单片机I-O的常用驱动与隔离电路的设计
单片机io口驱动led电路

单片机io口驱动led电路
单片机IO口驱动LED电路是一种常见的电子电路应用。
在这种
电路中,单片机的IO口用来控制LED的亮灭,实现不同的功能。
一
般来说,单片机的IO口输出电流能力有限,因此通常需要外部电路
来驱动LED。
一种常见的单片机IO口驱动LED电路是使用普通的NPN晶体管。
具体电路连接方式如下:
将LED的阳极连接到正极,阴极接地;
单片机的IO口通过一个限流电阻连接到NPN晶体管的基极;
NPN晶体管的发射极接地,集电极连接LED的阴极。
当单片机的IO口输出高电平时,NPN晶体管导通,LED亮起;
当IO口输出低电平时,NPN晶体管截止,LED熄灭。
这样就实现了
单片机IO口对LED的控制。
另外,为了保护单片机,还可以在IO口和NPN晶体管之间加上
一个限流电阻,限制电流的大小,防止对单片机的损坏。
此外,还可以使用集成的LED驱动芯片,如常见的ULN2003芯片,它能够为LED提供更大的驱动能力,同时还具有过流保护功能,能够保护单片机不受损坏。
总的来说,单片机IO口驱动LED电路的设计需要考虑到单片机
的输出电流能力、LED的工作电流、保护单片机的安全性等因素,
选用合适的驱动电路方案,以实现可靠的LED控制功能。
为什么单片机的IO口需要驱动?

为什么单片机的I/O口需要驱动呢?这个问题需要从I/O口的电气特性上进行解释。
首先,给出单片机典型的I/O口,即P1口电气结构图,如图所示。
P1口通常是作为通用I/O口使用,不需要多路转换电路MUX。
其输出级电路内部有上拉电阻,与场效应管共同组成输出驱动电路。
因此,P1口作为输出时,不需要再外接上拉电阻,而当P1口作为输入口使用时,仍然需要先向锁存器写“1”,截止场效应管。
内部上拉电阻阻值很大,经过测量大致在330KΩ左右,而内部电源Vcc仅仅+5V,这样以P1.X高电平驱动发光二极管为例,场效应管截止,相当于Vcc通过330KΩ的电阻向二极管提供电流,5/330*10-3=0.015mA,而二极管的点亮电流为5mA至10mA,这就说明单片机的端口只是驱动TTL电平,不提供或提供很小的驱动电流,所以在带负载时,单片机应当在I/O口加上驱动芯片。
单片机教材_第4章I-O接口及应用

第四章 I/O接口及应用4.1 并行接口概述当单片机用来控制一个设备时,首先要知道设备的状态,其次是要能控制设备运行。
例如用单片机控制自动门。
首先单片机要检测(输入)自动门的开启或关闭命令,当收到开启或关闭命令时,发出(输出)开启或关闭控制指令,在开启或关闭自动门的过程中,要检测门是否开启或关闭到位(输入),到位后要发出停止信号(输出)。
所以单片机必定要有输入与输出引脚。
几乎所有单片机都设计有并行输入、输出接口。
并行输入、输出接口一般为8位。
通过一条输入指令可以一次读取8个引脚的状态,组成一个字节的数据,称为并行输入;通过一条输出指令可以将一个字节的数据送到8个引脚上,称为并行输出。
并行输入接口一般用来采集外部数据;并行输出接口用来输出控制信息。
4.1.1 并行输入工作原理并行输入接口中某一位的简化接口电路如图4-1所示:引脚的状态取决于外部电路,缓ATmega16有四个8位的并行输入/输出接口,分别为PA、PB、PC和PD,对应的引脚是PA0~PA7 、PB0~PB7、PC0~PC7和PD0~PD7。
每一个引脚的简化接口电路如图4-3所示:由输入电路、输出电路及方向选择控制电路组成。
输出锁存器、三态驱动器、三态门1、上拉管组成输出电路(等效为图4-2所示的输出电路);缓冲器、三态门2组成输入电路(等效为图4-1所示的输入电路);方向锁存器、三态门3、与非门组成方向控制电路。
当方向锁存器Q端为低电平时,三态驱动器控制为高阻抗状态,输出无效,引脚状态由外部电路及上拉管控制。
输出锁存器Q端为0时,上拉管截止;输出锁存器Q端为1时,上拉管作上拉电阻用。
可通过RP端控制读取引脚信号。
当方向锁存器Q端为高电平时,三态驱动器控制为导通状态,输出引脚状态与输出锁存器的Q端状态相同,电路等效为图4-2所示的输出电路,工作原理同并行输出。
C语言编程时,在头文件<mega16.h>中定义了一些与I/O接口有关的特定变量,每一个特定变量对应单片机内部的一个特殊功能寄存器,用大写字母书写。
