單片機(jī)原理及應(yīng)用第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12.1.1MCS-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。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。

光電晶體管的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的電流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(hào)時(shí)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器的輸入輸出延遲時(shí)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(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?？杀苊廨敵霾糠蛛娫醋兓瘜?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。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)輸入端有15～30mA電流時(shí),輸出端的晶閘管導(dǎo)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1500～7500V。4N40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不使用此端時(shí)，此端可對(duì)陰極接一個(gè)電阻。MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，帶過(guò)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(dòng)電路。4N40常用于小電流用電器的控制，如指示燈等，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(fù)載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。二極管D的作用是保護(hù)晶體管T。原理如下：當(dāng)繼電器J吸合時(shí)，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時(shí)，由于繼電器線圈存在電感，這時(shí)晶體管T已經(jīng)截止，所以會(huì)在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，極性是上負(fù)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(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。當(dāng)其兩端加上正向電壓而控制極不加電壓時(shí)，晶閘管并不導(dǎo)通，正向電流很小，處于正向阻斷狀態(tài)；當(dāng)加上正向電壓，且控制極上（與陰極間）也加上一正向電壓時(shí)，晶閘管便進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)管壓降很小（1V左右）。這時(shí)即使控制電壓消失，仍能保持導(dǎo)通狀態(tài)，所以控制電壓沒(méi)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(fù)載電流，只有使陽(yáng)極電流減小到維持電流以下，或加上反向電壓實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。若在交流回路中應(yīng)用，當(dāng)電流過(guò)零和進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷，為了使其再次導(dǎo)通，必須重加控制信號(hào)。2.雙向晶閘管晶閘管應(yīng)用于交流電路控制時(shí)，如圖12-10所示。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)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。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)?？衫密浖a(chǎn)生觸發(fā)脈沖。3.光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器有的型號(hào)的光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器還帶有過(guò)零檢測(cè)器，以保證在電壓為零（接近于零）時(shí)才觸發(fā)可控硅導(dǎo)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(dòng)器與雙向可控硅的典型電路。在使用晶閘管的控制電路中，常要求晶閘管在電源電壓為零或剛過(guò)零時(shí)觸發(fā)晶閘管，來(lái)減少晶閘管在導(dǎo)通時(shí)對(duì)電源的影響。這種觸發(fā)方式稱為過(guò)零觸發(fā)。過(guò)零觸發(fā)需要過(guò)零檢測(cè)電路