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1、单片机原理及应用课件第单片机原理及应用课件第1212章章12.1.1 12.1.1 MCS-51MCS-51片内片内I/OI/O口的驱动能力口的驱动能力 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。可控硅、固态继电器和功率电子开关。能否用能否用MCS-51MCS-51片内的片内的I/OI/O口直接驱动它们呢？口直接驱动它们呢？P0P0、P1P1、P2P2、P3P3四个口都可做输出口，但其驱动能力四个口都可做输出口，但其驱动能力不同。不同。P0P0口的驱动能力较大，当其口的驱动能力较大，当其输出高电平输出高电平时，
2、可提供时，可提供400400 A A的电流；当其的电流；当其输出低电平输出低电平（0.450.45V V）时，则时，则可提供可提供3.23.2mAmA的灌电流，如低电平允许提高，灌电的灌电流，如低电平允许提高，灌电流可相应加大。流可相应加大。光电晶体管的集电极电流光电晶体管的集电极电流IcIc与发光二极管的电流与发光二极管的电流I IF F之之比称为光电耦合器的电流传输比。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。合器的输入输出延迟时间相差很大。图图12-412-4是使用是使用4 4
3、N25N25的光电耦合器接口电路图。的光电耦合器接口电路图。 4 4N25N25使使两两部部分分的的电电流流信信号号独独立立。输输出出部部分分的的地地线线接接机机壳壳或或接接大大地地，而而80318031系系统统的的电电源源地地线线浮浮空空，不不与与交交流流电电源源的的地地线线相相接接。可可避避免免输输出出部部分分电电源源变变化化对对单单片片机机电电源源的的影影响响，减减少少系系统统所所受受的的干干扰扰，提提高高系系统统的可靠性。的可靠性。4 4N25N25输入输出端的最大隔离电压输入输出端的最大隔离电压25002500V V。光电耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。光电耦合器也常用于较远距
4、离的信号隔离传送。(1) (1) 可可以以起起到到隔隔离离两两个个系系统统地地线线的的作作用用，使使两两个个系系统统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。(2) (2) 光光电电耦耦合合器器的的发发光光二二极极管管是是电电流流驱驱动动器器件件，可可以以形形成成电电流流环环路路的的传传送送形形式式。由由于于电电流流环环电电路路是是低低阻阻抗抗电电路路，它它对对噪噪音音的的敏敏感感度度低低，因因此此提提高高了了通通讯讯系系统的抗干扰能力。统的抗干扰能力。图图12-512-5用光电耦合器组成的用光电耦合器组成的电流环发送和接收电路。电流环发送和接收电
5、路。图图12-512-5电路可以用来传输数据，最大速率为电路可以用来传输数据，最大速率为5050Kb/sKb/s，最最大传输距离为大传输距离为900900米。环路连线的电阻对传输距离米。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影响很大，此电路中环路连线电阻不能大于3030，当连线电阻较大时，当连线电阻较大时，100100的限流电阻要相应减小。的限流电阻要相应减小。光电耦合管使用光电耦合管使用TIL110TIL110，开关速度比开关速度比4 4N25N25快。快。表表12-2(12-2(P319)P319)为常用的晶体管输出型光电耦合器，供选为常用的晶体管输出型光电耦合器，
6、供选用光电耦合器参考。用光电耦合器参考。2. 2. 晶闸管输出型光电耦合器驱动接口晶闸管输出型光电耦合器驱动接口输输出出端端是是光光敏敏晶晶闸闸管管或或光光敏敏双双向向晶晶闸闸管管。当当光光电电耦耦合合器器的输入端有一定的电流流入时，晶闸管即导通。有的输入端有一定的电流流入时，晶闸管即导通。有的的光光电电耦耦合合器器的的输输出出端端还还配配有有过过零零检检测测电电路路，用用于于控控制制晶晶闸闸管管过过零零触触发发，以以减减少少用用电电器器在在接接通通电电源源时时对对电网的影响。电网的影响。4 4N40N40是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器。是常用的单向晶闸管输出型光电耦合器。当输入当输入端有
