呵呵

第11 功率接口技术11.1 开关型接口 11.2.电压调节接口 11.3习题与思考题

呵呵

11.1 开关型接口 在工业控制中，单片机的被控对象大多都是功率设备，需要高电压大电流，单片机 不能直接驱动，要通过相应的接口电路才 能输出一定的功率来驱动功率设备。功率 接口有开关型、继电器型、光电隔离型和 可控硅等多种形式。

呵呵

11.1 开关型接口 在许多应用埸合，是使用开关量来进行控制的，开关量是通过单片机的I/O口或扩展 I/O口输出的。当被控对象功率不大时，可 以由CPU直接驱动。当被控对象的功率比较 大时，需要通过功率三极管或其它功率器 件去驱动。

呵呵

11.1.1.简单开关量输出接口 如图11.1所示,通过CPU的I/O口直接输出开关量0、1信号，为了确保开关量的1电平信号稳定，要在 输出端加电平上拉电阻。

呵呵

11.1.1.简单开关量输出接口 当CPU在端口上置1时，通过上拉电阻R,使输出电平稳定地维持在5V。当CPU在端口置0时，由于R的存在，且R的值较大，一般在10KΩ左右, 所以流过R的电流在0.5mA以下，影响不大。该输出端也可以直接接 三极管，达林顿管或缓冲器，增加输出口的驱动电流，通过这些器件 去驱动LED发光器件或继电器。如图11.2所示为CPU通过缓冲器控制 LED灯。P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 8031 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 ALE WR 1D 1Q 2D 2Q 3D 3Q 4D 4Q 5D 5Q 6D 6Q 7D 7Q 8D 8Q G Vcc CLK GND

呵呵

11.1.1.简单开关量输出接口 图中,74LS377是八D触发器，内部有数据锁存器， 单片机CPU通过P0口将数 据写入74LS377,并锁存 在74LS377内部的1Q – 8Q 端口。当端口的值为1电 平时，由于发光二极管的 两端没有电压差，没有电 流流过，发光二极管不亮。 当端口的值为0电平时， 由于发光二极管的两端有 电压差存在，有电流流过， 发光二极管点亮，300Ω电 阻为限流电阻。

呵呵

11.1.1.简单开关量输出接口 对于图11.2,编写不同的程序可以实现多种形式的灯光显示。例如要使8个灯亮1秒钟再暗1 秒钟，如此循环，形成闪烁的效果，程序可 以为： MOV MOVA,#0FFH ;累加器置全l DPTR,#7FFFH ;设置 74LS377芯片的地址值 MOVX @DPTR,A ;使74LS377输 出端全为l,8个灯全暗 LCALL SS ;调用子程序延时l 秒钟 MOV A,#00H ;累加器置全0 MOV DPTR,#7FFFH ;设置 74LS377芯片地址值 MOVX @DPTR,A ;使74LS377 输出端全为0,8个灯全亮 LCALL SS ;调用子程序延时 l秒钟 LJMP S1 ;使8个灯每隔l秒 钟全暗、全亮循环工作

呵呵

11.1.1.简单开关量输出接口 图11.3所示为CPU通过三极管控制LED灯，单片机通过功率三极管来增加驱动功率。图中CPU使P1.0=1,输出5V电压通过 R1使三极管B饱和导通，Vec=0.2V左右，发光二极管D通过限 流电阻R3流过电流，D发光。当CPU

使P1.0=0,三极管 Vbe=0,三极管截止，Vec=5V,发光二极管不导通,不发光。 选用大功率的三极管，可以产生大的电流，驱动大电流的显 示器或大功率负载。单片机通过P1口，对P1.0端口置l或清0 就可以控制三极管的导通与截止来带动负载。

