1、第12章MCS-51的功率接口設(shè)計要用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等，不能用單片機的I/O線來直接驅(qū)動，而必須通過各種驅(qū)動電路和開關(guān)電路來驅(qū)動。另外，與強電隔離和抗干擾，有時需加接光電耦合器。稱此類接口為MCS-51的功率接口。12.1MCS-51的輸出驅(qū)動能力及其外圍集成數(shù)字驅(qū)動電路,12.1.1MCS-51片內(nèi)I/O口的驅(qū)動能力工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，控制對象是電磁繼電器、電磁開關(guān)或可控硅、固態(tài)繼電器和功率電子開關(guān)。能否用MCS-51片內(nèi)的I/O口直接驅(qū)動它們呢？P0、P1、P2、P3四個口都可做輸出口，但其驅(qū)動能力不同。P0口的驅(qū)動能力較大，當其輸出高電平時

2、，可提供400A的電流；當其輸出低電平（0.45V）時，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4個LSTTL，即可提供的電流只有P0口的一半。所以，任何一個口要想獲得較大的驅(qū)動能力，只能用低電平輸出。8031通常要用P0、P2口作訪問外部存儲器用，所以只能用P1、P3口作輸出口。P1、P3口的驅(qū)動能力有限，在低電平輸出時，一般也只能提供不到2mA的灌電流，通常要加總線驅(qū)動器或其它驅(qū)動電路。,12.1.2外圍集成數(shù)字驅(qū)動電路表12-1為常用的外圍集成數(shù)字驅(qū)動電路的參數(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CM

3、OS電路來驅(qū)動。驅(qū)動感性負載時，必須加接限流電阻或箝位二極管。此外，有些驅(qū)動器內(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慢開啟的白熾燈驅(qū)動電路圖12-1為慢開啟白熾燈驅(qū)動電路，白熾燈的延時開啟時間長短取決于時間常數(shù)RC。此電路能直接驅(qū)動工作電壓小于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)動一個大功率的揚聲器，可用于報警系統(tǒng)。改變電阻或電容的值便能改變電路的振蕩頻率。電路中的兩個齊納二極管IN751A用于輸入端的保護。,例12-3驅(qū)動大電流負載電路如圖12-3所示。ULN2068芯片具有四個大電流達林頓開關(guān)，能驅(qū)動電流

4、高達1.5A的負載。由于ULN2068在25時功耗達2075mW，因而使用時一定要加散熱板。,12.2MCS-51的開關(guān)型功率接口常用的開關(guān)型驅(qū)動器件有，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)動接口光電晶體管除沒有使用基極外,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。當光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時，光電晶體管受光的影響在cb間和ce間有電流流過，這兩個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。,光電晶體管的集電極電流Ic與發(fā)光二

5、極管的電流IF之比稱為光電耦合器的電流傳輸比。光電耦合器在傳輸脈沖信號時，對不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器的輸入輸出延遲時間相差很大。圖12-4是使用4N25的光電耦合器接口電路圖。,4N25使兩部分的電流信號獨立。輸出部分的地線接機殼或接大地，而8031系統(tǒng)的電源地線浮空，不與交流電源的地線相接?？杀苊廨敵霾糠蛛娫醋兓瘜纹瑱C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距離的信號隔離傳送。(1)可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨立，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)動器件，可以形成

6、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)路連線的電阻對傳輸距離影響很大，此電路中環(huán)路連線電阻不能大于30，當連線電阻較大時，100的限流電阻要相應(yīng)減小。光電耦合管使用TIL110，開關(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)動接口輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，晶閘管即導通。有,

7、的光電耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時對電網(wǎng)的影響。4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器。當輸入端有1530mA電流時,輸出端的晶閘管導通。輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。隔離電壓為15007500V。4N40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不使用此端時，此端可對陰極接一個電阻。,MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，輸入輸出端隔離電壓為7500V。圖12-6是4N40和MOC3041的接口驅(qū)動電路。4N40常用于小電流用電器的控制，如指

