單片機(jī)開關(guān)量的輸出接口

1．輸出口的隔離

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為防止現(xiàn)場強(qiáng)電磁的干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測(cè)控系統(tǒng)，一般采用通道隔離技術(shù)。輸出通道的隔離最常用的組件是光耦合器，簡稱光耦。

光耦合器是以光為媒介傳輸信號(hào)的器件，它把一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏二極管封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，發(fā)光二極管加上正向輸入電壓信號(hào)（》1.1V）就會(huì)發(fā)光，光信號(hào)作用在光敏三極管基極光電流使三極管導(dǎo)通，輸出電信號(hào)。如圖1所示。

圖1 光耦合器 圖2 繼電器輸出接口

光耦合器的輸入電路與輸出電路是絕緣的。一個(gè)光耦合器可以完成一路開關(guān)量的隔離，如果將光耦合器8個(gè)或16個(gè)一起使用，就能實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)或16位數(shù)據(jù)的隔離。

光電耦合器的輸入側(cè)都是發(fā)光二極管，但是輸出側(cè)有多種結(jié)構(gòu)，如光敏晶體管、達(dá)林頓型晶體管、TTL邏輯電路以及光敏可控硅等。光耦合器的具體參數(shù)可查閱有關(guān)的產(chǎn)品手冊(cè)，其主要特性參數(shù)有以下幾個(gè)方面：

①導(dǎo)通電流和截止電流：對(duì)于開關(guān)量輸出場合，光電隔離主要用其線性輸出特性。當(dāng)發(fā)光二極管兩端通以一定電流時(shí)，光耦合器輸出端處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)流過發(fā)光二極管的電流小于某一值時(shí)，光耦合器輸出端截止。不同的光耦合器通常有不同的導(dǎo)通電流，一般典型值為10mA。

②頻率響應(yīng)：由于受發(fā)光二極管和光敏二極管響應(yīng)時(shí)間的影響，開關(guān)信號(hào)傳輸速度和頻率受光耦合器頻率特性的影響。因此，在高頻信號(hào)傳輸中要考慮其頻率特性。在開關(guān)量輸出通道中，輸出開關(guān)信號(hào)頻率一般較低，不會(huì)受光耦合器頻率特性影響。

③輸出端工作電流：是指光耦合器導(dǎo)通時(shí)，流過光敏三極管的額定電流。該值表示了光耦合器的驅(qū)動(dòng)能力，一般為mA量級(jí)。

④輸出端暗電流：是指光耦合器處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)輸出端流過的電流。對(duì)光耦合器來說，此值越小越好，以防止輸出端的誤觸發(fā)。

⑤輸入輸出壓降：分別指發(fā)光二極管和光敏三極管的導(dǎo)通壓降。

⑥隔離電壓：表示了光耦合器對(duì)電壓的隔離能力。

光耦合器二極管側(cè)的驅(qū)動(dòng)可直接用門電路去驅(qū)動(dòng)，一般的門電路驅(qū)動(dòng)能力有限，常用帶OC門的電路（如7406、7407）進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2．繼電器輸出接口

繼電器方式的開關(guān)量輸出，是目前最常用的一種輸出方式，一般在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，往往利用繼電器作為測(cè)控系統(tǒng)輸出至輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)之間的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過該級(jí)繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓直流的過度。如圖2所示，在經(jīng)光耦合器光電隔離后，直流部分給繼電器控制線圈供電，而其輸出觸點(diǎn)則可直接于220V市電相接。由于繼電器的控制線圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的反電勢(shì)，因此在繼電器的線圈上常常反向并聯(lián)一個(gè)二極管用于電感反向放電，以保護(hù)驅(qū)動(dòng)晶體管不被擊穿。不同的繼電器，允許驅(qū)動(dòng)電流也不一樣。對(duì)于需要較大驅(qū)動(dòng)電流的繼電器，可以采用達(dá)林頓輸出的光耦直接驅(qū)動(dòng)；也可以在光耦與繼電器之間再加一級(jí)三極管驅(qū)動(dòng)。