7、端有15153030mAmA电流时电流时, ,输出端的晶闸管导通。输出输出端的晶闸管导通。输出端的额定电压为端的额定电压为400400V V，额定电流有效值为额定电流有效值为300300mAmA。隔离电压为隔离电压为1500150075007500V V。4N404N40的的6 6脚是输出晶闸管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的控制端，不使用此端时，此端可对阴极接一个电阻。阻。MOC3041MOC3041是常用的是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器双向晶闸管输出的光电耦合器，带，带过零触发电路，输入端的控制电流为过零触发电路，输入端的控制电流为1515mAmA，输出端输
8、出端额定电压为额定电压为400400V V，输入输出端隔离电压为输入输出端隔离电压为75007500V V。图图12-612-6是是4 4N40N40和和MOC3041MOC3041的接口驱动电路。的接口驱动电路。4 4N40N40常常用用于于小小电电流流用用电电器器的的控控制制，如如指指示示灯灯等等，也也可可以以用用于于触触发发大大功功率率的的晶晶闸闸管管。MOC3041MOC3041一一般般不不直直接接用用于于控控制制负负载载，而而用用于于中中间间控控制制电电路路或或用用于于触触发发大大功功率的晶闸管。率的晶闸管。12.2.2 12.2.2 MCS-51MCS-51与继电器的接口与继电器的
9、接口1. 1. 直流电磁式继电器功率接口直流电磁式继电器功率接口一一般般用用功功率率接接口口集集成成电电路路或或晶晶体体管管驱驱动动。在在使使用用较较多多继继电电器器的的系系统统中中，可可用用功功率率接接口口集集成成电电路路驱驱动动，例例如如SN75468SN75468，一一片片SN75468SN75468可可驱驱动动7 7个个继继电电器器，驱驱动动电电流可达流可达500500mAmA，输出端最大工作电压为输出端最大工作电压为100100V V。常常用用的的继继电电器器大大部部分分属属于于直直流流电电磁磁式式继继电电器器，也也称称为为直直流流继继电电器器。图图12-712-7是是直直流流继继电
10、电器器的的接接口口电电路路。继继电电器器的的动动作作由由单单片片机机80318031的的P1.0P1.0端端控控制制。P1.0P1.0端端输输出出低低电电平平时时，继继电电器器J J吸吸合合；P1.0P1.0端端输输出出高高电电平平时时，继继电电器器J J释释放放。采采用用这这种种控控制制逻逻辑辑可可以以使使继继电电器器在在上电复位或单片机受控复位时不吸合。上电复位或单片机受控复位时不吸合。 二极管二极管D D的作用是保护晶体管的作用是保护晶体管T T。原理如下：原理如下：当当继继电电器器J J吸吸合合时时，二二极极管管D D截截止止，不不影影响响电电路路工工作作。继继电电器器释释放放时时，由
11、由于于继继电电器器线线圈圈存存在在电电感感，这这时时晶晶体体管管T T已已经经截截止止，所所以以会会在在线线圈圈的的两两端端产产生生较较高高的的感感应电压，极性是上负下正应电压，极性是上负下正。 2. 2. 交流电磁式接触器的功率接口交流电磁式接触器的功率接口继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触接触器器。接触器的触点数一般较多。交流电磁式接触器。接触器的触点数一般较多。交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电由于线圈的工作电压要求是交流电, ,所以通常使用双所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电向晶闸管驱动或使用一个