第4章 80C51单片机IO端口及应用最终

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参考程序:
#include <reg51.h> void main(void) { unsigned char i; P2=0xff; for(;;) { i=P2; P1=i; } }
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4.6单片机I/O口控制电磁继电器
在控制系统中,常常存在电子电路与电气电路的互 相连接问题,需要电子电路控制电气电路的执行元件, 例如电动机、电磁铁、电灯等,同时实现电子线路与电 气电路的电隔离,以保护电子电路和人身的安全,继电 器在其中起了重要的桥梁作用。
控制
T1
内部总线 写锁存器 读引脚
D P0.x Q 锁存器 Q
BUF2
MUX
P0.x引脚 T2
图4-1 P0口的位电路结构
4
2.P0口工作原理 (1)P0口作为地址/数据总线分时复用口
当80C51单片机外部扩展存储器或者I/O接口芯片,需要 P0口作为地址/数据总线分时使用时,“控制”信号输出高 电平;转换开关MUX 将T2与反相器输出端接通,同时“与 门”开锁,“地址或数据”信号通过与门驱动T1管,并通过 反相器驱动T2管,使得P0.x引脚的输出状态随“地址/数据” 状态的变化而变化。具体输出过程如下。
注意,当P0口作输出口使用时,输出级属开漏电路,在 P0.x引脚应外接上拉电阻。
6
② P0口作为I/O口输入时,端口中的两个三态缓冲器用于读 操作。有2种读操作:读锁存器和读引脚。
“读引脚”:当执行一般的端口输入指令时,引脚上的外部 信号既加在三态缓冲器BUF2的输入端,又加在场效应管T2 漏极上,若此时T2导通,则引脚上的电位被钳在0电平上。 为使读引脚能正确地读入,在输入数据时,要先向锁存器置 “1”,使其Q反端为0,使输出级T1和T2两个管子均被截止, 引脚处于悬浮状态;作高阻抗输入。“读引脚”脉冲把三态 缓冲器打开,于是引脚上的数据经缓冲器到内部总线;
单片机I/O驱动与隔离电路的设计

2 . Qi n g h a i S h i j i I C T C o . L t d , Qi n g h a i 8 1 0 0 0 2 , C h i n a . )
Ab s t r ac t : M CU i n t er f ac e t e c hn ol o g y i n m an y d oc u m en t s wa s i n t r o du c ed i n de t ai I .Bu t i n t h e d e s i g n an d mo di f i c a t i o n o f a l ar g e nu mb er o f el e c t r i c p r o du c t s。we o f t en f i n d t h a t t h e i n t e r f a c e c h i p c a n n o t s o l v e t h e p r ob l e m, s u c h a s d r i v i n g c u r r e n t ,s wi t c h i n g s p e e d, p o o r a n t i -
o f s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r i n e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m. Ke y wor d s :a p pl i c a t i on o f i n t e g r a t e d c i r c u i t , s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t er , c o u p l i n g c i r c u i t 1引言
,
( 1 . S c h o o l o f c o mp u t N o r ma l Un i v e r s i t y , Qi n g h a i 8 1 0 0 0 8 , Ch i n a .
