单片机系统的常用输入_输出电路设计
单片机系统的常用输入/输出电路设计
台州职业技术学院 潘海燕化明松 摘 要
针对电气控制产品的特点,讨论了几种单片机常用输入/输出电路的设计方法,对合理地设计电气控制系
统,提高电路的接口能力,增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。
关键词单片机 输入/输出电路 电气控制
引 言
随着微电子技术和计算机技术的发展,原来以强电和
电器为主、功能简单的电气设备发展成为强、弱电结合,具
有数字化特点、功能完善的新型微电子设备。在很多场
合,已经出现了越来越多的单片机产品代替传统的电气控
制产品。属于存储程序控制的单片机,其控制功能通过软
件指令来实现,其硬件配置也可变、易变。因此,一旦生产
过程有所变动,就不必重新设计线路连线安装,有利于产
品的更新换代和订单式生产。
传统电气设备采用的各种控制信号,必须转换到与单
片机输入/输出口相匹配的数字信号。用户设备须输入到
单片机的各种控制信号,如限位开关、操作按钮、选择开
关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等,通过
输入电路转换成单片机能够接收和处理的信号。输出电
路则应将单片机送出的弱电控制信号转换、放大到现场需
要的强输出信号,以驱动功率管、电磁阀和继电器、接触
器、电动机等被控制设备的执行元件,能方便实际控制系
统使用。
图1 开关信号输入
1 输入电路设计
一般输入信号最终会以开关形式输入到单片机中,以
工程经验来看,开关输
入的控制指令有效状态
采用低电平比采用高电
平效果要好得多,如图
1如示。当按下开关S1
时,发出的指令信号为
低电平,而平时不按下
开关S1时,输出到单片
机上的电平则为高电
平。该方式具有较强的耐噪声能力。
若考虑到由于T T L电平电压较低,在长线传输中容
易受到外界干扰,可以将输入信号提高到+24V,在单片
机入口处将高电压信号转换成T T L信号。这种高电压传
送方式不仅提高了耐噪声能力,而且使开关的触点接触良
好,运行可靠,如图2所示。其中,D1为保护二极管,反向
电压 50V。
图2 提高输入信号电平
图3 输入端保护电路
为了防止外界尖峰
干扰和静电影响损坏输
入引脚,可以在输入端增
加防脉冲的二极管,形成
电阻双向保护电路,如
图3所示。二极管D1、
D2、D3的正向导通压降
U F 0.7V,反向击穿电
压U BR 30V,无论输入
端出现何种极性的破坏
电压,保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承
受的范围之内。即:V I~V CC出现正脉冲时,D1正向导通;
V I~V CC出现负脉冲时,D2反向击穿;V I与地之间出现正
脉冲时,D3反向击穿;V I与地之间出现负脉冲时,D3正向
导通,二极管起钳位保护作用。缓冲电阻R S约为1.5~
2.5k ,与输入电容C构成积分电路,对外界感应电压延
迟一段时间。若干扰电压的存在时间小于 ,则输入端承受的有效电压将远低于其幅度;若时间较长,则D 1导通,电流在R S 上形成一定的压降,从而减小输入电压值。
图4 输入端光耦隔离
此外,一种常用的输入方式是采用光耦隔离电路。如图4所示,R 为输入限流电阻,使光耦中的发光二极管电流限制在10~20mA 。
输入端靠光信号耦合,在电气上做到了完全隔离。同时,发光二极管的正向阻抗值较低,而外界干扰源的内阻一般较高,根据分压原理,干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小,不会产生地线干扰或其他串扰,增强了电路的抗干
扰能力。
在满足功能的前提下,提高单片机输入端可靠性最简单的方案是:在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲,或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。
图7 TTL 或CM OS 器件输出电路
2 输出电路设计
单片机输出端口受驱动能力的限制,一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别,但一般情况下均满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。
2.1 直接耦合
在采用直接耦合的输出电路中,要避免出现图5所示的电路。
图5 错误的输出电路
T 1截止、T 2导通期间,为了对T 2提供足够的基极电流,R 2的阻值必须很小。因为T 2处于射极跟随器方式工作,因此为了减少T 2损耗,必须将集
射间电压降控制在较小范围内。这样集基间电压也很小,电阻R 2阻值很小才能提供足够的基极电流。R 2阻值过大,会大幅度增加T 2压降,引起T 2发热严重。而在T 2截止期间,T 1必须导通,高压+15V 全部降在电阻R 2上,产生很大的电流,显然是不合理的。另外,T 1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位,
引起输出端不稳定。T 2基极被T 1拉到地电位,若其后接的是感性负载,由于绕组反电势的作用,T 2的发射极可能存在高电平,容易引起T 2管基射结反向击穿。
