单片机第12章MCS-51的功率接口设计研究报告.ppt

第12章MCS-51的功率接口设计
要用单片机控制各种各样的高压、大电流负载，如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等，不能用单片机的I/O线来直接驱动，而必须通过各种驱动电路和开关电路来驱动。
另外，与强电隔离和抗干扰，有时需加接光电耦合器。
称此类接口为MCS-51的功率接口。
12.1 MCS-51的输出驱动能力及其外围集成数字驱动电路
12.1.1 MCS-51片内I/O口的驱动能力
工业生产现场，控制对象是电磁继电器、电磁开关或可控硅、固态继电器和功率电子开关。能否用MCS-51片内的I/O口直接驱动它们呢？
P0、P1、P2、P3四个口都可做输出口，但其驱动能力不同。
P0口的驱动能力较大，当其输出高电平时，可提供400A的电流；当其输出低电平（0.45V）时，则可提供3.2mA的灌电流，如低电平允许提高，灌电流可相应加大。
P1、P2、P3口的每一位只能驱动4个LSTTL，即可提供的电流只有P0口的一半。
所以，任何一个口要想获得较大的驱动能力，只能用低电平输出。8031通常要用P0、P2口作访问外部存储器用，所以只能用P1、P3口作输出口。P1、P3口的驱动能力有限，在低电平输出时，一般也只能提供不到2mA的灌电流，通常要加总线驱动器或其它驱动电路。12.1.2外围集成数字驱动电路
表12-1为常用的外围集成数字驱动电路的参数。只要加接合适的限流电阻和偏置电阻，即可直接由TTL、MOS以及CMOS电路来驱动。
驱动感性负载时，必须加接限流电阻或箝位二极管。此外，有些驱动器内部有逻辑门电路，可以完成与、与非、或以及或非的逻辑功能。
例12-1慢开启的白炽灯驱动电路
图12-1为慢开启白炽灯驱动电路，白炽灯的延时开启时间长短取决于时间常数RC。此电路能直接驱动工作电压小于30V、额定电流小于500mA的任何灯泡。例12-2大功率音频振荡器
图12-2电路能直接驱动一个大功率的扬声器，可用于报警系统，改变电阻或电容的值便能改变电路的振荡频率。电路中的两个齐纳二极管IN751A用于输入端的保护。
例12-3驱动大电流负载
电路如图12-3所示。ULN2068芯片具有四个大电流达林顿开关，能驱动电流高达1.5A的负载。由于ULN2068在25℃时功耗达2075mW，因而使用时一定要加散热板。

12.2MCS-51的开关型功率接口
常用的开关型驱动器件有，光电耦合器、继电器、晶闸管、功率MOS管、集成功率电子开关、固态继电器等。
12.2.1MCS-51与光电耦合器的接口
1.晶体管输出型光电耦合器驱动接口
光电晶体管除没有使用基极外,跟普通晶体管一样。取代基极电流的是以光作为晶体管的输入。当光电耦合器的发光二极管发光时，光电晶体管受光的影响在cb间和ce间有电流流过，这两个电流基本上受光的照度控制，常用ce极间的电流作为输出电流，输出电流受Vce的电压影响很小。光电晶体管的集电极电流Ic与发光二极管的电流IF之比称为光电耦合器的电流传输比。
光电耦合器在传输脉冲信号时，对不同结构的光电耦合器的输入输出延迟时间相差很大。
图12-4是使用4N25的光电耦合器接口电路图。
4N25使两部分的电流信号独立。输出部分的地线接机壳或接大地，而8031系统的电源地线浮空，不与交流电源的地线相接。可避免输出部分电源变化对单片机电源的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。4N25输入输出端的最大隔离电压＞2500V。
光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。
(1)可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。
(2)光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环电路是低阻抗电路，它对噪音的敏感度低，因此提高了通讯系统的抗干扰能力。
图12-5用光电耦合器组成的电流环发送和接收电路。图12-5电路可以用来传输数据，最大速率为50Kb/s，最大传输距离为900米。环路连线的电阻对传输距离影响很大，此电路中环路连线电阻不能大于30Ω，当连线电阻较大时，100Ω的限流电阻要相应减小。光电耦合管使用TIL110，开关速度比4N25快。
表12-2(P319)为常用的晶体管输出型光电耦合器，供选用光电耦合器参考。
2.晶闸管输出型光电耦合器驱动接口
输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。当光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，晶闸管即导通。有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电器在接通电源时对电网的影响。
4N40是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器。当输入端有15～30mA电流时,输出端的晶闸管导通。输出端的额定电压为400V，额定电流有效值为300mA。隔离电压为1500～7500V。4N40的6脚是输出晶闸管的控制端，不使用此端时