单片机原理第10章 I／O过程通道

被控对象的一些开关状态可以经开关量输入通道输 入到单片机系统，如电器的启动和停止、电磁铁的 吸合和断开、光路的通和断等。 但是，控制现场这些开关状态一般都不能直接接入 单片机。原因有两点：一方面，现场开关量一般不 是TTL电平，需要将不同的电平转化成单片机所需的 TTL电平，该过程称为电平匹配；另一方面，即使现 场开关量符合TTL电平需要，由于来自现场的干扰严 重，一般也需要将单片机与外界进行电气隔离，避 免对单片机产生干扰。经过电平匹配和电气隔离后 的开关信号才能够通过单片机接口，接入到单片机 系统。
开关量输出往往直接驱动现场的电器或作用 于大功率电器的控制回路，需要有一定的功 率驱动能力。光电耦合器件在受光侧由于光 敏三极管的驱动能力为mA级，一般不足以驱 动执行机构，所以经常需要使用驱动电路。 常见的功率驱动有下面四种方式：集成电路、 可控硅、晶体管和继电器。
集成电路的驱动能力一般不是很强，往往在 几十至几百毫安，在一些驱动电流要求不大 的应用场合，由于集成电路具有占用空间小， 易于焊接，使用方便等优点，常用来驱动如 LED显示等小功率的电器。常见的驱动集成电 路有74系列、75系列、ULN200系列或28系列 等。此外还有许多专用的驱动集成电路。
一个单片机应用系统，一般都有二个大的组 成部分：一部分是人与单片机交互的部分， 另一部分是单片机与被控制对象之间的交互 部分。人与单片机之间的接口，在第九章已 经介绍过了，这一章开始研究单片机与控制 对象之间的接口，也称为过程I／O通道。如 图10-1所示，过程I／O通道可以分为开关量 通道和模拟量通道。
单片机接口可以是单片机端口线。如果单片 机的端口线不足，开关量输入信号就只能经 系统扩展中所扩展的输入缓冲芯片，通过数 据总线进入单片机。
要将一个现场开关状态输入到单片机，经常 使用的方法如图10-2所示。图中的S1是现场 开关，U1是光耦，其输出信号可以去单片机 （MPU）。当单片机系统有可用的端口线时， 可以如图10-2所示连接。
开关量输出常见的受控对象有电磁阀、继电 器、各种电机等，只有对这些受控对象有深 入的了解，才能更好的使用它们，发挥它们 的最大效能。这些知识不属于本书的范围， 需要时请参考其它资料。
由于现场电器通断时会产生强烈的干扰，所 以从端口线输出的开关量都需要电气隔离， 此外数字量0、1的TTL电平不足以驱动电器， 隔离后还要经驱动才能控制电器。开关量输 出的基本结构如图10-3所示。图中，输出线 是来自单片机的输出信号，低电平有效。
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采用可编程并行I／O芯片的方法不常用，仅 为了几个开关量输入，代价太高。可编程器 件的优点在于其端口可编程设定为输入或输 出。如果将某端口固定作为输入或输出，势 必大材小用，降低性能价格比。有一种情况 是例外的，某些场合必须用到可编程并行I／ O芯片且有一些未用的口线时，这些未用的口 线可以用于开关量I／O，以便充分利用资源。
可控硅(SCR)又称晶闸管，具有体积小，效率 高，寿命长，驱动能力大(一般是几安培至几 百安培)等优点。
可控硅虽然也像开关量一样控制其导通或断 开，但是SCR的导通角可控，其输出经滤波后 的电压因而可控，所以经常用于模拟量的输 出驱动。
晶体管在驱动中一般使用它的开关特性。如 9013 NPN型三极管，如图10-5所示 。当 Ube>0．7V(正偏电压)时，三极管饱和导通， 最大允许导通电流IC可达300mA，故称其有 300mA驱动能力。
第七章中利用串行口扩展并行口的方法也可 以用来输入/输出开关量。具体扩展方法见第 七章相关内容。
在单片机应用系统中，现场电器的通／断是 通过开关量输出通道进行控制的。如电机的 启／停、继电器的通断、电磁阀的吸合释放， 甚至步进电机的步进脉冲等，这些都是以开 关量的形式表现出来的，都可以用数字1或0 表示。开关量输出通道一般是一条端口线控 制一路电器。
焊机等领域。
可控硅虽然驱动能力很强，但需要检测电路 和触发电路配合使用，结构比较复杂，在实 际开关量的控制场合中，常常需要几百毫安 到几十安培的驱动能力，此时使用继电器更 为简单、方便。
继电器有多种不同的类型，在实际应用中常 用是印刷板用超小型电磁继电器和固态继电 器。
该类继电器具有体积小，重量轻，易于焊在线路板 上等优点。线圈电压几伏到几十伏；触点负荷范围 为2～10A(DC24V)，电气寿命在105以上，属于机械 有触点式开关。
第10章 I／O过程通道
通过单片机系统的实时数据采集、实时决策和实 时控制，使被控对象完成预定的任务，实现设计 确定的功能。 单片机系统和被控对象之间信息的交互有输入 (Input)和输出(Output)两种类型，前者在单片 机系统数据采集时，将被控对象的信息经输入通 道送入单片机系统；后者在单片机系统控制输出 时，将单片机系统决策的控制信息经输出通道作 用于被控对象。 上述两类信息交互的通道称为过程I／O通道。
三极管由于具有价格低，电路简单等特点被 广泛地应用于中、小电流驱动的场合，如继 电器驱动、LED或LED数码管的驱动等。
在大功率负载的驱动中常用IGBT。IGBT是绝 缘栅双极型晶体管的缩写。它是一个输入部 分采用MOS结构，输出部分为双极型的功率晶 体管。适合于高电压和大电流，它可以在低 驱动下实现高功率。应用于交流电机、变频 器、开关电源、照明电路、牵引传动、逆变
当单片机的端口线全部被占用，只好另外扩 展I／O接口电路了。如第八章所述，扩展I／ O接口方法有下列几种。
（1）.利用74系列门电路
（2）.利用可编程并行I／O芯片
（3）.利用串行口
当开关量输入点数不多时，使用74系列门电 路扩展并行输入口是常见的方法，该方法设 计简单，性价比高。应注意的是选用有缓冲 功能的门电路，门的数量由输入点的个数而 定。采用74LS244(八总线缓冲器)的应用场合 较多。在地址线够用时，扩展芯片的片选(或 选通)采用线选法；地址线不够用时，采用地 址译码法。