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，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，以適配單片機輸入 / 輸出口的數(shù)字信號要求。用戶設(shè)備需要輸入到單片機的各種控制信號，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)換為單片機能夠接收和處理的信號。而輸出電路的作用則是將單片機送出的弱電控制信號進行轉(zhuǎn)換和放大，使其成為現(xiàn)場所需的強輸出信號，從而驅(qū)動功率管、電磁閥、繼電器、接觸器、電動機等被控制設(shè)備的執(zhí)行元件，以滿足實際控制系統(tǒng)的使用需求。針對電氣控制產(chǎn)品的特點，本文將深入探討幾種單片機 I/O 的常用驅(qū)動和隔離電路的設(shè)計方法，這對于合理設(shè)計電氣控制系統(tǒng)、提高電路的接口能力、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力具有重要的實際指導(dǎo)意義。

輸入電路設(shè)計

一般而言，輸入信號最終會以開關(guān)形式輸入到單片機中。從工程經(jīng)驗來看，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。當按下開關(guān) S1 時，發(fā)出的指令信號為低電平，而在平時不按下開關(guān) S1 時，輸出到單片機上的電平則為高電平。這種方式具有較強的耐噪聲能力。
考慮到 TTL 電平電壓較低，在長線傳輸中容易受到外界干擾，我們可以將輸入信號提高到 + 24 V，并在單片機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，還能使開關(guān)的觸點接觸良好，運行更加可靠。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，形成電阻雙向保護電路。無論輸入端出現(xiàn)何種極性的破壞電壓，保護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擾，從而增強了電路的抗干擾能力。在滿足功能的前提下，提高單片機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。

圖 1 開關(guān)信號輸入

圖 2 提高輸入信號電平

圖 3 輸入端保護電路

圖 4 輸入端光耦隔離

輸出電路設(shè)計

單片機輸出端口受驅(qū)動能力的限制，一般情況下均需專用的接口芯片。其輸出雖因控制對象的不同而千差萬別，但一般情況下均需滿足對輸出電壓、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輸出端到功率端的電路實現(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。例如，在某些電路中，當 T1 截止、T2 導(dǎo)通期間，為了對 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)通還會使單片機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 T3。當 T1 導(dǎo)通時，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 T1 輸入為低電平時，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 集電極的一個負載，另一方面 T2 截止時，T3 基極所儲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載電阻 R1 接至 + 15 V 電源，提升了驅(qū)動電壓。但這種電路的開關(guān)速度低，若用其直接驅(qū)動功率管，則當后續(xù)電路具有電感性負載時，由于功率管的相位關(guān)系，會影響波形上升時間，造成功率管動態(tài)損耗增大。為了改善開關(guān)速度，可采用兩種改進形式輸出電路。一種是能快速開通的改進電路，當 TTL 輸出高電平時，輸出點通過晶體管 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電路，采用這種電路不但可提高開通時的速度，而且也可提高關(guān)斷時的速度。輸出晶體管 T1 是作為射極跟隨器工作的，不會出現(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，單片機輸出的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換成一種頻率很高的載波信號，經(jīng)脈沖變壓器耦合到輸出級。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的信號，可以直接與功率管等強電元件耦合。這種電路必須有一個脈沖源，脈沖源的頻率是載波頻率，應(yīng)至少比單片機輸出頻率高 10 倍以上。當單片機輸出高電平時，G 門打開，輸出脈沖進入變壓器，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，送入功率管。當單片機輸出低電平時，G 門關(guān)閉，脈沖源不能通過 G 門進入變壓器，變壓器無輸出。這里，變壓器既傳遞信號，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，副線圈輸出信號可以跟隨功率元件的電壓而浮動，不受其電源大小的影響。當單片機輸出較高頻率的脈沖信號時，可以不采用脈沖源和 G 門，對變壓器原副邊電路作適當調(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，也可以傳輸開關(guān)信號，在輸出級應(yīng)用時主要用來傳遞開關(guān)信號。單片機輸出控制信號經(jīng)緩沖器 7407 放大后送入光耦。R2 為光耦輸出晶體管的負載電阻，它的選取應(yīng)保證：在光耦導(dǎo)通時，其輸出晶體管可靠飽和；而在光耦截止時，T1 可靠飽和。但由于光耦響應(yīng)速度慢使開關(guān)延遲時間加長，限制了其使用頻率。

圖 9 光耦輸出電路
綜上所述，合理設(shè)計單片機 I/O 的驅(qū)動與隔離電路，對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)計方法各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和場景進行選擇和優(yōu)化。