呵呵

11.1.2 光电耦合接口 光电耦合接口是通过光电元器件来实现的，光电元器件由发光二极管和光电三极管构成。可应用 于信号隔离、开关电路、数模转换、逻辑电路、 长线传输、过载保护、高压控制和电路变换。 光电三极管是一种光电转换装置，它的输出特性 与三极管基本相同，不同的是光电三极管接收的 是光能量。由于光三极管的基极一射极的接合电 容受到密勒效应影响，并且与负载电阻大小有关， 所以光电三极管的响应通常比较慢。它的输出特 性也有截止区，放大区和饱和区。

呵呵

11.1.2 光电耦合接口 发光二极管是一种电光转换装置，当有电 流通过会产生光，它 的输入特性与普通二 极管也相似。但它的 正向压降较大，为1.0 左右，反向电压较小， 在6V左右。图11.4为 光电耦合器的输入输 出特性和结构。

呵呵

11.1.2 光电耦合接口

如图所示，当发光二极管加上正向电压时，会发出光线，光线的强弱与正向电压有关，光电三极管的基极接收到光 能量后，产生IC电流，完成了电—光—电的转换过程。由 于发光二极管与光电三极管之间是通过光来传递信息的， 没有电气上的联系，从而实现了电气上的隔离。这就是光 电耦合器的作用。

呵呵

11.1.2 光电耦合接口 光电耦合技术被广泛用于测量控制系统。图11.5是光电耦合器的典型应用电路。

D

T

呵呵

11.1.2 光电耦合接口D T

图中D为红外发光二极管，VC为工作电源，R1为限流电阻，在二极管

的负端接一脉冲电压，当输入脉冲信号=1时，无电流流过，不发光， 光电三极管T没有接收到光能量，处于截止状态，输出电压V0=VD。 当输入脉冲信号=0时，有电流流过D,产生红外光线，T接收到光能 量，从工作区进入饱和区，三极管导通，V0=0V,输出低电平。 一般二极管D的工作电流表在10mA左右，R1阻值与工作电压和二极 管的正向降VF有关，通过计算可以求出。VD是负载工作电压，R2为 三极管负载电阻，应通过计算或调试，使T工作在截止区可饱和区， 以保证V0输出为可靠的0或1电平。

呵呵

11.1.2 光电耦合接口 也可以使二极管D的负极直接接地，控制端为VC电压，输出端可以接在三极管的集电极，也可以接在发射极，把R2 电阻接在发射极。总之，可以根据电路设计的要求选择。 图11.6为单片机CPU的I/O口通过光电耦合器传递信息的， 单片机系统的接地与光电隔离器的

输出部分的地不能共地， 两者的供电也不同，才能达到电气上隔离的作用。

8031D T

P1.0

呵呵

11.1.2 光电耦合接口 光电耦合器有多种产品，性能也不尽相同。表11.1为6N135、6N136的特性参数。输入特性 参数 最大工作 电流 If mA 25 25 正向压降 Vf V 1.65 1.65 输出特性 输出电流 I0 Ma 8 8 工作电压 Vu V 15 15 传输特性 传输比 CTR 12/0 18 18 隔离 阻抗 RI-0 Ω 1012 1012 隔离特性 极向 耐压 DIVS Vnms 2500 2500 极向 电势 C I-0 PF 0.6 0.6

符号 单位 6N135 6N136

呵呵

11.1.2 光电耦合接口 图11.7为6N135、6N136的管脚排列与通讯接口电路

呵呵

11.1.3 继电器接口 继电器是通过线圈的电流来控制触点的闭与合，由于继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系， 因此可以使用继电器来实现自动控制上的电气隔 离。图11.8是继电器的基本应用电路。

