几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路设计方法

随着微电子技术和计算机技术的发展，原来以强电、功能简单的电器为主的电气设备已发展成为强弱电相结合的具有数字化特点、功能齐全的新型微电子设备。在很多场合下，越来越多的单片机产品出现替代传统的电控产品。它属于由存储程序控制的单片机。它的控制功能是通过软件指令来实现的，它的硬件配置也是可变的和易变的。因此，一旦生产流程发生变化，无需重新设计布线和安装，有利于产品更新换代和订单化生产。

传统电气设备使用的各种控制信号必须转换成与单片机输入/输出端口相匹配的数字信号。用户设备必须向单片机输入各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及传感器输出的其他开关等，并转换成单片机控制的信号。可以通过输入电路接收和处理。输出电路应将单片机发出的微弱电流控制信号转换放大为现场所需的强输出信号，驱动功率管、电磁阀、继电器、接触器、电机等被控设备的执行元件，方便实际控制系统。. 针对电控产品的特点，本文讨论了几种常见的单片机I/O驱动和隔离电路的设计方法。指导意义。

1、 输入电路设计

图1 开关量信号输入

一般输入信号最终都会以开关的形式输入到单片机中。根据工程经验，使用低电平比使用高电平，开关输入的控制指令的有效状态要好得多，如图1所示。当按下开关S1时，发出的指令信号为低电平电平，平时不按下开关S1时，输出到单片机的电平为高电平。这种方法具有很强的抗噪能力。

考虑到由于TTL电平电压低，长期传输时容易受到外界干扰，可将输入信号提高到+24V，将高压信号转为TTL信号单片机的入口。这种高压传输方式不仅提高了抗噪声能力，而且使开关的触点接触良好，工作可靠，如图2所示。其中，D1为保护二极管，反向电压≥50五。

图 2 增加输入信号电平

图 3 输入保护电路

为防止外部尖峰干扰和静电影响损坏输入管脚，可在输入端加防脉冲二极管，构成电阻双向保护电路，如图3所示。二极管D的正向压降1、D2、D3为UF≈0.7 V，反向击穿电压UBR≈30 V，无论输入电压发生何种极性损坏，保护电路都能将电压幅值限制在输入端能承受的范围内。即：当VI到VCC之间出现正脉冲时，D1正向导通；当VI到VCC出现负脉冲时，D2反向击穿；当VI与地之间出现正脉冲时，D3反向击穿；VI与地之间当出现负脉冲时，D3正向导通，二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5～2.5 kΩ，与输入电容C形成积分电路，将感应电压延迟一段时间后向外输出。如果干扰电压的存在时间小于τ，输入端的有效电压将远低于其幅值；如果时间较长，D1导通，电流在RS上形成一定的压降，从而降低输入电压值。输入端的有效电压将远低于其幅值；如果时间较长，D1导通，电流在RS上形成一定的压降，从而降低输入电压值。输入端的有效电压将远低于其幅值；如果时间较长，D1导通，电流在RS上形成一定的压降，从而降低输入电压值。

此外，一种常见的输入方式是使用光耦隔离电路。如图4所示，R为输入限流电阻，将光耦中的发光二极管电流限制在10-20mA。输入端采用光信号耦合，完全电气隔离。同时，发光二极管的正向阻抗值较低，外部干扰源的内阻一般较高。根据分压原理，干扰源可以馈送到输入端的干扰噪声很小，不会出现地线干扰或其他串扰。增强了电路的抗干扰能力。

图4 输入光耦隔离

在满足功能的前提下，提高单片机输入端可靠性的最简单的方案是：在输入端与地之间并联一个电容吸收干扰脉冲，或者连接一个金属膜串联电阻以限制流入端口的峰值电流。

2、 输出电路设计

单片机的输出端口受驱动能力的限制，一般需要专用的接口芯片。虽然它的输出因控制对象的不同而变化很大，但一般都能满足输出电压、电流、开关频率、波形升降率、隔离和抗干扰等要求。讨论从单片机输出端到电源端的几种典型电路实现方法。