12、直流继电器作为中间继电器控制。图器控制。图12-812-8是交流接触器的接口电路图。是交流接触器的接口电路图。 交交流流接接触触器器C C由由双双向向晶晶闸闸管管KSKS驱驱动动。双双向向晶晶闸闸管管的的选选择择要要满满足足：额额定定工工作作电电流流为为交交流流接接触触器器线线圈圈工工作作电电流流的的2 23 3倍倍；额额定定工工作作电电压压为为交交流流接接触触器器线线圈圈工工作作电电压压的的2 23 3倍倍。对对于于工工作作电电压压220220V V的的中中、小小型型的的交交流流接触器，可以选择接触器，可以选择3 3A A、600V600V的双向晶闸管。的双向晶闸管。光光电电耦耦合合器器MO
13、C3041MOC3041的的作作用用是是触触发发双双向向晶晶闸闸管管KSKS以以及及隔隔离单片机系统和接触器系统。离单片机系统和接触器系统。MOC3041MOC3041的的输输入入端端接接74077407，由由单单片片机机80318031的的P1.0P1.0端端控控制制。P1.0P1.0输输出出低低电电平平时时，双双向向晶晶闸闸管管KSKS导导通通, ,接接触触器器C C吸吸合合。P1.0P1.0输输出出高高电电平平时时, ,双双向向晶晶闸闸管管KSKS关关断断，接接触触器器C C释释放放。MOC3041MOC3041内内部部带带有有过过零零控控制制电电路路，因因此此双双向向晶晶闸闸管管KSK
14、S工工作作在在过过零零触触发发方方式式。接接触触器器动动作作时时，电电源电压较低，这时接通用电器，对电源的影响较小。源电压较低，这时接通用电器，对电源的影响较小。 12.2.3 12.2.3 MCS-51MCS-51与晶闸管的接口与晶闸管的接口1. 1. 单向晶闸管单向晶闸管晶晶闸闸管管习习惯惯上上称称可可控控硅硅（整整流流元元件件），英英文文名名为为Silicon Silicon Controlled Controlled RectifierRectifier，简简写写成成SCRSCR，这这是是一一种种大大功功率率半半导导体体器器件件，它它既既有有单单向向导导电电的的整整流流作作用用，又又有
15、有可可以以控控制制的的开开关关作作用用。利利用用它它可可用用较较小小的的功功率率控控制制较较大大的的功功率率。在在交交、直直流流电电动动机机调调速速系系统统、调调功功系系统统、随随动动系系统统和和无无触触点点开开关关等等方方面面均均获获得得广广泛泛的的应应用用，如如下下图图示示，有有三三个个电电极极：阳阳极极A A、阴阴极极C C、控控制制极极（门门极）极）G G。当当其其两两端端加加上上正正向向电电压压而而控控制制极极不不加加电电压压时时，晶晶闸闸管管并并不不导导通通，正正向向电电流流很很小小，处处于于正正向向阻阻断断状状态态；当当加加上上正正向向电电压压，且且控控制制极极上上（与与阴阴极极
16、间间）也也加加上上一一正正向向电电压压时时，晶晶闸闸管管便便进进入入导导通通状状态态，这这时时管管压压降降很很小小（1 1V V左左右右）。这这时时即即使使控控制制电电压压消消失失，仍仍能能保保持持导导通通状状态态，所所以以控控制制电电压压没没有有必必要要一一直直存存在在，通通常常采采用用脉脉冲冲形形式式，以以降降低低触触发发功功耗耗。它它不不具具有有自自关关断断能能力力，要要切切断断负负载载电电流流，只只有有使使阳阳极极电电流流减减小小到到维维持持电电流流以以下下，或或加加上上反反向向电电压压实实现现关关断断。若若在在交交流流回回路路中中应应用用，当当电电流流过过零零和和进进入入负负半半周周
17、时时，自自动动关断，为了使其再次导通，必须重加控制信号。关断，为了使其再次导通，必须重加控制信号。2. 双向晶闸管双向晶闸管晶闸管应用于交流电路控制时，如图晶闸管应用于交流电路控制时，如图12-1012-10所示。所示。 采采用用两两个个器器件件反反并并联联，以以保保证证电电流流能能沿沿正正反反两两个个方方向向流通。流通。 如如把把两两只只反反并并联联的的SCRSCR制制作作在在同同一一片片硅硅片片上上，便便构构成成双双向向可可控控硅硅，控控制制极极共共用用一一个个，使使电电路路大大大大简简化化，其其特性如下：特性如下： 控控制制极极G G上上无无信信号号时时，A A1 1、A A2 2之之间