J

呵呵

11.1.3 继电器接口 如图11.8所示，J为继电器线圈，J1和J2是继电器的常开、常闭触点，当三极管T的基极输入一个高电平，使T进入饱和状态，Vc电压通过继电器的线圈有 电流流过，流过电流的线圈产生磁场力吸引触点动作。图中R为三极管基极限 流电阻，二极管D用于对三极管的保护，在平时，由于二极管为反向串接，没 有电流过，当继电器线圈失电的瞬间会产生很大的反电势，有可能使三极管 击穿，由于有二极管D的存在，提供了一个通路，使反电势不会损坏三极管， 从而起到了保护作用。在继电器失电状态下，常开触点断开，常闭触点闭合， 当继电器得电后，常开触点闭合，而常闭触点断开，利用继电器的触点开关 作用可以控制设备或传送逻辑电平信号。一般继电器带有一组或多组常开常 闭触点供使用，继电器的线圈电流也有大小，触点的接触电流也有大小，耐 压值有高低，用户可以根据设计的要求选用相应的继电器。

呵呵

11.1.3 继电器接口 在各种控制中，由于应用场合不同，需要选用不同的继电器，在设计继电器接口电路时，要了解继电器的一些参数，进行正确的设计，才能获得好的控制效果。在电路设 计时，应根据印刷电路板的大小，选用合适的小型继电器，要考虑它的体积、封装形 式，目前有供印刷电路设计用的微小型继电器，供电压为5V。如果继电器不装在印刷 电路板上，则主要考虑继电器的触点数目和触点功率。为了便于和计算机工作电压一 致，尽量选用5V的低电压继电器。在设计时，要考虑使用继电器后增加的电源功率， 在变压器供电的电源设计中，要充分考虑到这一情况。另外，还要考虑到单片机接口 电路的电流驱动能力，要选择与继电器电流相当的功率元器件做接口电路元件，若是 功率大的驱动继电器，有

必要在中间增加一级继电器，如图11.9所示。

呵呵

11.1.3 继电器接口

计算机CPU I/O口输出一个控制电压，由三极管驱动中间继电器J1,通过继电 器J1的触点去控制大功率的继电器J2,从而实现对大功率继电器的控制。 继电器的触点有多、有少，有常开触点，常闭触点，在设计时要充分了解所 选用的继电器的产品资料，了解该继电器有几组触点，常闭、常开如何分配，应 充分利用继电器的各组触点来达到简化电路设计的目 的。继电器常用电气参数有： 额定工作电压和电流 是指继电器在正常工作状态下，继电器线圈两端所加电压值或线圈中流过的电流 值，应用于设计的主要参数，是设计的依据。 吸合电压和电流 是指继电器能产生吸合动作的最小电压值或电流值，一般为额定值的75%左右， 这个参数使在设计中为了保证继电器可靠工作，控制电压应高于吸合电压才能正 常工作，若控制电压在吸合电压左右就可能造成吸合不可靠或造成频繁吸合、断 开，产生干扰，影响使用。 释放电压和电流 是指继电器在此电压值以下或电流值在此以下，继电器不吸合，因此控制电压值 应大大小于释放电压，才能使继电器可靠释放。 触点负载 是指继电器的接触点的负载能力，反应了所能控制设备的功率大小，应使所控制 设备的功率小于触点负载，才能使继电器工作正常，否则会损坏触点，影响正常 工作。

呵呵

11.1.3 继电器接口常用继电器的一些电气参数见表11.3型号 名称 JZC-36F 超小型中功率继电器 JZX-140FF 小型大功率继电器 JRC-19FD 超小型中功率继电器

外形尺寸 长×宽×高(mm)触点形式

24.5×10.5×24.51H、1Z 10A 240VAC 10A 30VDC TV-5 5~48 0.25、0.53 15 5

29.0×13.0×25.52H、2Z 10A 250VAC 8A 30VDC 5A 250VAC/30VDC 3~60 550mW 15 5

20.8×9.9×12.22Z 1A 125VAC 2A 30VDC

触点额定负载

线圈直流电压(VDC) 线圈直流功率(W) 动作时间(ms) 释放时间(ms)

3~48 0.2、0.36 6 4

电气寿命(次)机械寿命(次) 引出端形式

1×1051×107 印刷电路板式

1×1051×107 印制板式

1×1051×107 印刷电路板式