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随着微电子技术和计算机技术的发展，以强电、电器为主、功能简单的电气设备发展成为具有数字化特点、功能完善的新型微电子设备。
在许多情况下，越来越多的单片机产品取代了传统的电气控制产品。通过软件指令实现单片机的控制功能，其硬件配置也可变、易变。因此，一旦生产过程发生变化，就不需要重新设计线路连接安装，这有利于产品的更新和订单生产。
用户设备必须输入限位开关等单片机的各种控制信号 通过输入电路将操作按钮、选择开关、行程开关等传感器输出的开关量转换为单片机可接收和处理的信号。输出电路应为单片机发送的弱电控制信 将号码转换并放大到现场所需的强输出信号，以驱动控制设备的执行元件，如功率管、电磁阀和继电器、接触器和电机，便于实际控制系统的使用。
本文讨论了电气控制产品的特点，具有合理设计电气控制系统、提高电路接口能力、提高系统稳定性和抗干扰能力的实际指导意义。
一般输入信号最终以开关的形式输入到单片机中。根据工程经验，低电平比高电平效果好得多，如图1所示。按下开关S1.发出的指令信号为低电平，平时不按开关S1.输出到单片机的电平为高电平。这种方法具有很强的抗噪能力。
图1 输入开关信号
若考虑原因TTL电平电压低，在长期传输中容易受到外部干扰，可以将输入信号提高到 24 V，在单片机入口处转换高压信号TTL信号。这种高压传输方式不仅提高了耐噪声性，而且使开关接触良好，运行可靠，如图2所示。 中，D1.反向电压保护二极管≥50 V。
图2 提高输入信号电平
图3 输入端保护电路
为防止外界尖峰干扰和静电影响损坏输入引脚，可在输入端增加防脉冲二极管，形成电阻双向保护电路，如图3所示。二极管D1、D2、 D3正向导通压降UF≈0.7 V，反向击穿电压UBR≈30 V，无论输入端的极性损伤电压如何，保护电路都可以将电压范围限制在输入端所能承受的范围内。即：VI～VCC正脉冲出现时，D1正向导 通；VI～VCC负脉冲，D2反向击穿；VI与地之间正脉冲出现时，D3反向击穿；VI与地之间负脉冲，D三、二极管起钳位保护作用。缓冲电阻RS约为1.5～2.5 kΩ，与输入电容C形成积分电路，延迟外部感应电压一段时间。若干扰电压的存在时间小于τ，输入端承受的有效电压将远低于其范围；如果时间长，D1 导通，电流在RS形成一定的压降，从而降低输入电压值。
此外，采用光耦隔离电路是一种常用的输入方式。如图4所示，R为输入限流电阻，光耦中的发光二极管电流限制在10~20 mA。输入端通过光信号耦合完全隔离电气。
同时，发光二极管的正阻抗值较低，而外部干扰源的内阻一般较高。根据分压原理，干扰源可以送到输入 端部干扰噪声很小，不会产生地线干扰或其它串扰，增强了电路的抗干扰能力。
图4 输入光耦合隔离
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间并联一个电容器来吸收干扰脉冲，或串联一个金属薄膜电阻来限制流入端口的峰值电流。
单片机输出端口受驱动能力的限制，通常需要特殊的接口芯片。虽然输出因控制对象而异，但一般满足输出电压、电流、开关频率、波形升降速率和隔离抗干扰的要求。本文讨论了几种典型的单片机输出端到功率端的电路实现方法。
图5所示的电路应避免使用直接耦合的输出电路。
图5 输出电路错误
T1截止、T导通期间，为了对T提供足够的基极电流，R2的电阻必须很小。T2在射极跟随器工作，所以为了减少T2.集射间电压降必须控制在较小范围内。
这样，基间电压也很小，电阻R提供足够的基极电流的电阻值很小。R2电阻值过大，会大幅增加T2压降，引起T发烧严重T2截止期间，T高压必须导通 15 V电阻全部下降R产生大电流显然是不合理的。
另外，T导通将单片机高电平输出降低到接近地电位，导致输出端不稳定。T2基极被T1拉 由于绕组反电势的作用，组反电势的作用，如果后续是感性负载，T2的发射很可能有高电平，容易引起T2反向击穿管基射结。
图6是一个直接耦合输出电路T1和T2组成耦合电路推动T3。T1导通时，在R3、R4的串联电路中产生电流，在R三上分压大于T2 晶体管基射结压降促进T2导通，T提供功率管T3基极电流，使T3变成导通状态。当T输入为低电平时，T1截止，R上压降为零，T2截止， 最终T3截止。R5的作用是：一方面，作为T另一方面，2集电极的负载T2截止时，T储存在3个基极中的电荷可以通过电阻R快速释放，加速T3的截止速度，有利于减少损失。
图6 输出电路直接耦合
若单片机通过TTL或CMOS芯片输出一般采用集电极开路器件，如图7所示(a)所示。集电极开路器件通过集电极负载电阻R1接至 15 V提高驱动电压的电源。但需要注意的是，该电路的开关速度较低。如果直接驱动电源管，当后续电路具有电感负载时，电源管的相位关系会影响波形 功率管动态损失增加。
为了提高开关速度，可以两种形式的输出电路，如图7所示(b)和图7(c)所示。图7(b)可快速开启的改进电路TTL输出高电平 输出点通过晶体管T1获得电压和电流，提高充电能力，加快开启速度，减少集电极开路TTL设备上的功耗。图7(c)推挽式改进电路， 这种电路不仅可以提高开启速度，还可以提高关闭速度。输出晶体管T作为射极跟随器工作，不会出现饱和，因此不会影响输出开关的频率。
图7 TTL或CMOS装置输出电路
脉冲变压器是一种典型的电磁隔离元件。单片机输出的开关信号转换为高频载波信号，通过脉冲变压器耦合到输出级。由于脉冲变压器的原始和副边线圈之间没有电路连接，输出是一个电平浮动信号，可以直接耦合到强电元件，如图8所示。
图8 脉冲变压器输出电路
该电路必须有脉冲源，其频率为载波频率，至少比单片机输出频率高10倍。脉冲源输出脉冲输入控制门G，单片机输出信号 由另一端输入G门。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.经过滤波后检波 原始开关信号，送入功率管。当单片机输出低电平时，G门关闭时，脉冲源不能通过G门进入变压器，变压器无输出。
在这里，变压器不仅传递信号，还传递能量，提高脉冲源的频率，有利于减轻变压器的重量。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。
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。
如图9所示，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
单片机接口技术在很多资料中均有详细的介绍，但在对大量电气控制产品的改造和设计中，经常会碰到用接口芯片所无法解决的问题（如驱动电流大、开关速度慢、抗干扰差等），因此必须寻求另一种电路解决方案。
上述几种输入/输出电路通过广泛的应用表明，其对合理、可靠地实现单片机电气控制系统具有较高的工程实用价值。
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