基于I_O方式的单片机在UPS实时控制中的应用

第32卷第6期2000年12月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing U niversity of Aeronautics&AstronauticsV ol.32N o.6 Dec.2000基于I/O方式的单片机在U PS实时控制中的应用马维华(南京航空航天大学计算机科学与工程系 南京,210016)摘要 采用基于I/O方式的内部自带O T P(O nly time pr og raming)RO M中的单片机,既能满足智能化要求,又能大大节约U P S的生产成本。
文中介绍了基于I/O方式下单片机在线互动式不间断电源中的典型应用,阐述了采用G M S系列具有O T P型R OM的单片机为微控制器,配以串行方式的接口芯片构成U PS主控系统的组成及工作原理。
着重介绍单片机与串行芯片及模拟串行方式的接口方法,以及基于I/O方式下单片机应用系统的设计思想。
实践证明,该方法具有很大的应用价值。
关键词:单片机;接口;不间断电源;模数转换器中图分类号:T P274;T P36众所周知,单片机在智能化仪器仪表、前端控制、数据采集等诸多方面的应用十分广泛,对于生产产品的厂家来说,产品的硬件成本是在开发产品时首先要考虑的重要因素。
然而,传统产品中采用的单片机大都采用总线方式,即需要外部扩展程序存储器、数据存储器以及扩展I/O等,这样必然增加硬件成本,对于功能并不复杂,单片机本身资源够用的场合,这完全是一种浪费。
本文以笔者为某厂开发的以单片机为微控制器的在线互动式不间断电源(U PS)为例,介绍基于I/O方式下单片机应用系统的设计方法。
这种基于I/O方式单片机的应用往往被人忽视,但通过实际应用表明具有很大的实用价值。
1 系统组成及工作原理在线互动式UPS主控部分包括微控制器GM S97C52[1]、数据采集部分、串行E2PROM、显示部分(PIC16C54、驱动电路及LED阵列)、AVR(自动电压调整)、充电控制部分、逆变部分、报警以及串行通信等,如图1所示。
单片机IO口工作原理及结构框图

单片机IO口工作原理及结构框图8051单片机I/O引脚工作原理一、P0端口的结构及工作原理P0端口8位中的一位结构图见下图:由上图可见,P0端口由锁存器、输入缓冲器、切换开关、一个与非门、一个与门及场效应管驱动电路构成。
再看图的右边,标号为P0.X引脚的图标,也就是说P0.X引脚可以是P0.0到P0.7的任何一位,即在P0口有8个与上图相同的电路组成。
下面,我们先就组成P0口的每个单元部份跟大家介绍一下:先看输入缓冲器:在P0口中,有两个三态的缓冲器,在学数字电路时,我们已知道,三态门有三个状态,即在其的输出端可以是高电平、低电平,同时还有一种就是高阻状态(或称为禁止状态),大家看上图,上面一个是读锁存器的缓冲器,也就是说,要读取D锁存器输出端Q的数据,那就得使读锁存器的这个缓冲器的三态控制端(上图中标号为‘读锁存器’端)有效。
下面一个是读引脚的缓冲器,要读取P0.X引脚上的数据,也要使标号为‘读引脚’的这个三态缓冲器的控制端有效,引脚上的数据才会传输到我们单片机的内部数据总线上。
D锁存器:构成一个锁存器,通常要用一个时序电路,时序的单元电路在学数字电路时我们已知道,一个触发器可以保存一位的二进制数(即具有保持功能),在51单片机的32根I/O口线中都是用一个D触发器来构成锁存器的。
大家看上图中的D锁存器,D端是数据输入端,CP是控制端(也就是时序控制信号输入端),Q是输出端,Q非是反向输出端。
对于D触发器来讲,当D输入端有一个输入信号,如果这时控制端CP 没有信号(也就是时序脉冲没有到来),这时输入端D的数据是无法传输到输出端Q及反向输出端Q非的。
如果时序控制端CP的时序脉冲一旦到了,这时D端输入的数据就会传输到Q及Q非端。
数据传送过来后,当CP时序控制端的时序信号消失了,这时,输出端还会保持着上次输入端D的数据(即把上次的数据锁存起来了)。
如果下一个时序控制脉冲信号来了,这时D端的数据才再次传送到Q端,从而改变Q端的状态。
模拟电路中EMC中隔离设计方案

把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制噪声干扰的效果。
在低频情况下,采用了隔离的措施以后,绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果,使设备符合低频EMC的要求。
隔离分类常见的电路隔离常用在以下几种情况:模拟电路内的隔离对于模拟信号测量系统,其隔离电路相对比较复杂,既要考虑其精度、频带宽度的因素,又要考虑其价格因素。
