簡(jiǎn)介：雖然許多文獻(xiàn)都詳細(xì)地介紹了單片機(jī)的接口技術(shù)，但在對(duì)大量電控產(chǎn)品進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)遇到接口芯片無法解決的問題(如驅(qū)動(dòng)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(yīng)用表明，它對(duì)于合理、可靠地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)電控系統(tǒng)具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。
伴隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，原來以強(qiáng)電、電器為主、功能簡(jiǎn)單的電氣設(shè)備，發(fā)展成為強(qiáng)、弱電結(jié)合、數(shù)字化特點(diǎn)、功能完善的新型微電子設(shè)備。許多場(chǎng)合，出現(xiàn)了越來越多的單片機(jī)產(chǎn)品取代傳統(tǒng)的電控產(chǎn)品。單片機(jī)屬于存儲(chǔ)器控制系統(tǒng)，其控制功能是通過軟件指令來實(shí)現(xiàn)的，其硬件配置也是可變的。所以，一旦生產(chǎn)工藝發(fā)生變化，就不必重新設(shè)計(jì)線型連接裝置，有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和訂單生產(chǎn)。
常規(guī)電器裝置所使用的各種控制信號(hào)，必須將其轉(zhuǎn)換成與單片機(jī)輸入/輸出口匹配的數(shù)字信號(hào)。用戶設(shè)備需通過對(duì)單片機(jī)各個(gè)輸入信號(hào)輸入，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、某些傳感器輸出的開關(guān)量等，經(jīng)過輸入電路轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接收和處理的信號(hào)。在輸出電路中，將單片機(jī)發(fā)出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)輸出信號(hào)，放大到所需輸出信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)功率管、電磁閥、繼電器、接觸器、電機(jī)等受控設(shè)備的執(zhí)行元件，便于實(shí)際控制系統(tǒng)的使用。根據(jù)電子控制產(chǎn)品的特點(diǎn)，討論了一些常用的單片機(jī) I/O驅(qū)動(dòng)電路和隔離電路的設(shè)計(jì)方法，對(duì)合理設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)，提高電路的接口能力，增強(qiáng)單片機(jī)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和控制板開發(fā)抗干擾能力具有實(shí)際指導(dǎo)意義。
1、 輸入電路設(shè)計(jì)
圖1 開關(guān)信號(hào)輸入
通常的輸入信號(hào)最終以開關(guān)的形式輸入到單片機(jī)，從工程經(jīng)驗(yàn)來看，在開關(guān)輸入的控制指令有效狀態(tài)上，要比用高水平的效果好得多，如圖1所示。在按下開關(guān)S1時(shí)，所發(fā)出的指令信號(hào)是低電平，而在日常生活中沒有按下開關(guān)S1時(shí)，單片機(jī)上的輸出電平就是高水平。這種方法具有很強(qiáng)的抗噪聲能力。
如果考慮到 TTL水平電壓較低，在長(zhǎng)線傳輸中易受外界干擾，則可將輸入信號(hào)升至+24 V，在單片機(jī)入口將高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為 TTL信號(hào)。這一高壓傳輸方式不僅提高了抗噪聲能力，而且使開關(guān)的觸點(diǎn)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(hù)二極管。
圖2 提高輸入信號(hào)電平
圖3 輸入端保護(hù)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(gè)抗脈沖二極管，構(gòu)成電阻雙向保護(hù)電路，如圖3所示。D1、D2、D3的正向?qū)▔航?UF=0.7 V，反向擊穿電壓 UBR=30 V，無論輸入端出現(xiàn)何種極性破壞電壓，保護(hù)電路都能把電壓從 UBR=30 V下降。也就是說，在 VI~ VCC出現(xiàn)正脈沖時(shí)，D1前向?qū)ǎ?VI~ VCC出現(xiàn)負(fù)脈沖時(shí)，D2反向擊穿； VI-地之間出現(xiàn)正脈沖，則D3反向擊穿； VI與地之間出現(xiàn)負(fù)脈沖時(shí)，D3正向?qū)ǎO管起了鉗位保護(hù)作用。其緩沖電阻 RS為1.5~2.5 kΩ，并由一個(gè)輸入電容 C構(gòu)成積分電路，并在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)外界感應(yīng)電壓延遲。如果擾動(dòng)電壓的存在時(shí)間小于θ，則輸入端所承受的有效電壓遠(yuǎn)低于其幅值；如果時(shí)間過長(zhǎng)，則D1導(dǎo)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(gè)輸入限流電阻，使得光耦中的 LED電流限制在10~20 mA。系統(tǒng)的輸入端通過光信號(hào)進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)電氣完全隔離。由于受到外部干擾時(shí)， LED的前向阻抗值較低，而外部干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理，干擾源能饋送到輸入端干擾噪聲很小，不會(huì)產(chǎn)生地線干擾或其他串?dāng)_，增強(qiáng)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(jī)輸入端可靠性最簡(jiǎn)單的方案是： 在輸入端與地之間并聯(lián)一只電容來吸收干擾脈沖，或串聯(lián)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(shè)計(jì)
