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图3.12(b)为CMOS门电路驱动控制。当CMOS反相器输出为高电平时，Q晶体管导通。红外发光二极管导通，光电耦合器中的输出达林顿管导通，继电器J吸合，其触点可完成规定的控制动作；反之，当CMOS门输出为低电平时，Q管截止，红外发光E二极管不导通，达林顿管截止，继电器J处于释放状态。

RfUo控制输入TTL

(a)

VDDJDRf+15VQCMOS控制输入

（b）

图3.12 光电耦合器应用举例

由于CMOS门电路驱动电流很小，应加一级晶体管开关电路驱动, 以满足红外发光二极管正向电流If的要求。Rf的计算公式为

RF?VDD?Vf?VcesIf

式中：VDD——CMOS门电路电源电压; Vf——二极管正向压降； Vces——Q晶体管饱和压降。 Q晶体管一般选用开关晶体管，其放大系数β为60～100，如3DK6,3DK8等。 选用输出部分为达林顿管的光电隔离器，其电流传输比CTR可达 5000％，即Io=50If适用于负载较大的应用场合。在采用光电耦合器驱动电磁继电器的控

制绕组时，应在控制绕组两侧反向并联二极管D，以抑制吸动时瞬态反电势的干扰，从而保护输出管。 在使用光电耦合器时，应注意区分输入部分和输出部分的极性，防止接反而烧坏器件。光电耦合器在电路中不应靠近发热元件，其工作参数不应超过规定的极限参数。

图3.13 电平转换电路图

图中A点接单片机引脚。单片机与直流电机模块的电平转换是借助一个光电耦合隔离器件和一个继电器组成的电路完成的。光电耦合隔离器件就是由电信号转换成光信号，再转换成电信号，达到输入及对输出级的隔离。其原理如下图所示：

图3.14 光电隔离器

光电隔离是由光电耦合器件来完成的，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光元，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用。

光电耦合器根据要求不同，由不同种类的发光元件和受光元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管与光敏三极管组合的光电耦合器。

采用高性能而廉价的光电耦合器件实现隔离技术，光电耦合器件把发光元件和受光元件同时封装在一个器件中，其工作时以光作为媒介来传递信息，以便隔离输入级与输出级的直接电连接，从而消除干扰。由于光电耦合器件它有一系列独特的优点，目前已广泛的被应用到计算机测量控制系统中，成为接口技术中常用的十分重要的接口器件。 光电耦合器有以下特点：

①体积小、重量轻、抗机械冲击能力强，使用方便、价格便宜、性能稳定、可靠性强。

②不受磁场影响，不需磁屏蔽。 ③共模抑制比高，抗干扰能力强。

④响应速度快，既可以传输直流信号，又可以传输高达几MHz的脉冲信号。

⑤输入端和输出端的地电位可以独立选取，而且它们之间的绝缘电压至少可达到1000V，最高可达到50000V。用其切断地环路来降低噪声电平时非常有效的。

⑥单向传送信号，寄生电容反馈小。 ⑦无触点、寿命长。 3.3.3限位开关输入的处理

图3.16 限位开关电路

采用这种并接RC的方法可以抑制抖动的影响，图3.16表示常开触点由RC组成的抗干扰电路。当S1未合上前，电容C已充电到+E电压，A端为“1”；当S1合上时，C经R1放电，A点电位逐渐降低，刚闭合时S1触点有抖动现象，B点电位急剧变化，但是由于电容C上的电压不能突变，从而A点电压不会随触点的抖动而急剧变化，于是消除了抖动干扰。 图3.15中R1的作用是：在开关闭合时增加A点电位的下降延时，以确保下降有一定的抗干扰时间，消除抖动的影响；限制电容C的放电电流，保护开关触点。R和C的数值要保证有一个合适的充放电时间常数。这个时间常数要大于触点的抖动时间，又要保证触点动作完成时，下级元件能及时获得正常的动作电平。在工程实践中，R取1～2kΩ，C取2.2～4.7μF。 3.4输出部分