3．雙向晶閘管輸出接口

圖3為MOC3041與雙向晶閘管的接線圖。

圖3 MOC3041與雙向晶閘管的接線圖

雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ?，能在交流、大電流場合使用，且開關(guān)無觸點(diǎn)，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的雙向晶閘管隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，是采用一般的光隔離器和三極管驅(qū)動(dòng)電路?，F(xiàn)在已有與之配套的光隔離器產(chǎn)品。這種器件稱為光耦合雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)器，與一般的光耦不同，在于其輸出部分是一硅光敏雙向晶閘管，有的還帶有過零同負(fù)載電壓使用，如MOV3011用于110V交流，而MOV3041等可適用于220V交流使用，用MOC3000系列光電耦合器直接驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管，大大簡化了傳統(tǒng)的晶閘管隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

4．固態(tài)繼電器輸出接口

固態(tài)繼電器（SSR）是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、CMOS等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅(qū)動(dòng)，因此適宜于在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中作為輸出信道的控制組件。其輸出利用晶體管或晶閘管驅(qū)動(dòng)，無觸點(diǎn)。與普通的電磁式繼電器和磁力開關(guān)相比，具有無機(jī)械噪聲、無抖動(dòng)和回跳、開關(guān)速度快、體積小、重量輕、壽命長、工作可靠等特點(diǎn)，并且耐沖力、抗潮濕、抗腐蝕、因此在微機(jī)測(cè)控等領(lǐng)域中，已逐步取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關(guān)作為開關(guān)量輸出控制器件。

圖4 固態(tài)繼電器內(nèi)部邏輯圖

圖4是固態(tài)繼電器的內(nèi)部邏輯框圖。它由光電耦合電路、觸發(fā)電路、開關(guān)電路、過零控制電路和吸收電路五部分構(gòu)成。這5部分被封裝在一個(gè)六面體外殼內(nèi)，成為一個(gè)整體，外面有四個(gè)引腳（圖中A、B、C、D）。如果是過零型SSR就包括“過零控制電路”部分，而非過零型SSR則沒有這部分電路。

固態(tài)繼電器按其負(fù)載類型分類，可分為直流型和交流型兩類：

1．直流型固態(tài)繼電器

直流型固態(tài)繼電器主要用于直流大功率控制場合。其輸入端為一光耦合電路，因此可用OC門或晶體管直接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流一般3～30mA，輸入電壓為5～30V，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)可選用適當(dāng)?shù)碾妷汉拖蘖?a target="_blank">電阻R。其輸出端為晶體管輸出，輸出電壓30～180V。注意在輸出端為感性負(fù)載時(shí)，要接保護(hù)二極管用于防止直流固態(tài)繼電器由于突然截止所引起的高電壓。

2．交流型固態(tài)繼電器

交流型固態(tài)繼電器分為非過零型和過零型，兩者都是用雙向晶閘管作為開關(guān)器件，用于交流大功率驅(qū)動(dòng)場合。圖5為交流型固態(tài)繼電器的控制波形圖。

（a） 過零型交流固態(tài)繼電器 （b）非過零型交流固態(tài)繼電器

圖5 交流型固態(tài)繼電器的控制波形圖

對(duì)于非過零型SSR，在輸入信號(hào)時(shí)，不管負(fù)載電源電壓相位如何，負(fù)載端立即導(dǎo)通；而過零型必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號(hào)有效時(shí)，輸出端負(fù)載電源才導(dǎo)通，可以抑制射頻干擾。當(dāng)輸入端的控制電壓撤銷后，流過雙向晶閘管負(fù)載電流為零時(shí)才關(guān)斷。

對(duì)與交流型SSR，其輸入電壓為3～32V，輸入電流3～32mA，輸出工作電壓為交流140～400V。幾種交流型SSR的接口電路如圖6所示，其中（a）為基本控制方式，（b）為TTL邏輯控制方式。對(duì)于CMOS控制要再加一級(jí)晶體管電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

（a）基本控制方式 （b）TTL邏輯控制方式

圖6 SSR的驅(qū)動(dòng)方式