單片機(jī)第12章課件

第12章MCS-51的功率接口設(shè)計(jì)要用單片機(jī)控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵、繼電器、燈泡等，不能用單片機(jī)的I/O線來(lái)直接驅(qū)動(dòng)，而必須通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)電路和開(kāi)關(guān)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。另外，與強(qiáng)電隔離和抗干擾，有時(shí)需加接光電耦合器。稱此類接口為MCS-51的功率接口。12.1 MCS-51的輸出驅(qū)動(dòng)能力及其外圍集成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路

12.1.1 MCS-51片內(nèi)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，控制對(duì)象是電磁繼電器、電磁開(kāi)關(guān)或可控硅、固態(tài)繼電器和功率電子開(kāi)關(guān)。

能否用MCS-51片內(nèi)的I/O口直接驅(qū)動(dòng)它們呢？P0、P1、P2、P3四個(gè)口都可做輸出口，但其驅(qū)動(dòng)能力不同。P0口的驅(qū)動(dòng)能力較大，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，可提供400A的電流；當(dāng)其輸出低電平（0.45V）時(shí)，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平允許提高，灌電流可相應(yīng)加大。P1、P2、P3口的每一位只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL，即可提供的電流只有P0口的一半。所以，任何一個(gè)口要想獲得較大的驅(qū)動(dòng)能力，只能用低電平輸出。8031通常要用P0、P2口作訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器用，所以只能用P1、P3口作輸出口。P1、P3口的驅(qū)動(dòng)能力有限，在低電平輸出時(shí)，一般也只能提供不到2mA的灌電流，通常要加總線驅(qū)動(dòng)器或其它驅(qū)動(dòng)電路。12.1.2外圍集成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路表12-1為常用的外圍集成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)。只要加接合適的限流電阻和偏置電阻，即可直接由TTL、MOS以及CMOS電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，必須加接限流電阻或箝位二極管。此外，有些驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部有邏輯門電路，可以完成與、與非、或以及或非的邏輯功能。例12-1

慢開(kāi)啟的白熾燈驅(qū)動(dòng)電路圖12-1為慢開(kāi)啟白熾燈驅(qū)動(dòng)電路，白熾燈的延時(shí)開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)短取決于時(shí)間常數(shù)RC。此電路能直接驅(qū)動(dòng)工作電壓小于30V、額定電流小于500mA的任何燈泡。例12-2大功率音頻振蕩器圖12-2電路能直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)大功率的揚(yáng)聲器，可用于報(bào)警系統(tǒng)，改變電阻或電容的值便能改變電路的振蕩頻率。電路中的兩個(gè)齊納二極管IN751A用于輸入端的保護(hù)。例12-3驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載電路如圖12-3所示。ULN2068芯片具有四個(gè)大電流達(dá)林頓開(kāi)關(guān)，能驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)1.5A的負(fù)載。由于ULN2068在25℃時(shí)功耗達(dá)2075mW，因而使用時(shí)一定要加散熱板。

12.2MCS-51的開(kāi)關(guān)型功率接口常用的開(kāi)關(guān)型驅(qū)動(dòng)器件有，光電耦合器、繼電器、晶閘管、功率MOS管、集成功率電子開(kāi)關(guān)、固態(tài)繼電器等。12.2.1MCS-51與光電耦合器的接口1.晶體管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口

光電晶體管除沒(méi)有使用基極外,跟普通晶體管一樣。取代基極電流的是以光作為晶體管的輸入。當(dāng)光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)，光電晶體管受光的影響在cb間和ce間有電流流過(guò)，這兩個(gè)電流基本上受光的照度控制，常用ce極間的電流作為輸出電流，輸出電流受Vce的電壓影響很小。4N25使兩部分的電流信號(hào)獨(dú)立。輸出部分的地線接機(jī)殼或接大地，而8031系統(tǒng)的電源地線浮空，不與交流電源的地線相接。可避免輸出部分電源變化對(duì)單片機(jī)電源的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。4N25輸入輸出端的最大隔離電壓＞2500V。光電耦合器也常用于較遠(yuǎn)距離的信號(hào)隔離傳送。(1)可以起到隔離兩個(gè)系統(tǒng)地線的作用，使兩個(gè)系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立，消除地電位不同所產(chǎn)生的影響。(2)光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式。由于電流環(huán)電路是低阻抗電路，它對(duì)噪音的敏感度低，因此提高了通訊系統(tǒng)的抗干擾能力。圖12-5用光電耦合器組成的電流環(huán)發(fā)送和接收電路。圖12-5電路可以用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，最大速率為50Kb/s，最大傳輸距離為900米。環(huán)路連線的電阻對(duì)傳輸距離影響很大，此電路中環(huán)路連線電阻不能大于30Ω，當(dāng)連線電阻較大時(shí)，100Ω的限流電阻要相應(yīng)減小。光電耦合管使用TIL110，開(kāi)關(guān)速度比4N25快。表12-2(P319)為常用的晶體管輸出型光電耦合器，供選用光電耦合器參考。2.晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當(dāng)光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時(shí)，晶閘管即導(dǎo)通。有的光電耦合器的輸出端還配有過(guò)零檢測(cè)電路，用于控制晶閘管過(guò)零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響。4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器。當(dāng)輸入端12.2.2MCS-51與繼電器的接口1.直流電磁式繼電器功率接口一般用功率接口集成電路或晶體管驅(qū)動(dòng)。在使用較多繼電器的系統(tǒng)中，可用功率接口集成電路驅(qū)動(dòng)，例如SN75468，一片SN75468可驅(qū)動(dòng)7個(gè)繼電器，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500mA，輸出端最大工作電壓為100V。常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。圖12-7是直流繼電器的接口電路。繼電器的動(dòng)作由單片機(jī)8031的P1.0端控制。P1.0端輸出低電平時(shí)，繼電器J吸合；P1.0端輸出高電平時(shí)，繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時(shí)不吸合。

