第14章 MCS-51的功率接口设计14.1MCS-51的输出驱动能力及其外围集成数字驱动电路14.2 光电耦合器的接口14.3 继电器的接口14.4 固态继电器的接口14.5 晶闸管的接口 14.6 集电极开路（OC）门接口 14.7 达林顿晶体管阵列驱动电路14.8 集成功率电子开关输出接口第14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14.1 MCS-51的输出驱动能力及其外围集成数字驱动电路 14.1.1 MCS-51片内I/O口的驱动能力 P0口能驱动8个LSTTL ：输出高电平时，可提供400A的电流；输出低电平（0.45V）时，则可提供3.2mA的灌电流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14.1.2 外围集成数字驱动电路表为常用的外围集成数字驱动电路的参数驱动感性负载时，必须加接限流 电阻或箝位二极管。
例慢开启的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的任何灯泡例大功率音频振荡器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驱动大电流负载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常用的开关型驱动器件: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14.2 光电耦合器的接口光电耦合器的输出主要可分为两类：晶体管输出晶闸管输出(晶闸管俗称可控硅)1.晶体管输出型光电耦合器驱动接口 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的电压影响很小使用光耦时，为了起到电气隔离的作用，光耦的输入端和输出端必须独立供电，且两端的电源不允许共地(图中两种不同的接地符号表示光电耦合器两侧不共地)。
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 用光电耦合器组成的电流环发送和接收电路：该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2. 晶闸管输出型光电耦合器驱动接口发光二极光因通电而发光，光敏型单向晶闸管或双向晶闸管因受光而产生门控制电流，使晶闸管导通，相当于无触点开关闭合有的晶闸管还集成有过零检测电路，使晶闸管在过交流电零点时导通，消除晶闸管触发时波形畸变对电源环境的干扰。
晶闸管输出型光电耦合器可实现小功率信号控制大功率信号，且为无触点开关，适合作为单片机的输出隔离并驱动交流负载的接口器件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1500～7500V4N40的6脚是输出晶闸管的控制端，不使用此端时，此端可对阴极接一个电阻4N40常用于小电流用电器的控制，如指示灯等，也可以用于触发大功率的晶闸管MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA，输出端额定电压为400V，输入输出端隔离电压为7500VMOC3041一般不直接用于控制负载，而用于中间控制电路或用于触发大功率的晶闸管14.3 继电器的接口继电器的机械触点起到与系统的电气隔离作用继电器有两种线圈驱动方式：直流工作式交流工作式如果直流继电器线圈工作电压与单片机的工作电压相同，则可与单片机共用一套供电电源，通过继电器的触点实现与外部的隔离对于功率较大的继电器，其线圈工作电压高于单片机的供电电压，则需要通过晶体管输出型光电耦合器来实现单片机与继电器之间的隔离。
直流继电器与单片机的接口电路： P3.0口为高电平，光敏晶体管截止，晶体管9013因没有基极电流而截止，继电器 K的线圈没有电流．触点开关S不吸合，外部电动机M处于停止状态P3.0口为低 电平，电动机运转该电路实现了单片机对外部交流设备的隔离控制续流二极 管VD，把线圈两端的感应电压钳制在0.7V左右以保护晶体管正常工作时施加在 VD两端触点两端可加入0.11xF电容，起到抑制触点火花的作用 单片机+5V供电 电源的地线(数字地)应悬空，不与继电器+V供电电源的地线(接机壳或大地)相连 接这样做可避免输出级电源变化对单片机电源产生影响，减小单片机系统受到 的继电器吸合与释放时产生的冲击干扰14.4 固态继电器的接口一种无触点开关器件利用了开关晶体管、双向晶闸管等半导体器 件的开关特 性，实现了无火花的通道工作特性，具有反应快、寿命 长、耐振和防潮等特点按输出端接交流电还是直流电分为：交流SSR和直流SSR按触发信号形式分为：过零型和非过零型常见的交流SSR多为输入端接直流信号而输出端接交流电典型的交流型SSR是四端器件，只需要在输入端加入直流控制信 号，输出端就能实现开关的通断功能 SSR的缺点：通态压降较大，可达1～2V断态漏电流510mA,不能实现理想的电气隔离对过载的敏感性较大，需要采用 快速熔断丝或RC阻尼电路对 其进行保护。