同时既有高电压、大电流信号,又有微电压、微电流信号,这些信号之间需要进行隔离,实现在一定的频率下的隔离。
数字电路内的隔离数字量输人系统主要采用脉冲隔离变压器隔离、光电耦合器隔离;而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离,个别情况也可采用高频隔离变压器隔离。
模拟电路与数字电路之间的隔离一般来说,模拟电路与数字电路之间的转换通过模/数转换器(A/D)或数/模转换器(D/A)来实现。
但是,若不采取一定的措施,数字电路中的高频周期信号就会对模拟电路带来一定的干扰,影响测量的精度。
为了抑制数字电路对模拟电路带来的干扰,一般须将模拟电路与数字电路分开布线,但这种布线方式有时还不能彻底排除来自数字电路的干扰。
要想排除来自数字电路的干扰,可以把数字电路与模拟电路隔离开来。
常用的隔离方法是在A/D转换器与数字电路之间加入光电耦合器,把数字电路与模拟电路隔离开。
如果这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题,就把信号接收部分与模拟处理部分也进行隔离。
例如,在前置处理级与模数转换器(A/D)之间加人线性隔离放大器,在模/数转换器(A/D)与数字电路之间采用光电耦合器隔离,把模拟地与数字地隔开。
这样一来,既防止了数字系统的干扰进人模拟部分,又阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。
数模转(D/A)电路的隔离与模数转换(A/D)电路的隔离类似,因而所采取的技术措施也差不多。
EMC中隔离分析接下来以通过光耦隔离、继电器隔离和共模扼流圈(共模电感)隔离案例,理解EMC中隔离设计方法。
2.1、光耦隔离光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、无触点等特点,因而在各种电子设备上得到广泛的应用。
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单片机I/O的常用驱动与隔离电路的设计
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。
针对电气控制产品的特点,本文讨论了几种单片机I/O的常用驱动和隔离电路的设计方法,对合理地设计电气控制系统,提高电路的接口能力,增强系统稳定性和抗干扰能力有实际指导意义。
1、输入电路设计
图1 开关信号输入
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S1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,可以将输入信号提高到+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。
图2 提高输入信号电平
图3 输入端保护电路
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≈0.7 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,保护电路都能把该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;VI~VCC出现负脉冲时,D2反向击穿;VI与地之间出现正脉冲时,D3反向击穿;VI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。
缓冲电阻RS约为1.5~2.5 kΩ,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τ,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。
图4 输入端光耦隔离
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、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。
在此讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。
2.1 直接耦合
在采用直接耦合的输出电路中,要避免出现图5所示的电路。
图5 错误的输出电路
T1截止、T2导通期间,为了对T2提供足够的基极电流,R2的阻值必须很小。
因为T2处于射极跟随器方式工作,因此为了减少T2损耗,必须将集射间电压降控制在较小范围内。
