在现代电子系统中，传统电气设备所采用的各类控制信号，必须经过转换，以适配输入 / 输出口的数字信号要求。用户设备需要输入到单片机的各种控制信号，例如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其他一些传感器输出的开关量等，都要通过输入电路转换为单片机能够接收和处理的信号。而输出电路的作用则是将单片机送出的弱电控制信号进行转换和放大，使其成为现场所需的强输出信号，从而驱动功率管、电磁阀、继电器、接触器、电动机等被控制设备的执行元件，以满足实际控制系统的使用需求。针对电气控制产品的特点，本文将深入探讨几种单片机 I/O 的常用驱动和隔离电路的设计方法，这对于合理设计电气控制系统、提高电路的接口能力、增强系统稳定性和抗干扰能力具有重要的实际指导意义。

输入电路设计

一般而言，输入信号最终会以开关形式输入到单片机中。从工程经验来看，开关输入的控制指令有效状态采用低电平比采用高电平效果更佳。当按下开关 S1 时，发出的指令信号为低电平，而在平时不按下开关 S1 时，输出到单片机上的电平则为高电平。这种方式具有较强的耐噪声能力。
考虑到 TTL 电平电压较低，在长线传输中容易受到外界干扰，我们可以将输入信号提高到 + 24 V，并在单片机入口处将高电压信号转换成 TTL 信号。这种高电压传送方式不仅提高了耐噪声能力，还能使开关的接触良好，运行更加可靠。为了防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚，我们可以在输入端增加防脉冲的二极管，形成电阻双向保护电路。无论输入端出现何种极性的破坏电压，保护电路都能把该电压的幅度限制在输入端所能承受的范围之内。缓冲电阻 RS 约为 1.5 - 2.5 kΩ，它与输入电容 C 构成积分电路，能够对外界感应电压延迟一段时间。
此外，采用隔离电路也是一种常用的输入方式。输入端靠光信号耦合，在电气上做到了完全隔离。同时，发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小，不会产生地线干扰或其他串扰，从而增强了电路的抗干扰能力。在满足功能的前提下，提高单片机输入端可靠性最简单的方案是：在输入端与地之间并联一只电容来吸收干扰脉冲，或串联一只金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。

图 1 开关信号输入

图 2 提高输入信号电平

图 3 输入端保护电路

图 4 输入端光耦隔离

输出电路设计

单片机输出端口受驱动能力的限制，一般情况下均需专用的接口芯片。其输出虽因控制对象的不同而千差万别，但一般情况下均需满足对输出电压、电流、开关频率、波形上升下降速率和隔离抗干扰的要求。在此，我们讨论几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。

直接耦合

在采用直接耦合的输出电路中，要避免出现不合理的电路设计。例如，在某些电路中，当 T1 截止、T2 导通期间，为了对 T2 提供足够的基极电流，R2 的阻值必须很小。但在 T2 截止期间，T1 必须导通，高压 + 15 V 全部降在电阻 R2 上，会产生很大的电流，这显然是不合理的。另外，T1 的导通还会使单片机高电平输出被拉低至接近地电位，引起输出端不稳定。
而合理的直接耦合输出电路，由 T1 和 T2 组成耦合电路来推动 T3。当 T1 导通时，在 R3、R4 的串联电路中产生电流，在 R3 上的分压大于 T2 晶体管的基射结压降，促使 T2 导通，T2 提供了功率管 T3 的基极电流，使 T3 变为导通状态。当 T1 输入为低电平时，T1 截止，R3 上压降为零，T2 截止，最终 T3 截止。R5 的作用在于：一方面作为 T2 集电极的一个负载，另一方面 T2 截止时，T3 基极所储存的电荷可以通过电阻 R3 迅速释放，加快 T3 的截止速度，有利于减小损耗。

图 5 错误的输出电路

图 6 直接耦合输出电路

TTL 或 CMOS 器件耦合

若单片机通过 TTL 或 CMOS 芯片输出，一般均采用集电极开路的器件。集电极开路器件通过集电极负载电阻 R1 接至 + 15 V 电源，提升了驱动电压。但这种电路的开关速度低，若用其直接驱动功率管，则当后续电路具有电感性负载时，由于功率管的相位关系，会影响波形上升时间，造成功率管动态损耗增大。为了改善开关速度，可采用两种改进形式输出电路。一种是能快速开通的改进电路，当 TTL 输出高电平时，输出点通过晶体管 T1 获得电压和电流，充电能力提高，从而加快开通速度，同时也降低了集电极开路 TTL 器件上的功耗。另一种为推挽式的改进电路，采用这种电路不但可提高开通时的速度，而且也可提高关断时的速度。输出晶体管 T1 是作为射极跟随器工作的，不会出现饱和，因而不影响输出开关频率。

图 7 TTL 或 CMOS 器件输出电路

脉冲变压器耦合

脉冲变压器是典型的电磁隔离元件，单片机输出的开关信号转换成一种频率很高的载波信号，经脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器原、副边间没有电路连接，所以输出是电平浮动的信号，可以直接与功率管等强电元件耦合。这种电路必须有一个脉冲源，脉冲源的频率是载波频率，应至少比单片机输出频率高 10 倍以上。当单片机输出高电平时，G 门打开，输出脉冲进入变压器，变压器的副线圈输出与原边相同频率的脉冲，通过二极管 D1、D2 检波后经滤波还原成开关信号，送入功率管。当单片机输出低电平时，G 门关闭，脉冲源不能通过 G 门进入变压器，变压器无输出。这里，变压器既传递信号，又传送能量，提高了脉冲源的频率，有利于减轻变压器的体重。由于变压器可通过调整电感量、原副边匝数等来适应不同推动功率的要求，所以应用起来比较灵活。更重要的是，变压器原副边线圈之间没有电的联系，副线圈输出信号可以跟随功率元件的电压而浮动，不受其电源大小的影响。当单片机输出较高频率的脉冲信号时，可以不采用脉冲源和 G 门，对变压器原副边电路作适当调整即可。

图 8 脉冲变压器输出电路

光电耦合

光电耦合可以传输线性信号，也可以传输开关信号，在输出级应用时主要用来传递开关信号。单片机输出控制信号经缓冲器 7407 放大后送入光耦。R2 为光耦输出晶体管的负载电阻，它的选取应保证：在光耦导通时，其输出晶体管可靠饱和；而在光耦截止时，T1 可靠饱和。但由于光耦响应速度慢使开关延迟时间加长，限制了其使用频率。

图 9 光耦输出电路
综上所述，合理设计单片机 I/O 的驱动与隔离电路，对于提高电气控制系统的性能和稳定性至关重要。不同的电路设计方法各有优缺点，在实际应用中，需要根据具体的需求和场景进行选择和优化。