输入端的驱动：输出端驱动负载：14.5 晶闸管的接口 1. 单向晶闸管晶闸管习惯上称可控硅SCR（Silicon Controlled Rectifier ），这是一种大功率半导体器件，它既有单向导电的整流作用 ，又有可以控制的开关作用利用它可用较小的功率控制较大 的功率在交、直流电动机调速系统、调功系统、随动系统和 无触点开关等方面均获得广泛的应用，如下图示，有三个电极 ：阳极A、阴极C、控制极（门极）G当其两端加上正向电压而控制极不加电压时，晶闸管并不导通 ，正向电流很小，处于正向阻断状态；当加上正向电压，且控制极与阴极间也加上一正向电压时，晶 闸管导通，这时管压降很小（1V左右） 控制电压消失，导通状态仍能保持，所以控制电压没有必要一 直存在，通常采用脉冲形式，以降低触发功耗使阳极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断若在交流回路中应用，当电流过零和进入负半周时，自动关断 ，为了使其再次导通，必须重加控制信号2. 双向晶闸管晶闸管应用于交流电路控制时，如图12-10所示 采用两个器件反并联，以保证电流能沿正反两个方向流通 如把两只反并联的SCR制作在同一片硅片上，便构成双向可控硅，控制极共 用一个，使电路大大简化，其特性如下： ①控制极G上无信号时，A1、A2之间呈高阻抗，管子截止。
②VA1A2＞1.5V时，不论极性如何，便可利用G触发电流控制其导通 ③工作于交流时，当每一半周交替时，纯阻负载一般能恢复截止；但在感性 负载情况下，电流相位滞后于电压，电流过零，可能反向电压超过转折电 压，使管子反向导通所以，要求管子能承受这种反向电压，而且一般要 加RC吸收回路 ④A1、A2可调换使用，触发极性 可正可负，但触发电流有差异 双向可控硅经常用作交流调压、 调功、调温和无触点开关3.光耦合双向可控硅驱动器有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有过零检测器，以 保证在电压为零（接近于零）时才触发可控硅导通，如 MOC3030/31/32（用于115V交流），MOC3040/41（用于220V 交流）带过零触发的双向晶闸管触发电路：14.6 集电极开路（OC）门接口 OC门的集电极C需要通过上拉电阻连接至+V电源，才能正常工作 由于C端独立接至+V电源，集电极电压可以比芯片的供电电源 电压VCC 更高，使输出级能够提供更大的驱动能力选用OC门作为单片机的驱动接口，可以实现开关量的电流放大和 电压放大功能需要注意的是，选择芯片时，不能根据引脚图辨别芯片是否带有 OC门，必须查阅芯片 的数据手册。
通常OC门芯片的数据手册中 会附有“Withopen—collectorouptuts‘’之类的文字 说明OC门芯片 必须通过上拉电阻或用电负载把输出 端连接到供电电源·14.7 达林顿晶体管阵列驱动电路需要驱动中功率继电器、电磁开关、大笔划LED显示板等装置 ，且驱动电流达几百毫安和驱动的通道数目较多时，可采用达 林顿晶体管阵列驱动芯片达林顿晶体管是由两个晶体管级联复合而成，其电流放大倍数β 值是每个晶体管β值之乘积，因此能提供大输出电流达林顿晶体管阵列驱动芯片由多对达林顿复合管构成，具有输 入阻抗高、增益高、输出功率大等特点，且具有完善的保护措 施，把多路驱动电路集成在一块芯片中，PCB布局方便且节省 空间达林顿晶体管阵列驱动芯片ULN2003A专门用来驱动继电器等大电流器件芯片集成 了7路反相驱动器，每路输出端允许通过500mA 电流，用法与集电极开路的OC门类似，外部电 压最高可达50V输人端与TTL、CMOS电路兼 容，可直接驱动继电器、固体继电器或大笔划 LED数码管显示板公共端引出脚COM，如果7 路输出端均接感性负载且外加电压V+都相同， COM可直接连接V+如果芯片不是接感性负载 ，COM可以悬空不用。
14.8 集成功率电子开关输出接口 集成功率电子开关是一种专为逻辑电路输出作接口而设计的 直流功率电子开关器件它可由TTL、HTL、DTL、CMOS等数 字电路直接驱动，该器件开关速度快、工作频率高、无噪声 、无触点，工作可靠、寿命长，目前在控制系统中常用来取 代机械触点继电器，已越来越多地在单片机控制应用系统中 作微电机控制、电磁阀驱动等特别适用于在那些需要抗潮 湿、抗腐蚀和防爆场合中作大电流开关 TWH8751和TWH8778是应用最广泛的两种 集成功率电子开关它们都为标准的 TO-220塑料封装，自带散热片，具有 5条外引脚： 2引脚VIN是输入引脚 1引脚ST为选通控制引脚 3引脚为V-，通常接地 4引脚Vo为输出引脚 5引脚V+为正电源引脚•TWH8751是逻辑开关，而不是模拟开关 •当工作电源电压超过6.8V时，应加限流电阻只Rs: Rs ＝(Vcc-6.8V)／10mA •输出级可以不与 V+端共电源，而 根据实际需要加 80—100V的高压 于负载上，但注 意不能超过100V， 如满负荷运用一 定要加散热器。