簡介：雖然許多文獻都詳細地介紹了單片機的接口技術，但在對大量電控產品進行改造設計時，往往會遇到接口芯片無法解決的問題(如驅動電流大、切換速度慢、抗干擾能力差等)，因此必須尋找替代的電路解決方案。所述幾種輸入輸出電路的廣泛應用表明，它對于合理、可靠地實現單片機電控系統具有很高的工程實用價值。
伴隨著微電子技術和計算機技術的發展，原來以強電、電器為主、功能簡單的電氣設備，發展成為強、弱電結合、數字化特點、功能完善的新型微電子設備。許多場合，出現了越來越多的單片機產品取代傳統的電控產品。單片機屬于存儲器控制系統，其控制功能是通過軟件指令來實現的，其硬件配置也是可變的。所以，一旦生產工藝發生變化，就不必重新設計線型連接裝置，有利于產品的更新換代和訂單生產。
常規電器裝置所使用的各種控制信號，必須將其轉換成與單片機輸入/輸出口匹配的數字信號。用戶設備需通過對單片機各個輸入信號輸入，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關、某些傳感器輸出的開關量等，經過輸入電路轉換成單片機能夠接收和處理的信號。在輸出電路中，將單片機發出的弱電控制信號轉換成強輸出信號，放大到所需輸出信號，從而驅動功率管、電磁閥、繼電器、接觸器、電機等受控設備的執行元件，便于實際控制系統的使用。根據電子控制產品的特點，討論了一些常用的單片機 I/O驅動電路和隔離電路的設計方法，對合理設計電控系統，提高電路的接口能力，增強單片機設計的穩定性和控制板開發抗干擾能力具有實際指導意義。
1、 輸入電路設計
圖1 開關信號輸入
通常的輸入信號最終以開關的形式輸入到單片機，從工程經驗來看，在開關輸入的控制指令有效狀態上，要比用高水平的效果好得多，如圖1所示。在按下開關S1時，所發出的指令信號是低電平，而在日常生活中沒有按下開關S1時，單片機上的輸出電平就是高水平。這種方法具有很強的抗噪聲能力。
如果考慮到 TTL水平電壓較低，在長線傳輸中易受外界干擾，則可將輸入信號升至+24 V，在單片機入口將高電壓信號轉換為 TTL信號。這一高壓傳輸方式不僅提高了抗噪聲能力，而且使開關的觸點接觸良好且工作可靠，如圖2所示。D1為反向電壓大于50 V的保護二極管。
圖2 提高輸入信號電平
圖3 輸入端保護電路
為避免外界尖峰干擾和靜電影響而損壞輸入管腳，可在輸入端添加一個抗脈沖二極管，構成電阻雙向保護電路，如圖3所示。D1、D2、D3的正向導通壓降 UF=0.7 V，反向擊穿電壓 UBR=30 V，無論輸入端出現何種極性破壞電壓，保護電路都能把電壓從 UBR=30 V下降。也就是說，在 VI~ VCC出現正脈沖時，D1前向導通，在 VI~ VCC出現負脈沖時，D2反向擊穿； VI-地之間出現正脈沖，則D3反向擊穿； VI與地之間出現負脈沖時，D3正向導通，二極管起了鉗位保護作用。其緩沖電阻 RS為1.5~2.5 kΩ，并由一個輸入電容 C構成積分電路，并在一定時間內對外界感應電壓延遲。如果擾動電壓的存在時間小于θ，則輸入端所承受的有效電壓遠低于其幅值；如果時間過長，則D1導通，在 RS上形成一定的壓降，從而降低輸入電壓值。
另外，一種常用的輸入方式是采用了光耦隔離電路。從圖4可以看出， R作為一個輸入限流電阻，使得光耦中的 LED電流限制在10~20 mA。系統的輸入端通過光信號進行耦合，實現電氣完全隔離。由于受到外部干擾時， LED的前向阻抗值較低，而外部干擾源的內阻一般較高，根據分壓原理，干擾源能饋送到輸入端干擾噪聲很小，不會產生地線干擾或其他串擾，增強電路的抗干擾能力。
圖4 輸入端光耦隔離
在滿足功能的前提下，提高單片機輸入端可靠性最簡單的方案是： 在輸入端與地之間并聯一只電容來吸收干擾脈沖，或串聯一只金屬薄膜電阻來限制流入端口的峰值電流。
2、 輸出電路設計
單片機輸出端口受驅動能力的限制，一般情況下均需專用的接口芯片。其輸出雖因控制對象的不同而千差萬別，但一般情況下均滿足對輸出電壓、電流、開關頻率、波形上升下降速率和隔離抗干擾的要求。在此討論幾種典型的單片機輸出端到功率端的電路實現方法。
2.1 直接耦合
在采用直接耦合的輸出電路中，要避免出現圖5所示的電路。