这样集基间电压也很小,电阻R2阻值很小才能提供足够的基极电流。
R2阻值过大,会大幅度增加T2压降,引起T2发热严重。
而在T2截止期间,T1必须导通,高压+15 V 全部降在电阻R2上,产生很大的电流,显然是不合理的。
另外,T1的导通将使单片机高电平输出被拉低至接近地电位,引起输出端不稳定。
T2基极被T1拉到地电位,若其后接的是感性负载,由于绕组反电势的作用,T2的发射极可能存在高电平,容易引起T2管基射结反向击穿。
图6为一直接耦合输出电路,由T1和T2组成耦合电路来推动T3。
T1导通时,在R3、R4的串联电路中产生电流,在R3上的分压大于T2晶体管的基射结压降,促使T2导通,T2提供了功率管T3的基极电流,使T3变为导通状态。
当T1输入为低电平时,T1截止,R3上压降为零,T2截止,
最终T3截止。
R5的作用在于:一方面作为T2集电极的一个负载,另一方面T2截止时,T3基极所储存的电荷可以通过电阻R3迅速释放,加快T3的截止速度,有利于减小损耗。
图6 直接耦合输出电路
2.2 TTL或CMOS器件耦合
若单片机通过TTL或CMOS芯片输出,一般均采用集电极开路的器件,如图7(a)所示。
集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至+15 V电源,提升了驱动电压。
但要注意的是,这种电路的开关速度低,若用其直接驱动功率管,则当后续电路具有电感性负载时,由于功率管的相位关系,会影响波形上升时间,造成功率管动态损耗增大。
为了改善开关速度,可采用2种改进形式输出电路,如图7(b)和图7(c)所示。
图7(b)是能快速开通的改进电路,当TTL输出高电平时,输出点通过晶体管T1获得电压和电流,充电能力提高,从而加快开通速度,同时也降低了集电极开路TTL器件上的功耗。
图7(c)为推挽式的改进电路,采用这种电路不但可提高开通时的速度,而且也可提高关断时的速
度。
输出晶体管T1是作为射极跟随器工作的,不会出现饱和,因而不影响输出开关频率。
图7 TTL或CMOS器件输出电路
2.3 脉冲变压器耦合
脉冲变压器是典型的电磁隔离元件,单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号,经脉冲变压器耦合到输出级。
由于脉冲变压器原、副边线圈间没有电路连接,所以输出是电平浮动的信号,可以直接与功率管等强电元件耦合,如图8所示。
图8 脉冲变压器输出电路
这种电路必须有一个脉冲源,脉冲源的频率是载波频率,应至少比单片机输出频率高10倍以上。
脉冲源的输出
脉冲送入控制门G,单片机输出信号由另一端输入G门。
当单片机输出高电平时,G门打开,输出脉冲进入变压器,变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲,通过二极管D1、D2检波后经滤波还原成开关信号,送入功率管。
当单片机输出低电平时,G门关闭,脉冲源不能通过G门进入变压器,变压器无输出。
这里,变压器既传递信号,又传送能量,提高了脉冲源的频率,有利于减轻变压器的体重。
由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同推动功率的要求,所以应用起来比较灵活。
更重要的是,变压器原副边线圈之间没有电的联系,副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动,不受其电源大小的影响。
当单片机输出较高频率的脉冲信号时,可以不采用脉冲源和G门,对变压器原副边电路作适当调整即可。
2.4 光电耦合
光电耦合可以传输线性信号,也可以传输开关信号,在输出级应用时主要用来传递开关信号。
如图9所示,单片机输出控制信号经缓冲器7407放大后送入光耦。
R2为光耦输出晶体管的负载电阻,它的选取应保证:在光耦导通时,其输出晶体管可靠饱和;而在光耦截止时,T1可靠饱和。
但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长,限制了其使用频率。
图9 光耦输出电路
结语
单片机接口技术在很多文献中均有详细的介绍,但在对大量电气控制产品的改造和设计中,经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题(如驱动电流大、开关速度慢、抗干扰差等),因此必须寻求另一种电路解决方案。
上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明,其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。
单片机, 隔离电路。