3.4.1直流电机的控制

直流电机制造成本虽然比交流电动机大，但它具有调速特性优良、调整平滑和方便、调速范围广、过载能力大、能承受频繁的冲击负荷、可实现频繁的无极快速启动、制动和反转等一系列优点。因此，在控制领域中直流电动机的应用是极其广泛的。

直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置。直流电机用作发电机时，它将机械能转换为电能；用作电动机时，将电能转换为机械能。本次选用20W的直流电机作为电动机用。

直流电机主要由下列三个部分组成

（1）磁极 磁极是用来在电机中产生磁场的，它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组。

（2）电枢 电枢是电机中产生成感应电动势的部分。直流电机的电枢是旋转的。电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽；槽户放电枢绕组。

（3）换向器(整流子) 换向器是直流电机中的一种特殊装置，它是由楔形铜片组成，铜片间用云母垫片(或某种塑料垫片)绝缘。直流电机作电动机运行时，将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而s极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N(s)极下转到s(N)极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向不变。而这也必须通过换向器才得以实现。

直流电机电枢绕组中的电流(电枢电流I)与磁通Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常用下式表示

T＝KΦI

K——与电机结构有关的常数 Φ——磁通量

I——直流电机电枢绕组中的电流

K和Φ均为常数，所以电动机的转矩也就和电枢电流成正比。

电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相干衡。当轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。譬如，当负载增加，即阻力转矩增加时，电动机的电磁转矩便暂时小于阻力转矩，所以转速开始下降。随着转速的下降，当磁通量不变时，反电动势E必将减小，而电枢电流将增加，于是电磁转矩也随着增加。直到电磁转矩与阻力转矩达到新的平衡后，转速不再下降，而电动机以较原先低的转速稳定运行。这时的电枢电流已大干原先的，也就是说从电源输入的功率增加了。

直流电动机的励磁方式分为他励、并励、串励和复励四种。

A+EIfMIaRst-URf

图3.17 并励电动机接线图

直流电动机有以下三种状态：起动、制动、反转。 当将电动机接到电源起动时，转速从零逐渐上升到稳定值。在这过程中电动机的运行特性和稳定运行时是不同的。并励电动机在稳定运行时，其电枢电流为

U?EIa=

Ra因为电枢电阻Ra很小，所以电源电压U和反电动势E极为接近。 在电动机起动的初始瞬间，转速n＝0，所以E＝KΦn=0。

因为并励电动机的转矩正比于电枢电流，所以它的起动转矩也太大。它会产生机械冲击，使传动机构(例如齿轮)受损坏。因此，必须限制起动电流，限制起动电流的方法就是起动时在电枢电路中串接起动电阻。这时电枢中起动电流初始值一般规定不应超过额定电流的1.5～2.5倍。起动时，将起动电阻放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，把它逐段切除。

如果要改变直流电动机的转动方向，必须改变电磁转矩的方向。由左手定则可知：在磁场方向固定的情况下，必须改变电枢电流的方向；如果电枢电流的方向不变，改变励磁电流的方向同样可以达到反转的目的。 3.4.2继电器的选择

类别 微功率继电器 小功率继电15 120 5 50 器 中功率继电120 500 50 150 器 大功率继电500 150 器 由于直流电机的功率20W,故选用小功率继电器即可满足要求。 另外，直流电机的隔离措施采用的是上面介绍的光电耦合器，在此就不再赘述。

3.4.3用继电器控制直流电机

从单片机出来的信号同样也要经过电平转换，其转换器件与原理和输入部分相同。在单片机应用系统中，要接入电动机这样的高电压和大电流设备，不能用单片机的I/O口线直接驱动。单片机系统必须具有将输出的低电压、小电流信号转换成高电压、大电流信号的装置，被称为功率接口。功率接口器主要完成：（1）提供必需的电压和电流；（2）被单片机所控制。74系列功率集成电路是单片结构的集电极开路高压输出缓冲器/驱动器。

图3.18是一个直流电磁继电器采用晶体管驱动的电路图。当P0.0为低电平时，继电器吸合；P0.0为高电平时，继电器释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。继电器由普通晶体管9013驱动，

表2 控制继电器按负荷大小的分类 受控电路负荷大小 交流容量（VA） 直流功率（W） 大于 小于 大于 小于 15 5