2.交流電磁式接觸器的功率接口繼電器中切換電路能力較強(qiáng)的電磁式繼電器稱為接觸器。接觸器的觸點(diǎn)數(shù)一般較多。交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電,所以通常使用雙向晶閘管驅(qū)動(dòng)或使用一個(gè)直流繼電器作為中間繼電器控制。圖12-8是交流接觸器的接口電路圖。

交流接觸器C由雙向晶閘管KS驅(qū)動(dòng)。雙向晶閘管的選擇要滿足：額定工作電流為交流接觸器線圈工作電流的2～3倍；額定工作電壓為交流接觸器線圈工作電壓的2～3倍。對(duì)于工作電壓220V的中、小型的交流接觸器，可以選擇3A、600V的雙向晶閘管。光電耦合器MOC3041的作用是觸發(fā)雙向晶閘管KS以及隔離單片機(jī)系統(tǒng)和接觸器系統(tǒng)。MOC3041的輸入端接7407，由單片機(jī)8031的P1.0端控制。P1.0輸出低電平時(shí)，雙向晶閘管KS導(dǎo)通,接觸器C吸合。P1.0輸出高電平時(shí),雙向晶閘管KS關(guān)斷，接觸器C釋放。MOC3041內(nèi)部帶有過(guò)零控制電路，因此雙向晶閘管KS工作在過(guò)零觸發(fā)方式。接觸器動(dòng)作時(shí)，電源電壓較低，這時(shí)接通用電器，對(duì)電源的影響較小。12.2.3MCS-51與晶閘管的接口1.單向晶閘管晶閘管習(xí)慣上稱可控硅（整流元件），英文名為SiliconControlledRectifier，簡(jiǎn)寫成SCR，這是一種大功率半導(dǎo)體器件，它既有單向?qū)щ姷恼髯饔?，又有可以控制的開(kāi)關(guān)作用。利用它可用較小的功率控制較大的功率。在交、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動(dòng)系統(tǒng)和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等方面均獲得廣泛的應(yīng)用，如下圖示，有三個(gè)電極：陽(yáng)極A、陰極C、控制極（門極）G。采用兩個(gè)器件反并聯(lián)，以保證電流能沿正反兩個(gè)方向流通。如把兩只反并聯(lián)的SCR制作在同一片硅片上，便構(gòu)成雙向可控硅，控制極共用一個(gè)，使電路大大簡(jiǎn)化，其特性如下：①控制極G上無(wú)信號(hào)時(shí)，A1、A2之間呈高阻抗，管子截止。②VA1A2＞1.5V時(shí)，不論極性如何，便可利用G觸發(fā)電流控制其導(dǎo)通。③工作于交流時(shí)，當(dāng)每一半周交替時(shí)，純阻負(fù)載一般能恢復(fù)截止；但在感性負(fù)載情況下，電流相位滯后于電壓，電流過(guò)零，可能反向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓，使管子反向?qū)?。所以，要求管子能承受這種反向電壓，而且一般要加RC吸收回路。④A1、A2可調(diào)換使用，觸發(fā)極性可正可負(fù)，但觸發(fā)電流有差異。雙向可控硅經(jīng)常用作交流調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)溫和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，過(guò)去其觸發(fā)脈沖一般都用硬件產(chǎn)生，故檢測(cè)和控制都不夠靈活，而在單片機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)中則經(jīng)常可利用軟件產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。3.光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器是單片機(jī)輸出與雙向可控硅之間較理想的接口器件，由兩部分組成，輸入部分是一砷化鎵發(fā)光二極管，該二極管在