2.1 直接耦合

在使用直接耦合的输出电路中，请避免使用图 5 所示的电路。

图 5 错误的输出电路

当T1关断，T2导通时，为了给T2提供足够的基极电流，R2的阻值必须要小。由于T2工作在射极跟随器模式，为了降低T2损耗，集电极和发射极之间的压降必须控制在一个很小的范围内。这样，组与基极之间的电压也很小，电阻R2的阻值很小，可以提供足够的基极电流。如果R2的阻值过大，会大大增加T2的压降，造成T2严重发热。在T2的截止期间，T1必须导通，+15V的高压全部压在电阻R2上，导致电流很大，这显然是不合理的。此外，T1的导通会导致单片机输出的高电平被拉低到接近地电位，导致输出端变得不稳定。T2 的基极被 T1 拉至地电位。如果接感性负载，由于绕组的反电动势，T2的发射极可能会出现高电平，容易造成T2管的基射结反向击穿。

图6为直接耦合输出电路，由T1和T2组成驱动T3。当T1导通时，R3、R4的串联电路中产生电流，R3上的分压器大于T2三极管基射结的压降，使T2导通导通，T2为功率晶体管T3的基极提供电流，使T3导通。当T1输入为低电平时，T1关断，R3上的压降为零，T2关断，最后T3关断。R5的作用是：一方面对T2的集电极起到负载作用；另一方面，当T2关断时，存储在T3基极中的电荷可以通过电阻R3快速释放，加快了T3的关断速度，有利于降低损耗。

图 6 直接耦合输出电路

2.2 TTL 或 CMOS 设备耦合

如果单片机通过TTL或CMOS芯片输出，一般采用集电极开路的器件，如图7(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻 R1 连接到 +15 V 电源，从而提高驱动电压。但需要注意的是，该电路的开关速度较低。如果直接驱动功率管，当后续电路有感性负载时，由于功率管的相位关系，会影响波形上升时间，导致功率管动态损耗。增加。

为了提高开关速度，可以使用两个改进的输出电路，如图 7(b) 和图 7(c) 所示。图 7(b) 是改进后的电路，可以快速开启。当TTL输出为高电平时，输出点通过三极管T1获得电压和电流，提高了充电能力，从而加快了开通速度，减少了集电极开路TTL器件。能量消耗。图7（c）是改进的推挽电路。使用该电路不仅可以提高开通速度，还可以提高关断速度。输出晶体管T1作为射极跟随器工作，不会饱和，因此不会影响输出开关频率。

图7 TTL或CMOS器件输出电路

2.3 脉冲变压器耦合

脉冲变压器是典型的电磁隔离元件。单片机输出的开关信号转换成高频载波信号，通过脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器的初级和次级线圈之间没有电路连接，所以输出的是电平浮动信号，可以直接与功率管等强电元件耦合，如图8所示。

图8 脉冲变压器输出电路

该电路必须有脉冲源两个模拟信号如何同时输入到单片机，脉冲源的频率为载波频率，至少应比单片机的输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送到控制门G，单片机的输出信号从另一端输入到G门。当单片机输出高电平时，G门打开，输出脉冲进入变压器。变压器的次级线圈输出与初级相同频率的脉冲。经二极管D1、D2检测后，滤波恢复为开关信号，送入功率管。当单片机输出低电平时，G门关闭，脉冲源无法通过G门进入变压器，

在这里，变压器传输信号和能量两个模拟信号如何同时输入到单片机，这增加了脉冲源的频率并有助于减轻变压器的重量。由于变压器可以通过调整电感量、初级和次级匝数等来适应不同驱动功率的要求，因此在应用上更加灵活。更重要的是，变压器的初级和次级线圈之间没有电气连接，次级线圈的输出信号可以跟随功率元件的电压浮动，不受其电源大小的影响。

当单片机输出较高频率的脉冲信号时，可以省略脉冲源和G门，适当调整变压器的初级和次级电路。

2.4 光电耦合器

光电耦合既可以传输线性信号，也可以传输开关信号，主要用于输出级应用中传输开关信号。如图9所示，单片机的输出控制信号经缓冲器7407放大后送至光耦。R2为光耦输出三极管的负载电阻，其选择应保证：光耦导通时，其输出三极管可靠饱和；当光耦关断时，T1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢，开关延迟时间延长，限制了其使用频率。

图9 光耦输出电路

结语

单片机的接口技术在很多文献中都有详细介绍，但是在大量电控产品的改造和设计中，经常会遇到接口芯片无法解决的问题（如驱动电流大、开关速度慢，抗干扰）。差等），因此必须寻求另一种电路解决方案。上述几种输入/输出电路已被广泛使用，表明它们对于单片机电气控制系统的合理可靠实现具有很高的工程实用价值。