單片機(jī)的常見輸入輸出電路介紹

針時電氣控制產(chǎn)品的特點(diǎn)，討論了幾種單片機(jī)常用輸入/輸出電路的設(shè)計方法，對合理地設(shè)計電氣控制系統(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。

　　引 言

　　傳統(tǒng)電氣設(shè)備采用的各種控制信號，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。用戶設(shè)備須輸入到單片機(jī)的各種控制信號，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。輸出電路則應(yīng)將單片機(jī)送出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換、放大到現(xiàn)場需要的強(qiáng)輸出信號，以驅(qū)動功率管、電磁閥和繼電器、接觸器、電動機(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

　　一般輸入信號最終會以開關(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)Sl時，發(fā)出的指令信號為低電平，而平時不按下開關(guān)S1時，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，可以將輸人信號提高到+24 V，在單片機(jī)入口處將高電壓信號轉(zhuǎn)換成TTL信號。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。

　　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，D1正向?qū)? V1～VCC出現(xiàn)負(fù)脈沖時，D2反向擊穿;VI與地之間出現(xiàn)正脈沖時，D2反向擊穿;V1與地之間出現(xiàn)負(fù)脈沖時，D3正向?qū)ǎO管起鉗位保護(hù)作用。緩沖電阻RS約為1.5～2.5kΩ，與輸入電容C構(gòu)成積分電路，對外界感應(yīng)電壓延遲一段時間。若干擾電壓的存在時間小于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。輸入端靠光信號耦合，在電氣上做到了完全隔離。同時，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。