法效果会比较好，但如果数据变化比较快，则不宜采用此方法。

(3)算术平均滤波算法

该算法的基本原理很简单，就是连续取N次采样值后进行算术平均。

算法的程序代码如下：

char filter()
{
int sum=0;
for(count=0;count
{
sum+=get_data();
delay():
}
return (char)(sum/N);
}
说明：算术平均滤波算法适用于对具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值附近上下波动。信号的平均平滑程度完全到决于N值。当N较大时，平滑度高，灵敏度低;当N较小时，平滑度低，但灵敏度高。为了方便求平均值，N一般取4、8、16、32之类的2的整数幂，以便在程序中用移位操作来代替除法。

(4)加权平均滤波算法

由于前面所说的“算术平均滤波算法”存在平滑度和灵敏度之间的矛盾。为了协调平滑度和灵敏度之间的关系，可采用加权平均滤波。它的原理是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系数之后再求累加，加权系数一般先小后大，以突出后面若干采样的效果，加强系统对参数变化趋势的认识。各个加权系数均小于1的小数，且满足总和等于1的结束条件。这样加权运算之后的累加和即为有效采样值。其中加权平均数字滤波的数学模型是：

式中：D为N个采样值的加权平均值：XN-i为第N-i次采样值;N为采样次数;Ci为加权系数。加权系数Ci体现了各种采样值在平均值中所占的比例。一般来说采样次数越靠后，取的比例越大，这样可增加新采样在平均值中所占的比重。加权平均值滤波法可突出一部分信号抵制另一部分信号，以提高采样值变化的灵敏度。

样例程序代码如下：
char codejq[N]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}; //code数组为加权系数表，存在程序存储区
char codesum_jq=1+2+3+4+5+6+7+8+9+10+11+12;
char filter()
{
char count;
char value_buff[N];
int sum=0;
for(count=0;count
{
value_buff[count]=get_data();
delay();
}
for(count=0;count
sum+=value_buff[count]*jq[count];
return(char)(sum/sum_jq);
}

(5)滑动平均滤波算法

以上介绍和各种平均滤波算法有一个共同点，即每获取一个有效采样值必须连续进行若干次采样，当采速度慢时，系统的实时得不到保证。这里介绍的滑动平均滤波算法只采样一次，将一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值即可投入使用。如果取N个采样值求平均，存储区中必须开辟N个数据的暂存区。每新采集一个数据便存入暂存区中，同时去掉一个最老数据，保存这N个数据始终是最新更新的数据。采用环型队列结构可以方便地实现这种数据存放方式。

程序代码如下：

char value_buff[N];
char i=0;
char filter()
{
char count;
int sum=0;
value_buff[i++]=get_data();
if(i==N)
i=0;
for(count=0;count
sum=value_buff[count];
return (char)(sum/N);
}

(6)低通滤波

将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表求，变可以采用软件算法来模拟硬件滤波的功能，经推导，低通滤波算法如下：

Yn=a* Xn+(1-a) *Yn-1
式中 Xn——本次采样值
Yn-1——上次的滤波输出值;
，a——滤波系数，其值通常远小于1;
Yn——本次滤波的输出值。

由上式可以看出，本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值(注意不是上次的采样值，这和加权平均滤波是有本质区别的)，本次采样值对滤波输出的贡献是比较小的，但多少有些修正作用，这种算法便模拟了具体有教大惯性的低通滤波器功能。滤波算法的截止频率可用以下式计算：

fL=a/2Pit pi为圆周率3.14…
式中 a——滤波系数;
， t——采样间隔时间;
例如：当t=0.5s(即每秒2次)，a=1/32时;
fL=(1/32)/(2*3.14*0.5)=0.01Hz

