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神煩的單片機干擾問題

做了一個產品,在家里測試一切正常,到客戶那里測試一開始也完全正常,開始小批量供貨,第一批沒問題,從第二批開始,故障不斷,癥狀就是:單片機程序跑飛。

本來一直自詡為單片機老鳥,做過的產品也有幾十種了,沒想到在這個問題上栽了跟頭。

簡單描述一下產品:

輸入:有三路外接IO信號,一個由光電開關產生,用于計數,一個急停開關,還有一個按鈕用于手動控制,這三路信號全部經光耦隔離后輸入;

輸出:三個繼電器,繼電器輸出控制設備上的中繼繼電器,由中繼繼電器再去控制三個24V電磁閥的通斷,我線路板上的繼電器是單獨供電,與單片機電源不共地,用光耦隔離后再驅動繼電器的。

其它就是幾個數碼管、按鍵以及蜂鳴器,沒什么特別的。

PCB布局上,輸入、輸出在線路板邊緣,與單片機距離較遠,單片機周圍覆銅屏蔽。

電源采用雙組輸出的變壓器(帶屏蔽),有硬件看門狗,每個芯片電源端有0.1uf瓷片電容。

不帶負載時,一切功能正常,用白熾燈做負載也完全正常,可到了用戶那兒就不正常。數次前往用戶現場,均無功而返。

程序結構是:主程序負責將看門狗信號置1,之后就進入空閑方式,等待定時中斷喚醒,除此啥也不干,定時器0產生一4毫秒中斷,每隔4毫秒將看門狗清0,刷新一次顯示輸出,讀取一下按鍵以及外部輸入,根據輸入狀態確定輸出信號。

故障發生時:數碼管亂閃,但仍可相應外部IO信號以及按鍵信號,大約2秒后,看門狗動作,單片機復位,處于待機狀態。我判斷就是程序跑到我的程序空間外面去了。

我更換了各種單片機,原來用的是AT89C52,換成AT89S52之后,跑飛的幾率幾乎加大了10倍,換華邦的52,比S52好,但是比C52差,STC的表現和S52差不多,換新茂的也不行。

我用示波器觀察單片機電源,每當外部電磁閥動作時,單片機5V電源上產生一小串毛刺,幅度有正負2V以上,持續時間在數十微秒。當時我認為只要將電源上的毛刺解決掉就可以了。

但是,接下來我傻眼了,無論我用什么辦法,5V電源上的毛刺無法消除,包括在產品的電源輸入端加防浪涌濾波器,在5V電源上串電感,并10uf鉭電容,在5V電源上并5.1V穩壓管,甚至我單獨再做一個5V電源,只要此電源和設備共用一組交流電,毛刺就是沒辦法消除。

后來我發現,將這個產品用的雙組輸出的變壓器移到殼子外部,程序跑飛明顯減少,但是客戶不允許外置電源。我將變壓器用錫箔紙包裹起來,故障還是一樣,將單片機用金屬屏蔽罩罩住,還是不行。

無意中發現,我的示波器探頭根本不需要接觸到線路板,只要將探頭與接地夾短接,放在設備附近,每次電磁閥動作時,示波器上就能出現一幅度正負2V以上的毛刺信號。

自此,對于這個產品的問題我實在是無能為力了。

煩請各位有什么高招盡管支招吧。

附件含原理圖、pcb、源程序(簡化版)以及實物圖

抗干擾.zip

 

全部回復(68)
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daylight
LV.4
2
2014-02-12 16:34
建議用 P89v51rd2,  看看是什么情況
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btclass
LV.7
3
2014-02-12 22:59

1:根據癥狀來看,不是電源問題。因為數碼管閃時候,還會響應按鍵。

2:推斷是判斷按鍵狀態時用了太多輪詢。按鍵受干擾時候,造成代碼在此處停留太久。造成狗動作,由于MCU復位,數碼管閃爍,按鍵動作是很慢的,所以感覺操作還會響應。

3:或許IO口受了較強脈沖,使得IO口鎖定。尤其是MCLR腳,會造成復位。

4:建議:每個按鍵IO口并上0.01U貼片電容,靠近MCU。

5:所有輸入IO口串上100歐電阻。

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glzhao
LV.6
4
2014-02-13 08:48
根據你的描述你的單片機應該是受到干擾導致的,主要的干擾來自于供電,你可以改為使用模塊電源作為供電試一下應該可以解決問題。
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cltwolf
LV.5
5
2014-02-13 09:45

看了您的電路板好暈,看不清楚哪和哪。

一、您是否有把+12V和+5V的電源線路完全的隔開了?