8、示燈等，也可以用于觸發(fā)大功率的晶閘管。MOC3041一般不直接用于控制負載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。,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。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，例如SN75468，一片SN75468可驅(qū)動7個繼電器，驅(qū)動電流可達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。繼電器的動作由單片機8031的P1.0端控制。P1.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P1.0端輸出高電平時，繼電器J釋放。

9、采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。,二極管D的作用是保護晶體管T。原理如下：當繼電器J吸合時，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管T已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，極性是上負下正。,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的電磁式繼電器稱為接觸器。接觸器的觸點數(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)動或使用一個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。雙向晶閘管的選擇要滿足：額定工作電流為交

10、流接觸器線圈工作電流的23倍；額定工作電壓為交流接觸器線圈工作電壓的23倍。對于工作電壓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以及隔離單片機系統(tǒng)和接觸器系統(tǒng)。MOC3041的輸入端接7407，由單片機8031的P1.0端控制。P1.0輸出低電平時，雙向晶閘管KS導通,接觸器C吸合。P1.0輸出高電平時,雙向晶閘管KS關(guān)斷，接觸器C釋放。MOC3041內(nèi)部帶有過零控制電路，因此雙向晶閘管KS工作在過零觸發(fā)方式。接觸器動作時，電源電壓較低，這時接通用電器，對電源的影響較小。,12.2.3MCS-51與晶閘管的接口1.單

11、向晶閘管晶閘管習慣上稱可控硅（整流元件），英文名為SiliconControlledRectifier，簡寫成SCR，這是一種大功率半導體器件，它既有單向?qū)щ姷恼髯饔茫钟锌梢钥刂频拈_關(guān)作用。利用它可用較小的功率控制較大的功率。在交、直流電動機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和無觸點開關(guān)等方面均獲得廣泛的應(yīng)用，如下圖示，有三個電極：陽極A、陰極C、控制極（門極）G。,當其兩端加上正向電壓而控制極不加電壓時，晶閘管并不導通，正向電流很小，處于正向阻斷狀態(tài)；當加上正向電壓，且控制極上（與陰極間）也加上一正向電壓時，晶閘管便進入導通狀態(tài)，這時管壓降很?。?V左右）。這時即使控制電壓消失，仍能保持導通狀

12、態(tài)，所以控制電壓沒有必要一直存在，通常采用脈沖形式，以降低觸發(fā)功耗。它不具有自關(guān)斷能力，要切斷負載電流，只有使陽極電流減小到維持電流以下，或加上反向電壓實現(xiàn)關(guān)斷。若在交流回路中應(yīng)用，當電流過零和進入負半周時，自動關(guān)斷，為了使其再次導通，必須重加控制信號。2.雙向晶閘管晶閘管應(yīng)用于交流電路控制時，如圖12-10所示。,采用兩個器件反并聯(lián)，以保證電流能沿正反兩個方向流通。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，使電路大大簡化，其特性如下：控制極G上無信號時，A1、A2之間呈高阻抗，管子截止。,VA1A21.5V時，不論極性如何，便可利用G觸發(fā)電流控制其導通。工作

13、于交流時，當每一半周交替時，純阻負載一般能恢復截止；但在感性負載情況下，電流相位滯后于電壓，電流過零，可能反向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓，使管子反向?qū)āＫ?，要求管子能承受這種反向電壓，而且一般要加RC吸收回路。A1、A2可調(diào)換使用，觸發(fā)極性可正可負，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)溫和無觸點開關(guān)，過去其觸發(fā)脈沖一般都用硬件產(chǎn)生，故檢測和控制都不夠靈活，而在單片機控制應(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)動器,是單片機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5-15mA正向電流作用下發(fā)出足夠強度的紅外光，觸發(fā)輸出部分。輸出部分是一硅光敏雙向可控硅，在紅外線的作用下可雙向?qū)?。該器件為六引腳雙列直插式封裝，其引腳配置和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖12-11。,有的型號的光耦合雙向可控硅驅(qū)動器還帶有過零檢測器，以保證在電壓為零（接近于零）時才觸發(fā)可控硅導通，如MOC3030/31/32（用于115V交流），MOC3040/41（用于220V交流）。圖12-12為這類光耦驅(qū)動器與雙向可控硅的典型電路。在使用晶閘管