当目标参数为变化很慢的物理量时，这是很有效的。另外一方面，它不能滤除高于1/2采样频率的干搅信号，本例中采样频率为2Hz，故对1Hz以上的干搅信号应采用其他方式滤除，低通滤波算法程序于加权平均滤波相似，但加权系数只有两个：a和1-a。为计算方便，a取一整数，1-a用256-a，来代替，计算结果舍去最低字节即可，因为只有两项，a和1-a，均以立即数的形式编入程序中，不另外设表格。虽然采样值为单元字节(8位A/D)。为保证运算精度，滤波输出值用双字节表示，其中一个字节整数，一字节小数，否则有可能因为每次舍去尾数而使输出不会变化。

随着微电子技术和计算机技术的发展，原来以强电和电器为主、功能简单的电气设备发展成为强、弱电结合，具有数字化特点、功能完善的新型微电子设备。在很多场合，已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气控制产品。属于存储程序控制的单片机，其控制功能通过软件指令来实现，其硬件配置也可变、易变。因此，一旦生产过程有所变动，就不必重新设计线路连线安装，有利于产品的更新换代和订单式生产。

传统电气设备采用的各种控制信号，必须转换到与单片机输入/输出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到单片机的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等，通过输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。输出电路则应将单片机送出的弱电控制信号转换、放大到现场需要的强输出信号，以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触器、电动机等被控制设备的执行元件，能方便实际控制系统使用。针对电气控制产品的特点，本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法，对合理地设计电气控制系统，提高电路的接口能力，增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。

1、 输入电路设计

一般输入信号最终会以开关形式输入到单片机中，以工程经验来看，开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平效果要好得多，如图1如示。当按下开关S1时，发出的指令信号为低电平，而平时不按下开关S1时，输出到单片机上的电平则为高电平。该方式具有较强的耐噪声能力。

若考虑到由于TTL电平电压较低，在长线传输中容易受到外界干扰，可以将输入信号提高到+24 V，在单片机入口处将高电压信号转换成TTL信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力，而且使开关的触点接触良好，运行可靠，如图2所示。其中，D1为保护二极管，反向电压≥50 V。

为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚，可以在输入端增加防脉冲的二极管，形成电阻双向保护电路，如图3所示。二极管D1、D2、D3的正向导通压降UF≈0.7 V，反向击穿电压UBR≈30 V，无论输入端出现何种极性的破坏电压，保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即：VI～VCC出现正脉冲时，D1正向导通；VI～VCC出现负脉冲时，D2反向击穿；VI与地之间出现正脉冲时，D3反向击穿；VI与地之间出现负脉冲时，D3正向导通，二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5～2.5 kΩ，与输入电容C构成积分电路，对外界感应电压延迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ，则输入端承受的有效电压将远低于其幅度；若时间较长，则D1导通，电流在RS上形成一定的压降，从而减小输入电压值。

此外，一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示，R为输入限流电阻，使光耦中的发光二极管电流限制在10～20 mA。输入端靠光信号耦合，在电气上做到了完全隔离。同时，发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小，不会产生地线干扰或其他串扰，增强了电路的抗干扰能力。

在满足功能的前提下，提高单片机输入端可靠性最简单的方案是： 在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲，或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。

2、 输出电路设计

单片机输出端口受驱动能力的限制，一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别，但一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。

2.1 直接耦合

在采用直接耦合的输出电路中，要避免出现图5所示的电路。

T1截止、T2导通期间，为了对T2提供足够的基极电流，R2的阻值必须很小。因为T2处于射极跟随器方式工作，因此为了减少T2损耗，必须将集射间电压降控制在较小范围内。这样集基间电压也很小，电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。R2阻值过大，会大幅度增加T2压降，引起T2发热严重。而在T2截止期间，T1必须导通，高压+15 V全部降在电阻R2上，产生很大的电流，显然是不合理的。另外，T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位，引起输出端不稳定。T2基极被T1拉到地电位，若其后接的是感性负载，由于绕组反电势的作用，T2的发射极可能存在高电平，容易引起T2管基射结反向击穿。