二、兩個電源的電源布線是否過長導致了回路在電磁環境中形成了天線接收(就無線充電那樣子)?

三、哥們,你的電源后面好歹加個電感吧,電磁環干擾大,抗干擾電路起碼給它個基本的配置啊。這個干擾你在示波器看起來是2V,那是無負載,無濾波的情況下產生的。那么內部是什么樣子大家都不知道。

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dapeng
LV.5
6
2014-02-13 18:36
@cltwolf
看了您的電路板好暈,看不清楚哪和哪。一、您是否有把+12V和+5V的電源線路完全的隔開了?二、兩個電源的電源布線是否過長導致了回路在電磁環境中形成了天線接收(就無線充電那樣子)?三、哥們,你的電源后面好歹加個電感吧,電磁環干擾大,抗干擾電路起碼給它個基本的配置啊。這個干擾你在示波器看起來是2V,那是無負載,無濾波的情況下產生的。那么內部是什么樣子大家都不知道。

我看估計也是布板的問題

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glzhao
LV.6
7
2014-02-14 09:11

你的整體的板子布局比較混亂,沒有明確的區分數字地、模擬地。數字信號與模擬信號的區分沒有造成干擾導致單片機受到干擾造成錯誤。

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2014-02-15 16:53
@glzhao
你的整體的板子布局比較混亂,沒有明確的區分數字地、模擬地。數字信號與模擬信號的區分沒有造成干擾導致單片機受到干擾造成錯誤。
是啊,PCB 布局很重要,但PCB LAYOUT最重要的就是GND處理,如地沒走好,這產品就什么問題都可能發生。
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2014-02-15 16:55
@btclass
1:根據癥狀來看,不是電源問題。因為數碼管閃時候,還會響應按鍵。2:推斷是判斷按鍵狀態時用了太多輪詢。按鍵受干擾時候,造成代碼在此處停留太久。造成狗動作,由于MCU復位,數碼管閃爍,按鍵動作是很慢的,所以感覺操作還會響應。3:或許IO口受了較強脈沖,使得IO口鎖定。尤其是MCLR腳,會造成復位。4:建議:每個按鍵IO口并上0.01U貼片電容,靠近MCU。5:所有輸入IO口串上100歐電阻。
上面是PCB高手啊,説很有道理。
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backin
LV.4
10
2014-02-22 20:39
把地線搞好,防止浮電在身
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daylight
LV.4
11
2014-02-22 20:42
液晶顯示應該好不了的,液晶模塊也會受干擾的。干擾確實是頭痛的問題,用開關電源試試看
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backin
LV.4
12
2014-02-22 20:43
現場有什么其他干擾厲害的東西吧,幾個繼電器電磁閥不至于把單片機干擾死的
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金魚1
LV.3
13
2014-02-22 20:45
從樓主的敘述看,應該是傳導干擾,建議樓主加“EMI濾波器”并不是樓主所說加“防浪涌濾波器”,如果問題依舊,建議樓主再修改單片機外圍電路或PCB布局(特別是單片機的電源回路處理)
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cloud7890
LV.2
14
2014-02-22 20:47
你的電磁閥是什么參數的啊 ?
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heal
LV.3
15
2014-02-22 20:49
是不是PCB板上IC電源引腳的去耦電容離IC電源引腳遠,沒起到作用?