图6为一直接耦合输出电路,由T 1和T 2组成耦合电路来推动T 3。T 1导通时,在R 3、R 4的串联电路中产生电流,在R 3上的分压大于T 2晶体管的基射结压降,促使T 2导通,T 2提供了功率管T 3的基极电流,使T 3变为导通状态。当T 1输入为低电平时,T 1截止,R 3上压降为零,T 2截止,最终T 3截止。R 5的作用在于:一方面作为T 2集电极的一个负载,另一方面T 2截止时,T 3基极所储存的电荷可以通过电阻R 3迅速释放,加快T 3的截止速度,有利于减小损耗。
图6 直接耦合输出电路
2.2 TTL 或CMOS 器件耦合
若单片机通过T T L 或CM OS 芯片输出,一般均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R 1接至+15V 电源,提升了驱动电压。但要注意的是,这种电路的开关速度低,若用其直接驱动功率管,则当后续电路具有电感性负载时,由于功率管的相位关系,会影响波形上升时间,造成功率管动态损耗增大。
为了改善开关速度,可采用2种改进形式输出电路,如图7(b)和图7(c)所示。图7(b)是能快速开通的改进电路,当T T L 输出高电平时,输出点通过晶体管T 1获得电压和电流,充电能力提高,从而加快开通速度,同时也降低了集电极开路T T L 器件上的功耗。图7(c)为推挽式的改进电路,采用这种电路不但可提高开通时的速度,而且也可提高关断时的速度。输出晶体管T 1是作为射极跟随器工作的,不会出现饱和,因而不影响输出开关频率。
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一种频率很高的载波信号,经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接,所以输出是电平浮动的信号,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
这种电路必须有一个脉冲源,脉冲源的频率是载波频率,应至少比单片机输出频率高10倍以上。脉冲源的输出脉冲送入控制门G,单片机输出信号由另一端输入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,变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲,通过二极管D 1、D 2检波后经滤波还原成开关信号,送入功率管。当单片机输出低电平时,G 门关闭,脉冲源不能通过G 门进入变压器,变压器无输出。
这里,变压器既传递信号,又传送能量,提高了脉冲源的频率,有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同推动功率的要求,所以应用起来比较灵活。更重要的是,变压器原副边线圈之间没有电的联系,副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动,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,可以不采用脉冲源和G 门,对变压器原副边电路作适当调整即可。
2.4 光电耦合
光电耦合可以传输线性信号,也可以传输开关信号,在输出级应用时主要用来传递开关信号。如图9所示,单
片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。R 2为光耦输出晶体管的负载电阻,它的选取应保证:在光耦导通时,其输出晶体管可靠饱和;而在光耦截止时,T 1可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长,限制了其使用频率。
图9 光耦输出电路
结 语
单片机接口技术在很多文献中均有详细的介绍,但在对大量电气控制产品的改造和设计中,经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题(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/输出电路通过广泛的应用表明,其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。
参考文献
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潘海燕,主要研究方向为计算机控制技术。
(收稿日期:2006-10-20)
11 好的F lash 空间中根据1.2小节中的结构体寻找段数据并复制,复制完成后跳转到系统程序入口处。
编者注:实现代码见本刊网站https://www.wendangku.net/doc/4317557682.html, 。
4 结 论
本文介绍了一种基于T M S320C6713系统的软件自
动更新方案。该方案具有实现简单、效率高的优点,且一旦实现后,每次软件更新时无须改动引导程序。目前该方案已应用在国家自然科学基金项目自动指纹识别系统中,收到了非常好的效果。实践表明,本方案具有很好的可移植性,可以在T I 公司的多种DSP 平台上得到应用。
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[4]Brian W Kernighan,Dennis M Ritchie.T he C Programm ing
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符鸿亮(硕士研究生),主要研究方向为图像处理算法在DSP 系统上的实现。
(收稿日期:2006-12-12)