图6为一直接耦合输出电路，由T1和T2组成耦合电路来推动T3。T1导通时，在R3、R4的串联电路中产生电流，在R3上的分压大于T2晶体管的基射结压降，促使T2导通，T2提供了功率管T3的基极电流，使T3变为导通状态。当T1输入为低电平时，T1截止，R3上压降为零，T2截止，最终T3截止。R5的作用在于： 一方面作为T2集电极的一个负载，另一方面T2截止时，T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放，加快T3的截止速度，有利于减小损耗。

2.2 TTL或CMOS器件耦合

若单片机通过TTL或CMOS芯片输出，一般均采用集电极开路的器件，如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至+15 V电源，提升了驱动电压。但要注意的是，这种电路的开关速度低，若用其直接驱动功率管，则当后续电路具有电感性负载时，由于功率管的相位关系，会影响波形上升时间，造成功率管动态损耗增大。

为了改善开关速度，可采用2种改进形式输出电路，如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路，当TTL输出高电平时，输出点通过晶体管T1获得电压和电流，充电能力提高，从而加快开通速度，同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路，采用这种电路不但可提高开通时的速度，而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的，不会出现饱和，因而不影响输出开关频率。

2.3 脉冲变压器耦合

脉冲变压器是典型的电磁隔离元件，单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号，经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接，所以输出是电平浮动的信号，可以直接与功率管等强电元件耦合，如图8所示。

这种电路必须有一个脉冲源，脉冲源的频率是载波频率，应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G，单片机输出信号由另一端输入G门。当单片机输出高电平时，G门打开，输出脉冲进入变压器，变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲，通过二极管D1、D2检波后经滤波还原成开关信号，送入功率管。当单片机输出低电平时，G门关闭，脉冲源不能通过G门进入变压器，变压器无输出。

这里，变压器既传递信号，又传送能量，提高了脉冲源的频率，有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同推动功率的要求，所以应用起来比较灵活。更重要的是，变压器原副边线圈之间没有电的联系，副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动，不受其电源大小的影响。

当单片机输出较高频率的脉冲信号时，可以不采用脉冲源和G门，对变压器原副边电路作适当调整即可。

2.4 光电耦合

光电耦合可以传输线性信号，也可以传输开关信号，在输出级应用时主要用来传递开关信号。如图9所示，单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R2为光耦输出晶体管的负载电阻，它的选取应保证： 在光耦导通时，其输出晶体管可靠饱和；而在光耦截止时，T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长，限制了其使用频率。

结语

单片机接口技术在很多文献中均有详细的介绍，但在对大量电气控制产品的改造和设计中，经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题（如驱动电流大、开关速度慢、抗干扰差等），因此必须寻求另一种电路解决方案。上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明，其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。

想搞清楚PLC与单片机有什么不同，在网上搜了许多，看得头都大了，还是一团雾水。最后把其中说到点子上的一些句子，综合起来认真分析总结，本人认为PLC与单片机的差别应该是：

1.PLC是应用单片机构成的比较成熟的控制系统，是已经调试成熟稳定的单片机应用系统的产品。有较强的通用性。

2.而单片机可以构成各种各样的应用系统，使用范围更广。单就“单片机”而言，它只是一种集成电路，还必须与其它元器件及软件构成系统才能应用。

3.从工程的使用来看，对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC快捷方便，成功率高，可靠性好，但成本较高。

4.对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定。

从本质上说，PLC其实就是一套已经做好的单片机(单片机范围很广的)系统。

但PLC也有其特点：PLC广泛使用梯形图代替计算机语言，对编程有一定的优势。你可以把梯形图理解成是与汇编等计算器语言一样，是一种编程语言，只是使用范围不同!而且通常做法是由PLC软件把你的梯形图转换成C或汇编语言(由PLC所使用的CPU决定)，然后利用汇编或C编译系统编译成机器码!PLC运行的只是机器码而已。梯形图只是让使用者更加容易使用而已。