18、间呈呈高高阻阻抗抗，管管子子截截止。止。 V VA1A2A1A21.5V1.5V时时，不不论论极极性性如如何何，便便可可利利用用G G触触发发电电流控制其导通。流控制其导通。工工作作于于交交流流时时，当当每每一一半半周周交交替替时时，纯纯阻阻负负载载一一般般能能恢恢复复截截止止；但但在在感感性性负负载载情情况况下下，电电流流相相位位滞滞后后于于电电压压，电电流流过过零零，可可能能反反向向电电压压超超过过转转折折电电压压，使使管管子子反反向向导导通通。所所以以，要要求求管管子子能能承承受受这这种种反反向向电压，而且一般要加电压，而且一般要加RCRC吸收回路。吸收回路。A A1 1、A A2 2可
19、可调调换换使使用用，触触发发极极性性可可正正可可负负，但但触触发发电电流有差异。流有差异。双双向向可可控控硅硅经经常常用用作作交交流流调调压压、调调功功、调调温温和和无无触触点点开开关关，过过去去其其触触发发脉脉冲冲一一般般都都用用硬硬件件产产生生，故故检检测测和和控控制制都都不不够够灵灵活活，而而在在单单片片机机控控制制应应用用系系统统中中则则经常可利用软件产生触发脉冲。经常可利用软件产生触发脉冲。3.3.光耦合双向可控硅驱动器光耦合双向可控硅驱动器是单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，是单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件，由两部分组成，输入部分是一砷化镓发光二极管，由两部分
20、组成，输入部分是一砷化镓发光二极管，该二极管在该二极管在5 5- -15mA15mA正向电流作用下发出足够强度的正向电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向红外光，触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向导通。该器件为可控硅，在红外线的作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装，其引脚配置和内部结构见六引脚双列直插式封装，其引脚配置和内部结构见图图12-1112-11。 有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有过零检测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）时才触发可控器，以保证在电压为零（接近于零）
21、时才触发可控硅导通，如硅导通，如MOC3030/31/32MOC3030/31/32（用于用于115115V V交流），交流），MOC3040/41MOC3040/41（用于用于220220V V交流）。交流）。图图12-1212-12为这类光为这类光耦驱动器与双向可控硅的典型电路。耦驱动器与双向可控硅的典型电路。在使用晶闸管的控制电路中，常要求晶闸管在电源电在使用晶闸管的控制电路中，常要求晶闸管在电源电压为零或刚过零时触发晶闸管，来减少晶闸管在导压为零或刚过零时触发晶闸管，来减少晶闸管在导通时对电源的影响。这种触发方式称为通时对电源的影响。这种触发方式称为过零触发过零触发。过零触发需要过零检测电路，有些光电耦合器内部过零触发需要过零检测电路，有些光电耦合器内部含有过零检测电路，如含有过零检测电路，如MOC3061MOC3061双向晶闸管触发电双向晶闸管触发电路。路。图图12-1312-13是使用是使用 MOC3061MOC3061双向晶闸管的过零触双向晶闸管的过零触发电路。发电路。 图图12-1212-12表表12-312-3列出了列出了MOTOROLAMOTOROLA公司公司MOC3000MOC3000系列光耦合双向系列光耦合双向可控硅驱动器的参数。可控硅驱动器的参数。12.2.4 12.2.4 MCS-51MCS-51与集成功率电子开关输出接口与集成功率电子开关输出接口