圖5 錯誤的輸出電路
在T1截止、T2傳導期間，為給T2提供足夠的基極電流，R2的阻值必須很小。由于T2是以射極跟隨器方式工作，所以要降低T2損耗，就必須把T2電壓降控制在很小的范圍內。這種情況下，集電壓也很小，電阻R2阻值很小，足以提供足夠的基極電流。R2阻值太大，會大大增加T2壓降，導致T2嚴重發熱。而且T2截止時T1必須導通，高壓+15 V全部降到R2上，產生的電流很大，顯然是不合理的。此外，T1的導通將使單片機輸出的高電壓拉低到接近地電位附近，導致輸出端不穩定。T2基極被T1拉向地電位，若其后接上感性負載，T2發射極可能因繞組反電勢的作用而產生高電平，易造成T2管基射結反擊穿。
圖6是由T1和T2組成耦合電路的直接耦合輸出電路，以驅動T3。T1導通時，在R3、R4的串聯電路中產生電流，R3的電壓比T2晶體管的基射結壓降大，促使T2導通，T2提供功率管T3的基極電流，使T3變為導通狀態。T1輸入在平時較低時，T1截止，R3上壓降為零，T2截止，最后T3截止。R5的作用是：一方面作為T2集電極的負載，另一方面，在T2截止時，存儲在T3基極上的電荷可以通過R3快速釋放，從而加快T3的截止速度，從而降低損耗。
圖6 直接耦合輸出電路
2.2 TTL或CMOS器件耦合
如圖7 (a)所示，如果單片機通過 TTL或 CMOS芯片輸出，一般都要使用集電極開路的器件。集極開路裝置通過集電極負載電阻R1連接到+15 V電源，提升驅動電壓。但是需要注意的是，這類電路的開關速度較低，如果用它直接驅動功率管，則在后續電路中由于功率管的相位關系，會影響功率管的上升時間，使功率管的動態損耗增大。
在圖7 (b)和圖7 (c)中，可以用兩種改進的輸出電路來提高開關速度。圖7 (b)是一種改進的電路，在 TTL輸出高電平時，輸出點通過晶體管T1獲得電壓和電流，充電能力提高，從而加快開通速度，同時還降低了集電極開路 TTL器件的功耗。用圖7 (c)為改進的推挽式電路，采用此種電路不僅能提高開斷時的速度，還能提高關斷時的速度。輸出晶體管T1作為射極跟隨器工作，不會出現飽和現象，因此不影響輸出開關頻率。
圖7 TTL或CMOS器件輸出電路
2.3 脈沖變壓器耦合
脈沖式變壓器是典型的電磁隔離元件，單片機輸出的開關信號轉化為一個頻率很高的載波信號，通過脈沖變壓器耦合到輸出級。因為脈沖變壓器原副邊線圈之間沒有電路連接，所以輸出為電平浮動信號，可直接與功率管等強電元件耦合，如圖8所示。
圖8 脈沖變壓器輸出電路
這樣的電路必須具有脈沖源，其頻率為載波頻率，至少要比單片機輸出頻率高10倍以上。該脈沖源的輸出脈沖進入控制門 G，另一端則輸入單片機輸出信號。在正常情況下，當單片機輸出高電平時， G門打開，輸出脈沖進入變壓器，變壓器的副線圈輸出與原邊相同頻率的脈沖，經過二極管D1、D2檢波，再經濾波還原為開關信號，送入功率管。單片微機輸出低電平時， G門關閉，脈沖源無法通過 G門進入變壓器，變壓器沒有輸出。
在這種情況下，變壓器不僅能傳輸信號，還能提高脈沖源的頻率，有利于降低變壓器的重量。因為變壓器可以通過調節電感量、原副邊匝數等來適應不同驅動功率的需要，因此使用靈活。此外，變壓器原副邊線圈之間并無電氣連接，而副線圈輸出信號可隨功率元件電壓波動而波動，不受電源大小的影響。
當單片機輸出較高頻率的脈沖信號時，可以不采用脈沖源和G門，對變壓器原副邊電路作適當調整即可。
2.4 光電耦合
光耦聯用可傳送線性信號或開關信號，在輸出級應用中主要用于傳輸開關信號。在圖9中可以看到，單片機輸出控制信號經過7407放大后進入光耦。R2是光耦輸出晶體管的負載電阻，它的選擇應保證：在光耦導通時，其輸出晶體管穩定飽和；光耦截止時，T1可靠飽和。但是，光耦響應速度的緩慢導致開關延遲延長，限制了其使用頻率。
圖9 光耦輸出電路
結語
雖然許多文獻都詳細地介紹了單片機的接口技術，但在對大量電控產品進行改造設計時，往往會遇到接口芯片無法解決的問題(如驅動電流大、切換速度慢、抗干擾能力差等)，因此必須尋找替代的電路解決方案。所述幾種輸入輸出電路的廣泛應用表明，它對于合理、可靠地實現單片機電控系統具有很高的工程實用價值。