單片機(jī)輸出端口受驅(qū)動(dòng)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(duì)象的不同而千差萬別，但一般情況下均滿足對(duì)輸出電壓、電流、開關(guān)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(jī)輸出端到功率端的電路實(shí)現(xiàn)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(xiàn)圖5所示的電路。
圖5 錯(cuò)誤的輸出電路
在T1截止、T2傳導(dǎo)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(nèi)。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(huì)大大增加T2壓降，導(dǎo)致T2嚴(yán)重發(fā)熱。而且T2截止時(shí)T1必須導(dǎo)通，高壓+15 V全部降到R2上，產(chǎn)生的電流很大，顯然是不合理的。此外，T1的導(dǎo)通將使單片機(jī)輸出的高電壓拉低到接近地電位附近，導(dǎo)致輸出端不穩(wěn)定。T2基極被T1拉向地電位，若其后接上感性負(fù)載，T2發(fā)射極可能因繞組反電勢(shì)的作用而產(chǎn)生高電平，易造成T2管基射結(jié)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(qū)動(dòng)T3。T1導(dǎo)通時(shí)，在R3、R4的串聯(lián)電路中產(chǎn)生電流，R3的電壓比T2晶體管的基射結(jié)壓降大，促使T2導(dǎo)通，T2提供功率管T3的基極電流，使T3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。T1輸入在平時(shí)較低時(shí)，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(fù)載，另一方面，在T2截止時(shí)，存儲(chǔ)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(jī)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(fù)載電阻R1連接到+15 V電源，提升驅(qū)動(dòng)電壓。但是需要注意的是，這類電路的開關(guān)速度較低，如果用它直接驅(qū)動(dòng)功率管，則在后續(xù)電路中由于功率管的相位關(guān)系，會(huì)影響功率管的上升時(shí)間，使功率管的動(dòng)態(tài)損耗增大。
在圖7 (b)和圖7 (c)中，可以用兩種改進(jìn)的輸出電路來提高開關(guān)速度。圖7 (b)是一種改進(jìn)的電路，在 TTL輸出高電平時(shí)，輸出點(diǎn)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(shí)還降低了集電極開路 TTL器件的功耗。用圖7 (c)為改進(jìn)的推挽式電路，采用此種電路不僅能提高開斷時(shí)的速度，還能提高關(guān)斷時(shí)的速度。輸出晶體管T1作為射極跟隨器工作，不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，因此不影響輸出開關(guān)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(jī)輸出的開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)頻率很高的載波信號(hào)，通過脈沖變壓器耦合到輸出級(jí)。因?yàn)槊}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(dòng)信號(hào)，可直接與功率管等強(qiáng)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(jī)輸出頻率高10倍以上。該脈沖源的輸出脈沖進(jìn)入控制門 G，另一端則輸入單片機(jī)輸出信號(hào)。在正常情況下，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí)， G門打開，輸出脈沖進(jìn)入變壓器，變壓器的副線圈輸出與原邊相同頻率的脈沖，經(jīng)過二極管D1、D2檢波，再經(jīng)濾波還原為開關(guān)信號(hào)，送入功率管。單片微機(jī)輸出低電平時(shí)， G門關(guān)閉，脈沖源無法通過 G門進(jìn)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(hào)，還能提高脈沖源的頻率，有利于降低變壓器的重量。因?yàn)樽儔浩骺梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電感量、原副邊匝數(shù)等來適應(yīng)不同驅(qū)動(dòng)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(hào)可隨功率元件電壓波動(dòng)而波動(dòng)，不受電源大小的影響。
當(dāng)單片機(jī)輸出較高頻率的脈沖信號(hào)時(shí)，可以不采用脈沖源和G門，對(duì)變壓器原副邊電路作適當(dāng)調(diào)整即可。
2.4 光電耦合
光耦聯(lián)用可傳送線性信號(hào)或開關(guān)信號(hào)，在輸出級(jí)應(yīng)用中主要用于傳輸開關(guān)信號(hào)。在圖9中可以看到，單片機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)過7407放大后進(jìn)入光耦。R2是光耦輸出晶體管的負(fù)載電阻，它的選擇應(yīng)保證：在光耦導(dǎo)通時(shí)，其輸出晶體管穩(wěn)定飽和；光耦截止時(shí)，T1可靠飽和。但是，光耦響應(yīng)速度的緩慢導(dǎo)致開關(guān)延遲延長(zhǎng)，限制了其使用頻率。
圖9 光耦輸出電路
結(jié)語
雖然許多文獻(xiàn)都詳細(xì)地介紹了單片機(jī)的接口技術(shù)，但在對(duì)大量電控產(chǎn)品進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)遇到接口芯片無法解決的問題(如驅(qū)動(dòng)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(yīng)用表明，它對(duì)于合理、可靠地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)電控系統(tǒng)具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。