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01夏至
LV.2
16
2014-02-22 20:53
不要老懷疑電源.小心你的地線.....建議找個人考慮幫你布線一下......供電上考慮一下.2v太大了...是不是你電源功率太小啊....唉.我也是胡猜,見諒
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stony_s
LV.3
17
2014-02-22 20:54
“單片機5V電源上產生一小串毛刺,幅度有正負2V以上,持續時間在數十微秒”——這個 是用 電容很難 濾去的。考慮, 將 變壓器 的 金屬屏蔽罩 接 “大地”。
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elio
LV.2
18
2014-02-22 20:55
怎么會這么脆弱呢?我以前實驗一個產品,用就220V直流接觸器的控制線圈和產品的電源進線,纏繞在一起N圈,并且直流接觸器的線圈不并反向二極管,反復開關直流接觸器都沒關系。不知樓主是否只有一塊板,要是設備有幾塊板子,要注意板子之間的連接線。
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vidas
LV.2
19
2014-02-22 20:57
@elio
怎么會這么脆弱呢?我以前實驗一個產品,用就220V直流接觸器的控制線圈和產品的電源進線,纏繞在一起N圈,并且直流接觸器的線圈不并反向二極管,反復開關直流接觸器都沒關系。不知樓主是否只有一塊板,要是設備有幾塊板子,要注意板子之間的連接線。
建議樓主用個最簡單的閃燈程序,做實驗看看是否一定是硬件問題
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candyman
LV.2
20
2014-02-22 20:58
@elio
怎么會這么脆弱呢?我以前實驗一個產品,用就220V直流接觸器的控制線圈和產品的電源進線,纏繞在一起N圈,并且直流接觸器的線圈不并反向二極管,反復開關直流接觸器都沒關系。不知樓主是否只有一塊板,要是設備有幾塊板子,要注意板子之間的連接線。
電磁閥處理一下看看。二極管什么的。一定要在無看門狗的情況下,把問題解決了,才是正確的思路。電感不行,可以換電阻啊。反正大電容加了。另外,測量電源的時候,示波器的探頭地,應該接同一個最大的電容的兩端。不要到處找地接。
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pirate
LV.4
21
2014-02-22 21:03
@elio
怎么會這么脆弱呢?我以前實驗一個產品,用就220V直流接觸器的控制線圈和產品的電源進線,纏繞在一起N圈,并且直流接觸器的線圈不并反向二極管,反復開關直流接觸器都沒關系。不知樓主是否只有一塊板,要是設備有幾塊板子,要注意板子之間的連接線。
樓主的可能是電磁波串入,可以在繼電器的驅動電源上想想法,比如降低驅動前后沿坡度。
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heal
LV.3
22
2014-02-22 21:05
@candyman
電磁閥處理一下看看。二極管什么的。一定要在無看門狗的情況下,把問題解決了,才是正確的思路。電感不行,可以換電阻啊。反正大電容加了。另外,測量電源的時候,示波器的探頭地,應該接同一個最大的電容的兩端。不要到處找地接。
跟第一批比一下看區別,有時候就一點小細節問題,沒發現
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god_father
LV.3
23
2014-02-22 21:07
@pirate
樓主的可能是電磁波串入,可以在繼電器的驅動電源上想想法,比如降低驅動前后沿坡度。

LZ說過MCU用銅皮屏蔽了.若此屏蔽完善,那么干擾是從管腳進入的.即傳導進入MCU.對于此問題,用最簡單的辦法就應該行吧:1

1)電源線上磁珠+0.01u電容;

2)復位線上用0.01u并上.

3)各引出腳.....

