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(guò)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(chǎng)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。

　　1 輸入電路設(shè)計(jì)

　　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(lái)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)Sl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(zhǎng)線傳輸中容易受到外界干擾,，可以將輸人信號(hào)提高到+24V,，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≥50V,。

　　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(wú)論輸入端出現(xiàn)何種極性的破壞電壓,，保護(hù)電路都能把浚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)? V1～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),，D2反向擊穿;V1與地之間出現(xiàn)負(fù)脈沖時(shí)，D3正向?qū)ǎ?font class="f14">二極管起鉗位保護(hù)作用,。緩沖電阻RS約為1.5～2.5kΩ,，與輸入電容C構(gòu)成積分電路，對(duì)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t,，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(zhǎng)，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,。

　　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(lái)吸收干擾脈沖，或串聯(lián)一只金屬薄膜電阻來(lái)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(wàn)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,。

　　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。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(guò)大,，會(huì)大幅度增加T2壓降,，引起T2發(fā)熱嚴(yán)重。而在L2 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(shì)的作用,，T2的發(fā)射極可能存在高電平,，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(lái)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(guò)電阻R3迅速釋放,，加快T3的截止速度，有利于減小損耗,。

　　2.2 TTL或CMOS器件耦合

　　若單片機(jī)通過(guò)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(guò)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(guò)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。

　　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,。

　　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人控制門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(guò)二報(bào)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(guò)G門進(jìn)入變壓器,，變壓器無(wú)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(guò)調(diào)整電感量、原副邊匝數(shù)等來(lái)適應(yīng)不同推動(dòng)功率的要求,，所以應(yīng)用起來(lái)比較靈活,。更重要的是，變壓器原副邊線圈之闖沒有電的聯(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。

　　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(lái)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),，Tl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,。

　　結(jié)語(yǔ)

　　上述幾種輸入/輸出電路通過(guò)廣泛的應(yīng)用表明.其對(duì)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,。