文档介绍：单片机系统的常用输入/输出电路设计
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。

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Sl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TTL电平电压较低,在长线传输中容易受到外界干扰,可以将输人信号提高到+24 V,在单片机入口处将高电压信号转换成TTL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≥50 V。

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UF≈ V,反向击穿电压UBR≈30 V,无论输入端出现何种极性的破坏电压,保护电路都能把浚电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。即:VI~VCC出现正脉冲时,D1正向导通;V1~VCC出现负脉冲时,D2反向击穿;VI与地之间出现正脉冲时,D2反向击穿;V1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。~,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t,则输入端承受的有效电压将远低于其幅度;若时间较长,则D1导通。电流在RS上形成一定的压降,从而减小输入电压值。

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10~20 mA。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。

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