一种用于单片机的输入保护电路及单片机系统的制作方法

1.本实用新型涉及mcu电路保护技术领域。具体地，本实用新型涉及一种用于单片机的输入保护电路及单片机系统。


背景技术：

2.微控制单元(microcontroller unit，mcu)，又称单片微型计算机或者单片机，是一种芯片级的计算机，可以对不同的应用场合做不同组合控制。利用单片机及其外围电路，可以形成复杂的单片机系统，从而实现各种复杂功能的设备，例如手机、遥控器、汽车电子等。在自动化和电子电路的应用领域中，mcu(单片机)作为控制中心，需要接收并处理输入的外部信号。输入mcu的外部信号可能是电压、电流或开关触点，如果直接接入电路可能会引起瞬时高压、过压、接触点抖动等问题。而且由于输入的外部信号的供电不同，也将导致输入的外部信号电平和mcu供电电平不一致，在使用过程中经常会出现烧毁io口，以致mcu工作异常或损坏。因此在外部信号输入mcu之前，需要经过转换、保护、滤波和隔离等相关措施。对于小功率的信号，通常设置相应的滤波电路进行滤波。对于大功率信号，由于外部信号与mcu内部电路的电压的压差相对较大，一般采用光电耦合器(简称光耦)进行隔离。
3.光电耦合器是以光为媒介传输电信号的器件，通常把发光器与受光器封装在同一管壳内，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收光线之后产生光电流，从输出端流出，从而实现“电—光—电”的转换。但是采用光电耦合器对大功率信号进行隔离的方法存在诸多缺点：(1)在全桥拓扑中，开关器件为4个，则需要3至4个光耦，而每一路光耦都需独立电源供电，增加了电路的复杂性，导致系统成本增加且可靠性降低。(2)由于光耦传输延迟比较较大，为了保证开关器件开通与关断的精确性，必须使各路的结构参数一致，并且使各路的延迟一致，但是目前的技术很难做到各方面的一致性。(3)光电耦合器的开关速度较慢，对驱动脉冲的前后沿产生较大延时，影响控制精度。
4.因此，如何设计一种结构简单、抗干扰能力强的输入保护电路对mcu(单片机)的稳定运行至关重要。