如所说，那么MCS-51单片机当然也可以用于PLC制作，只是8位CPU在一些高级应用如： 大量运算(包括浮点运算)，嵌入式系统(现在UCOS也能移植到MCS-51)等，有些力不从心而已，不过加上DSP就已经能满足一般要求了，而且同样使用梯形图编程，我们可把梯形图转化为C51再利用KEIL的C51进行编译。我们也能发现不用型号的PLC会选用不同的CPU，其实也说明PLC就是一套已经做好的单片机系统。

既然如此，当然也可以用单片机直接开发控制系统，但是对开发者要求相当高(不是一般水平可以胜任的)，开发周期长，成本高(对于一些大型一点的体统你需要做实验，印刷电路板就需要一笔相当的费用，你可以说你用仿真器，用实验板来开发，但是我要告诉你，那样做你只是验证了硬件与软件的可行性，并不代表可以用在工业控制系统，因为工业控制系统对抗干扰的要求非常高，稳定第一，而不是性能第一，所以你的电路板设计必须不断实验，改进)。当你解决了上述问题，你就发现你已经做了一台PLC了，当然如果需要别人能容易使用你还需要一套使用软件，这样你可以不需要把你的电路告诉别人。你也不可能告诉别人。

这样一看PLC其实并不神秘，不少PLC是很简单的，其内部的CPU除了速度快之外，其他功能还不如普通的单片机。通常PLC采用16位或32位的CPU，带1或2个的串行通道与外界通讯，内部有一个定时器即可，若要提高可靠性再加一个看家狗定时器问题就解决了。

另外，PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序，梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC的性能，通讯程序决定了 PLC与外界交换信息的难易。对于简单的应用，通常以独立控制器的方式运作，不需与外界交换信息，只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。实际上，设计PLC的主要工作就是开发解释梯形图语言的程序。现在的单片机完全可以取代PLC。以前的单片机由于稳定性和抗电磁干扰能力比较的弱和PLC是没有办法相比的 现在的单片机已经做到了高稳定性和很强的抗干扰能力在某些领域已经实现了替换。

来源: 21ic

形成干扰的基本要素有三个：

(1)干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。

(2)传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。

(3)敏感器件，指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。
抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。(类似于传染病的预防)
1、抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。

抑制干扰源的常用措施如下：

(1)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。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。

(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF)，减小电火花影响。

(3)给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。

(4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。

(5)布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。

(6)可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的)。

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。

所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。

2、切断干扰传播路径的常用措施如下

(1)充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路)。

(3)注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。

(4)电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源(如电机，继电器)与敏感元件(如单片机)远离。

(5)用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列时已考虑此要求。

(6)单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘。

(7)在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显着提高电路的抗干扰性能。

3、提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。

提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：

(1)布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。

(2)布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。

(3)对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。

(4)对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。

(5)在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。

(6)IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。

接下来再说说在这方面的经验。

软件方面：

1、常将不用的代码空间全清成“0”，因为这等效于NOP，可在程序跑飞时归位；

2、在跳转指令前加几个NOP，目的同1；

3、在无硬件WatchDog时可采用软件模拟WatchDog，以监测程序的运行；

4、涉及处理外部器件参数调整或设置时，为防止外部器件因受干扰而出错可定时将参数重新发送一遍，这样可使外部器件尽快恢复正确；

5、通讯中的抗干扰，可加数据校验位，可采取3取2或5取3策略；

6、在有通讯线时，如I^2C、三线制等，实际中我们发现将Data线、CLK线、INH线常态置为高，其抗干扰效果要好过置为低。

硬件方面：

1、地线、电源线的部线肯定重要了！

2、线路的去偶；

3、数、模地的分开；

4、每个数字元件在地与电源之间都要104电容；

5、在有继电器的应用场合，尤其是大电流时，防继电器触点火花对电路的干扰，可在继电器线圈间并一104和二极管，在触点和常开端间接472电容，效果不错！

6、为防I/O口的串扰，可将I/O口隔离，方法有二极管隔离、门电路隔离、光偶隔离、电磁隔离等；

7、当然多层板的抗干扰肯定好过单面板，但成本却高了几倍。

8、选择一个抗干扰能力强的器件比之任何方法都有效，这点应该最重要。