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god_father
LV.3
24
2014-02-22 21:07
@god_father
LZ說過MCU用銅皮屏蔽了.若此屏蔽完善,那么干擾是從管腳進入的.即傳導進入MCU.對于此問題,用最簡單的辦法就應該行吧:11)電源線上磁珠+0.01u電容;2)復位線上用0.01u并上.3)各引出腳.....
當然78XX的輸入端也要接CLC,再到地并二極管.
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soap泡泡
LV.4
25
2014-02-22 21:09
@heal
跟第一批比一下看區別,有時候就一點小細節問題,沒發現
元器件批次不同,其它完全一樣。
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soap泡泡
LV.4
26
2014-02-22 21:10
@daylight
液晶顯示應該好不了的,液晶模塊也會受干擾的。干擾確實是頭痛的問題,用開關電源試試看
我是考慮液晶不用一直刷新,但受干擾確實也有問題,開關電源裝不下的,體積受限。
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matou
LV.3
27
2014-02-22 21:12
@god_father
LZ說過MCU用銅皮屏蔽了.若此屏蔽完善,那么干擾是從管腳進入的.即傳導進入MCU.對于此問題,用最簡單的辦法就應該行吧:11)電源線上磁珠+0.01u電容;2)復位線上用0.01u并上.3)各引出腳.....
看門狗會起作用的,復位周期是2秒,用的硬件看門狗MAX813L。跑飛后2秒左右必定會重啟,沒有看門狗就一直飛著了。
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soap泡泡
LV.4
28
2014-02-22 21:15
@cltwolf
看了您的電路板好暈,看不清楚哪和哪。一、您是否有把+12V和+5V的電源線路完全的隔開了?二、兩個電源的電源布線是否過長導致了回路在電磁環境中形成了天線接收(就無線充電那樣子)?三、哥們,你的電源后面好歹加個電感吧,電磁環干擾大,抗干擾電路起碼給它個基本的配置啊。這個干擾你在示波器看起來是2V,那是無負載,無濾波的情況下產生的。那么內部是什么樣子大家都不知道。
修改PCB布局可以考慮,但改動不會太大,因為整機就一塊線路板,上面有數碼管、按鍵,位置不能變。
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daylight
LV.4
29
2014-02-22 21:17
@god_father
LZ說過MCU用銅皮屏蔽了.若此屏蔽完善,那么干擾是從管腳進入的.即傳導進入MCU.對于此問題,用最簡單的辦法就應該行吧:11)電源線上磁珠+0.01u電容;2)復位線上用0.01u并上.3)各引出腳.....

1.看門狗在中斷里喂確實不好,應在主循環程序里喂。其實也不一定是看門狗動作,而是復位動作。5V電源的高頻擾動時,MCU的復位腳很容易受干擾,可以加大復位PIN的電容。

2。干擾,要么是串擾,要么是空間輻射干擾。相對來說,空間輻射干擾對數字電路影響比較小。因此重點放在串擾上面分析。

3。IO已經通過光耦隔離,可以暫時排除。重點在電源變壓器上面處理。串擾可以通過初次級繞組的層間分布和耦合電容形成通路。建議先用金屬殼DC/DC隔離模塊嘗試一下。再確定下一步如何處理。

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soap泡泡
LV.4
30
2014-02-22 21:18
@elio
怎么會這么脆弱呢?我以前實驗一個產品,用就220V直流接觸器的控制線圈和產品的電源進線,纏繞在一起N圈,并且直流接觸器的線圈不并反向二極管,反復開關直流接觸器都沒關系。不知樓主是否只有一塊板,要是設備有幾塊板子,要注意板子之間的連接線。
只有一塊線路板,全部是插件,沒有貼片元器件。我現在買了三個老式的交流接觸器作為負載在家里測試,基本上動作1000次,會有5次跑飛。我把接觸器與我的控制器拉開距離到1米以上,差不多1000次跑飛一次。我的控制器外殼是鐵殼子,全封閉的。
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金魚1
LV.3
31
2014-02-22 21:19
@soap泡泡
只有一塊線路板,全部是插件,沒有貼片元器件。我現在買了三個老式的交流接觸器作為負載在家里測試,基本上動作1000次,會有5次跑飛。我把接觸器與我的控制器拉開距離到1米以上,差不多1000次跑飛一次。我的控制器外殼是鐵殼子,全封閉的。
電磁閥和單片機控制電路是一個電源么?懷疑是電源瞬時功率不夠·····電磁閥供電端加個大電容試試
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