在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，傳統(tǒng)電氣設(shè)備所采用的各類控制信號(hào)，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，以適配單片機(jī)輸入 / 輸出口的數(shù)字信號(hào)要求。用戶設(shè)備需要輸入到單片機(jī)的各種控制信號(hào)，例如限位開關(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，都要通過輸入電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠接收和處理的信號(hào)。而輸出電路的作用則是將單片機(jī)送出的弱電控制信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，使其成為現(xiàn)場(chǎng)所需的強(qiáng)輸出信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)功率管、電磁閥、繼電器、接觸器、電動(dòng)機(jī)等被控制設(shè)備的執(zhí)行元件，以滿足實(shí)際控制系統(tǒng)的使用需求。針對(duì)電氣控制產(chǎn)品的特點(diǎn)，本文將深入探討幾種單片機(jī) I/O 的常用驅(qū)動(dòng)和隔離電路的設(shè)計(jì)方法，這對(duì)于合理設(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)定性和抗干擾能力具有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

輸入電路設(shè)計(jì)

一般而言，輸入信號(hào)最終會(huì)以開關(guān)形式輸入到單片機(jī)中。從工程經(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更佳。當(dāng)按下開關(guān) S1 時(shí)，發(fā)出的指令信號(hào)為低電平，而在平時(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。這種方式具有較強(qiáng)的耐噪聲能力。
考慮到 TTL 電平電壓較低，在長(zhǎng)線傳輸中容易受到外界干擾，我們可以將輸入信號(hào)提高到 + 24 V，并在單片機(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，還能使開關(guān)的觸點(diǎn)接觸良好，運(yùn)行更加可靠。為了防止外界尖峰干擾和靜電影響損壞輸入引腳，我們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。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)。緩沖電阻 RS 約為 1.5 - 2.5 kΩ，它與輸入電容 C 構(gòu)成積分電路，能夠?qū)ν饨绺袘?yīng)電壓延遲一段時(shí)間。
此外，采用光耦隔離電路也是一種常用的輸入方式。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)_，從而增強(qiáng)了電路的抗干擾能力。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。

圖 1 開關(guān)信號(hào)輸入

圖 2 提高輸入信號(hào)電平

圖 3 輸入端保護(hù)電路

圖 4 輸入端光耦隔離

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，但一般情況下均需滿足對(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，我們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。

直接耦合

在采用直接耦合的輸出電路中，要避免出現(xiàn)不合理的電路設(shè)計(jì)。例如，在某些電路中，當(dāng) T1 截止、T2 導(dǎo)通期間，為了對(duì) T2 提供足夠的基極電流，R2 的阻值必須很小。但在 T2 截止期間，T1 必須導(dǎo)通，高壓 + 15 V 全部降在電阻 R2 上，會(huì)產(chǎn)生很大的電流，這顯然是不合理的。另外，T1 的導(dǎo)通還會(huì)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。
而合理的直接耦合輸出電路，由 T1 和 T2 組成耦合電路來推動(dòng) T3。當(dāng) 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 5 錯(cuò)誤的輸出電路

圖 6 直接耦合輸出電路

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。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，可采用兩種改進(jìn)形式輸出電路。一種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。另一種為推挽式的改進(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

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。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。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(duì)變壓器原副邊電路作適當(dāng)調(diào)整即可。

圖 8 脈沖變壓器輸出電路

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)。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(zhǎng)，限制了其使用頻率。

圖 9 光耦輸出電路
綜上所述，合理設(shè)計(jì)單片機(jī) I/O 的驅(qū)動(dòng)與隔離電路，對(duì)于提高電氣控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。不同的電路設(shè)計(jì)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和場(chǎng)景進(jìn)行選擇和優(yōu)化。