單片機(jī)I/O的常用驅(qū)動(dòng)與隔離電路的設(shè)計(jì)

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)電和電器為主、功能簡單的電氣設(shè)備發(fā)展成為強(qiáng)、弱電結(jié)合，具有數(shù)字化特點(diǎn)、功能完善的新型微電子設(shè)備。在很多場合，已經(jīng)出現(xiàn)了越來越多的單片機(jī)產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電氣控制產(chǎn)品。屬于存儲(chǔ)程序控制的單片機(jī)，其控制功能通過軟件指令來實(shí)現(xiàn)，其硬件配置也可變、易變。因此，一旦生產(chǎn)過程有所變動(dòng)，就不必重新設(shè)計(jì)線路連線安裝，有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和訂單式生產(chǎn)。

傳統(tǒng)電氣設(shè)備采用的各種控制信號(hào)，必須轉(zhuǎn)換到與單片機(jī)輸入/輸出口相匹配的數(shù)字信號(hào)。用戶設(shè)備須輸入到單片機(jī)的各種控制信號(hào)，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其他一些傳感器輸出的開關(guān)量等，通過輸入電路轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠接收和處理的信號(hào)。輸出電路則應(yīng)將單片機(jī)送出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大到現(xiàn)場需要的強(qiáng)輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)功率管、電磁閥和繼電器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等被控制設(shè)備的執(zhí)行元件，能方便實(shí)際控制系統(tǒng)使用。針對電氣控制產(chǎn)品的特點(diǎn)，本文討論了幾種單片機(jī)I/O的常用驅(qū)動(dòng)和隔離電路的設(shè)計(jì)方法，對合理地設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，提高電路的接口能力，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力有實(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

一般輸入信號(hào)最終會(huì)以開關(guān)形式輸入到單片機(jī)中，以工程經(jīng)驗(yàn)來看，開關(guān)輸入的控制指令有效狀態(tài)采用低電平比采用高電平效果要好得多，如圖1如示。當(dāng)按下開關(guān)S1時(shí)，發(fā)出的指令信號(hào)為低電平，而平時(shí)不按下開關(guān)S1時(shí)，輸出到單片機(jī)上的電平則為高電平。該方式具有較強(qiáng)的耐噪聲能力。

若考慮到由于TTL電平電壓較低，在長線傳輸中容易受到外界干擾，可以將輸入信號(hào)提高到+24 V，在單片機(jī)入口處將高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)。這種高電壓傳送方式不僅提高了耐噪聲能力，而且使開關(guān)的觸點(diǎn)接觸良好，運(yùn)行可靠，如圖2所示。其中，D1為保護(hù)二極管，反向電壓≥50 V。

圖2 提高輸入信號(hào)電平

圖3 輸入端保護(hù)電路

為了防止外界尖峰干擾和靜電影響損壞輸入引腳，可以在輸入端增加防脈沖的二極管，形成電阻雙向保護(hù)電路，如圖3所示。二極管D1、D2、D3的正向?qū)▔航礥F≈0.7 V，反向擊穿電壓UBR≈30 V，無論輸入端出現(xiàn)何種極性的破壞電壓，保護(hù)電路都能把該電壓的幅度限制在輸入端所能承受的范圍之內(nèi)。即：VI～VCC出現(xiàn)正脈沖時(shí)，D1正向?qū)ǎ籚I～VCC出現(xiàn)負(fù)脈沖時(shí)，D2反向擊穿；VI與地之間出現(xiàn)正脈沖時(shí)，D3反向擊穿；VI與地之間出現(xiàn)負(fù)脈沖時(shí)，D3正向?qū)ǎO管起鉗位保護(hù)作用。緩沖電阻RS約為1.5～2.5 kΩ，與輸入電容C構(gòu)成積分電路，對外界感應(yīng)電壓延遲一段時(shí)間。若干擾電壓的存在時(shí)間小于τ，則輸入端承受的有效電壓將遠(yuǎn)低于其幅度；若時(shí)間較長，則D1導(dǎo)通，電流在RS上形成一定的壓降，從而減小輸入電壓值。

此外，一種常用的輸入方式是采用光耦隔離電路。如圖4所示，R為輸入限流電阻，使光耦中的發(fā)光二極管電流限制在10～20 mA。輸入端靠光信號(hào)耦合，在電氣上做到了完全隔離。同時(shí)，發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小，不會(huì)產(chǎn)生地線干擾或其他串?dāng)_，增強(qiáng)了電路的抗干擾能力。

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(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

T1截止、T2導(dǎo)通期間，為了對T2提供足夠的基極電流，R2的阻值必須很小。因?yàn)門2處于射極跟隨器方式工作，因此為了減少T2損耗，必須將集射間電壓降控制在較小范圍內(nèi)。這樣集基間電壓也很小，電阻R2阻值很小才能提供足夠的基極電流。R2阻值過大，會(huì)大幅度增加T2壓降，引起T2發(fā)熱嚴(yán)重。而在T2截止期間，T1必須導(dǎo)通，高壓+15 V全部降在電阻R2上，產(chǎn)生很大的電流，顯然是不合理的。另外，T1的導(dǎo)通將使單片機(jī)高電平輸出被拉低至接近地電位，引起輸出端不穩(wěn)定。T2基極被T1拉到地電位，若其后接的是感性負(fù)載，由于繞組反電勢的作用，T2的****極可能存在高電平，容易引起T2管基射結(jié)反向擊穿。

