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摘要：计算机系统的应用，一般由环境数据的采集和转换，计算机系统处理，输出处理结果这几个步骤组成。通常的环境数据，都是一些自然界中的物理量，这些物理量通过传感器转换成计算机系统能识别电电信号，然后才能进行处理。这些信号中，只有两种状态的开关量信号是最常出现的。本文介绍了一种以51单片机作为控制核心，以TPL621-4为隔离器件的开关量输入输出装置的设计。首先介绍了该装置的硬件构成及设计原理，其次介绍了软件设计的基本原理。
关键词：开关量；输入输出；51单片机；设计原理
引言
开关量是一种非常常见的可以由计算机系统进行处理的信号。它只有两种状态，对应数字量的0和1，通常是由开关或检测开关状态的一些传感器产生。开关量的处理中，有两个关键问题：1）电源系统的隔离；2）开关量的软件处理方式。
1 總体架构
本装置的核心是一颗51单片机。开关量的输入输出由4片TLP621-4完成，分别对应4路输入和4路输出，开关量输入数据的显示由四位数码管完成。电源系统的转换和隔离由一片DC/DC电源转换器完成。此外，该装置带一路RS232串行输入接口，可以将开关量输入的数据上传到其他设备，也可以根据其他设备发来的数据帧控制开关量输出。
2 硬件电路设计原理
1）DC/DC电源模块
开关量输入来自于外部的设备，最常见的是各种开关。开关量输出用于驱动一些执行机构，比如各种继电器。这两种设备常常需要较高的工作电压，被驱动时也需要较大的电流。这样的电压电流指标不是51单片机系统的工作电源及接口能直接提供的，因此需要加一个电源模块。
上述两种设备经常工作在高压环境下，电源环境不是很好。同时，它们开合时也会产生大量的抖动信号。如果这样的信号直接接入单片机系统，就会造成严重的干扰。因此，开关量的输入输出与单片机系统之间一定要做电源的隔离。为此，该DC/DC模块选用了带隔离的型号。
2）光电耦合器
光电耦合器是通过光信号传递信息的一种器件，可以在两个工作于独立电源系统的装置间传递信号，同时隔离地平面上的干扰。
本装置选用的光耦是TLP621-4，这个器件的输入端是一个发光二极管，输出端是一个光敏三极管，发光二极管的亮灭可控制光敏三极管的通断。在开关量的输入端，开关的开合可以控制光耦输出端光敏三极管的通断，从而产生相应的高低电平输入到单片机，单片机通过判断读入的信号是0还是1，获得开关的状态。同理，在开关量输出端，光耦的输入端接收单片机发出的0或1的信号，这个信号对应光耦输入端发光二极管的亮灭，从而控制光耦输出端光敏三极管的通断，这个通断状态对应产生的高低电平就可以用来驱动执行机构。
一片TLP621-4中包含了4路完全一样且独立的光电耦合器。
开关量输入输出端的原理图如下所示：
3 软件设计原理
处理开关量输入输出的软件设计通常有两种方法：查询法和中断法。查询法的硬件设计如图1和图2所示。这种方法的软件代码设计十分简单，获取开关量输入数据只需要读相应的单片机I/O口状态就行。实现开关量输出，直接把要输出的数据发到单片机的I/O口就可以了。中断法相对复杂一些。硬件设计上要有多外部中断源处理电路，软件设计上要在中断服务程序中处理开关量输入输出数据。
结语
本文介绍了一种基于51单片机的开关量输入输出装置的设计。包括该装置的整体架构、以及软硬件设计原理的及介绍。该设计成本低廉，抗干扰性能也很好。
参考文献：
[1] Toshiba Semiconductor，TLP621-4：PROGRAMMABLE CONTROLLER AC/DC-INPUT MODULE SOLID STATE RELAY
[2] Maxim Technology，Datasheet of MAX232，19-0175；Rev 5；10/03
[3] 张毅刚，彭喜元，彭宇，单片机原理及应用，高等教育出版社，2009
关键词：开关量；输入输出；51单片机；设计原理
引言
开关量是一种非常常见的可以由计算机系统进行处理的信号。它只有两种状态，对应数字量的0和1，通常是由开关或检测开关状态的一些传感器产生。开关量的处理中，有两个关键问题：1）电源系统的隔离；2）开关量的软件处理方式。
1 總体架构
本装置的核心是一颗51单片机。开关量的输入输出由4片TLP621-4完成，分别对应4路输入和4路输出，开关量输入数据的显示由四位数码管完成。电源系统的转换和隔离由一片DC/DC电源转换器完成。此外，该装置带一路RS232串行输入接口，可以将开关量输入的数据上传到其他设备，也可以根据其他设备发来的数据帧控制开关量输出。
2 硬件电路设计原理
1）DC/DC电源模块
开关量输入来自于外部的设备，最常见的是各种开关。开关量输出用于驱动一些执行机构，比如各种继电器。这两种设备常常需要较高的工作电压，被驱动时也需要较大的电流。这样的电压电流指标不是51单片机系统的工作电源及接口能直接提供的，因此需要加一个电源模块。
上述两种设备经常工作在高压环境下，电源环境不是很好。同时，它们开合时也会产生大量的抖动信号。如果这样的信号直接接入单片机系统，就会造成严重的干扰。因此，开关量的输入输出与单片机系统之间一定要做电源的隔离。为此，该DC/DC模块选用了带隔离的型号。
2）光电耦合器
光电耦合器是通过光信号传递信息的一种器件，可以在两个工作于独立电源系统的装置间传递信号，同时隔离地平面上的干扰。
本装置选用的光耦是TLP621-4，这个器件的输入端是一个发光二极管，输出端是一个光敏三极管，发光二极管的亮灭可控制光敏三极管的通断。在开关量的输入端，开关的开合可以控制光耦输出端光敏三极管的通断，从而产生相应的高低电平输入到单片机，单片机通过判断读入的信号是0还是1，获得开关的状态。同理，在开关量输出端，光耦的输入端接收单片机发出的0或1的信号，这个信号对应光耦输入端发光二极管的亮灭，从而控制光耦输出端光敏三极管的通断，这个通断状态对应产生的高低电平就可以用来驱动执行机构。
一片TLP621-4中包含了4路完全一样且独立的光电耦合器。
开关量输入输出端的原理图如下所示：
3 软件设计原理
处理开关量输入输出的软件设计通常有两种方法：查询法和中断法。查询法的硬件设计如图1和图2所示。这种方法的软件代码设计十分简单，获取开关量输入数据只需要读相应的单片机I/O口状态就行。实现开关量输出，直接把要输出的数据发到单片机的I/O口就可以了。中断法相对复杂一些。硬件设计上要有多外部中断源处理电路，软件设计上要在中断服务程序中处理开关量输入输出数据。
结语
本文介绍了一种基于51单片机的开关量输入输出装置的设计。包括该装置的整体架构、以及软硬件设计原理的及介绍。该设计成本低廉，抗干扰性能也很好。
参考文献：
[1] Toshiba Semiconductor，TLP621-4：PROGRAMMABLE CONTROLLER AC/DC-INPUT MODULE SOLID STATE RELAY
[2] Maxim Technology，Datasheet of MAX232，19-0175；Rev 5；10/03
[3] 张毅刚，彭喜元，彭宇，单片机原理及应用，高等教育出版社，2009