圖6為一直接耦合輸出電路，由T1和T2組成耦合電路來推動(dòng)T3。T1導(dǎo)通時(shí)，在R3、R4的串聯(lián)電路中產(chǎn)生電流，在R3上的分壓大于T2晶體管的基射結(jié)壓降，促使T2導(dǎo)通，T2提供了功率管T3的基極電流，使T3變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)T1輸入為低電平時(shí)，T1截止，R3上壓降為零，T2截止，最終T3截止。R5的作用在于：一方面作為T2集電極的一個(gè)負(fù)載，另一方面T2截止時(shí)，T3基極所儲(chǔ)存的電荷可以通過電阻R3迅速釋放，加快T3的截止速度，有利于減小損耗。

圖6 直接耦合輸出電路

2.2 TTL或CMOS器件耦合

若單片機(jī)通過TTL或CMOS芯片輸出，一般均采用集電極開路的器件，如圖7(a)所示。集電極開路器件通過集電極負(fù)載電阻R1接至+15 V電源，提升了驅(qū)動(dòng)電壓。但要注意的是，這種電路的開關(guān)速度低，若用其直接驅(qū)動(dòng)功率管，則當(dāng)后續(xù)電路具有電感性負(fù)載時(shí)，由于功率管的相位關(guān)系，會(huì)影響波形上升時(shí)間，造成功率管動(dòng)態(tài)損耗增大。

為了改善開關(guān)速度，可采用2種改進(jìn)形式輸出電路，如圖7(b)和圖7(c)所示。圖7(b)是能快速開通的改進(jìn)電路，當(dāng)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)也降低了集電極開路TTL器件上的功耗。圖7(c)為推挽式的改進(jìn)電路，采用這種電路不但可提高開通時(shí)的速度，而且也可提高關(guān)斷時(shí)的速度。輸出晶體管T1是作為射極跟隨器工作的，不會(huì)出現(xiàn)飽和，因而不影響輸出開關(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)換成一種頻率很高的載波信號(hào)，經(jīng)脈沖變壓器耦合到輸出級(jí)。由于脈沖變壓器原、副邊線圈間沒有電路連接，所以輸出是電平浮動(dòng)的信號(hào)，可以直接與功率管等強(qiáng)電元件耦合，如圖8所示。

圖8 脈沖變壓器輸出電路

這種電路必須有一個(gè)脈沖源，脈沖源的頻率是載波頻率，應(yīng)至少比單片機(jī)輸出頻率高10倍以上。脈沖源的輸出脈沖送入控制門G，單片機(jī)輸出信號(hào)由另一端輸入G門。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，通過二極管D1、D2檢波后經(jīng)濾波還原成開關(guān)信號(hào)，送入功率管。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，G門關(guān)閉，脈沖源不能通過G門進(jìn)入變壓器，變壓器無輸出。

這里，變壓器既傳遞信號(hào)，又傳送能量，提高了脈沖源的頻率，有利于減輕變壓器的體重。由于變壓器可通過調(diào)整電感量、原副邊匝數(shù)等來適應(yīng)不同推動(dòng)功率的要求，所以應(yīng)用起來比較靈活。更重要的是，變壓器原副邊線圈之間沒有電的聯(lián)系，副線圈輸出信號(hào)可以跟隨功率元件的電壓而浮動(dòng)，不受其電源大小的影響。

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，對變壓器原副邊電路作適當(dāng)調(diào)整即可。

2.4 光電耦合

光電耦合可以傳輸線性信號(hào)，也可以傳輸開關(guān)信號(hào)，在輸出級(jí)應(yīng)用時(shí)主要用來傳遞開關(guān)信號(hào)。如圖9所示，單片機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)緩沖器7407放大后送入光耦。R2為光耦輸出晶體管的負(fù)載電阻，它的選取應(yīng)保證：在光耦導(dǎo)通時(shí)，其輸出晶體管可靠飽和；而在光耦截止時(shí)，T1可靠飽和。但由于光耦響應(yīng)速度慢使開關(guān)延遲時(shí)間加長，限制了其使用頻率。

圖9 光耦輸出電路

結(jié)語

單片機(jī)接口技術(shù)在很多文獻(xiàn)中均有詳細(xì)的介紹，但在對大量電氣控制產(chǎn)品的改造和設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)碰到用接口芯片所無法解決的問題（如驅(qū)動(dòng)電流大、開關(guān)速度慢、抗干擾差等），因此必須尋求另一種電路解決方案。上述幾種輸入/輸出電路通過廣泛的應(yīng)用表明，其對合理、可靠地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)電氣控制系統(tǒng)具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。