技术实现要素：

5.本实用新型通过设计一种对单片机进行输入保护的方案，在单片机的输入接口和外部输入端之间设置两个分别用于抑制电流倒灌和静电冲击的保护电路，从而有效保证单片机运行的稳定性。
6.为至少解决上述技术问题，根据本实用新型的第一个方面，本实用新型提供了一种用于单片机的输入保护电路，包括反向电流抑制电路和浪涌抑制电路；所述反向电流抑制电路与所述单片机的输入接口和外部信号输入端连接，用于抑制电流倒灌；所述浪涌抑制电路与所述外部信号输入端和地端连接，用于抑制浪涌脉冲冲击。
7.在一个实施例中，所述反向电流抑制电路中设置有至少一个二极管，所述二极管的正极与所述单片机的输入接口连接，所述二极管的负极与所述外部信号输入端连接，用
于抑制电流倒灌。
8.在一个实施例中，所述二极管为肖特基二极管。
9.在一个实施例中，所述浪涌抑制电路中设置有稳压管，所述稳压管的一端与所述外部信号输入端连接，所述稳压管的另一端接地，用于抑制浪涌脉冲冲击。
10.在一个实施例中，所述稳压管采用双向瞬态抑制二极管。
11.在一个实施例中，所述稳压管采用单向瞬态抑制二极管，所述单向瞬态抑制二极管的负极与所述外部信号输入端连接，所述单向瞬态抑制二极管的正极接地。
12.在一个实施例中，所述输入保护电路还包括第一滤波电容，所述第一滤波电容与所述稳压管并联，用于稳定外部输入电压。
13.在一个实施例中，所述输入保护电路还包括上拉电阻，所述上拉电阻的一端与单片机的电源端连接，所述上拉电阻的另一端与所述单片机的输入接口连接，用于将外部输入信号钳位在高电平。
14.在一个实施例中，所述输入保护电路还包括第二滤波电容，所述第二滤波电容与所述上拉电阻串联，所述第二滤波电容与所述上拉电阻的串联连接端与所述单片机的输入接口连接，所述第二滤波电容的另一端接地。
15.根据本实用新型的第二方面，本实用新型还提供了一种单片机系统，所述单片机系统包括单片机以及如前述第一方面的多个实施例中所述的用于单片机的输入保护电路。
16.本实用新型通过在单片机的输入接口和外部信号输入端之间设置反向电流抑制电路和浪涌抑制电路，从而有效抑制外部输入信号带来的浪涌脉冲冲击以及避免电流倒灌的情况发生。通过本方案中的两个电路的设计，即可实现对单片机的输入保护，保护电路的结构也比较简单，有效降低了单片机的输入保护电路的制作成本。进一步地，本实用新型的方案中，利用瞬态抑制二极管和肖特基二极管的组合，实现了对单片机的输入保护，在保证控制精度的同时减小了信号延时，有效提升单片机的信号处理效率。
附图说明
17.通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
18.图1是示意性示出根据本实用新型实施例的用于单片机的输入保护电路的示意图；
19.图2是示意性示出根据本实用新型实施例的输入保护电路中反向电流抑制电路的示意图；
20.图3是示意性示出根据本实用新型实施例的浪涌抑制电路中采用双向瞬态抑制二极管的示意图；
21.图4是示意性示出根据本实用新型实施例的浪涌抑制电路中采用单向瞬态抑制二极管的示意图；
22.图5是示意性示出根据本实用新型实施例的浪涌抑制电路中设置第一滤波电容的示意图；
23.图6是示意性示出根据本实用新型实施例的上拉电阻设置的示意图；
24.图7是示意性示出根据本实用新型实施例的第二滤波电容的示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.在自动化技术领域中，微控制单元(microcontroller unit，mcu)也叫单片机，作为主要的控制元件，经常工作于恶劣电磁环境中。在外部干扰较多的现场环境中，单片机的输入节点上需要承受高压瞬变，并且伴随着较大干扰信息的传输信号输入至单片机的引脚的能量水平存在显著差异，这也为单片机处理信号的鲁棒性带来挑战，因此需要对单片机设计相应的输入信号保护机制。如果在进行系统设计时，没有考虑这种保护机制，就可能导致系统处理效率和准确性的严重不足，且系统性能下降。本实用新型的方案便是针对单片机输入信号中可能伴随的浪涌、过压、雷击等干扰，导致将高电压和高电流注入电路中的情况，通过对单片机的输入保护电路设计，实现对单片机的优化设计。
27.下面结合附图来详细描述本实用新型的具体实施方式。
28.图1是示意性示出根据本实用新型实施例的单片机的输入保护电路的示例性场景示意图。在本实用新型的上下文中，前述单片机的输入接口可以是单片机芯片引脚中的输入口(input)、有内部上拉的输入口(pull-high)、i/o口等。前述单片机的各个输入口均不能悬空(前述有内部上拉的输入口除外)，需要通过外部电路接上稳定的高电位或低电位。基于此，可以理解的是图1仅为了示例性的目的而将该场景示出为对输入口(input)的保护。
29.如图1所示，单片机的输入保护电路可以包括反向电流抑制电路200和浪涌抑制电路300。将前述反向电流抑制电路200与单片机100的输入接口cn1和外部信号输入端input连接，从而抑制电流倒灌。将前述浪涌抑制电路300与单片机100的外部信号输入端input和地端连接，从而抑制伴随外部信号的浪涌脉冲冲击。在一个实现场景中，前述反向电流抑制电路200和浪涌抑制电路300可以是由至少一个二极管所组成的电路结构，利用二极管正接导通和反接截止的特性，可以实现对外部信号的干扰的抑制。
30.图2是示意性示出根据本实用新型实施例的输入保护电路中反向电流抑制电路200的示意图。可以理解的是图2中所示出的电路的设置可以在图1中所示出的结构中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图2。
31.如图2所示，前述反向电流抑制电路200中设置有至少一个二极管，前述二极管的正极与前述单片机100(图2中的mcu)的输入接口cn1连接，前述二极管的负极与前述外部信号输入端input连接，用于抑制电流倒灌。在一个实现场景中，前述反向电流抑制电路200中可以采用一个二极管d1，将该二极管d1的负极连接外部信号输入端input，将二极管d1的正极连接单片机100的输入接口cn1，从而利用二极管的反向截止特性抑制电流倒灌。进一步地，前述反向电流抑制电路200中也可以采用两个二极管并联的方式，将两个二极管的负极分别连接外部信号输入端input，将两个二极管的正极分别连接单片机100的输入接口cn1，从而实现对单片机100的输入保护。
32.在一个实现场景中，前述二极管可以采用普通二极管，也可以采用肖特基二极管。在实际操作中，基于肖特基二极管的相较于普通二极管具有更优的性能，优选肖特基二极管。肖特基二极管是肖特基势垒二极管(schottkybarrierdiode，sbd)，肖特基二极管也被成为金属-半导体(接触)二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。例如前述二极管可以采用型号为ss24的二极管器件。采用肖特基二极管对单片机100进行输入保护，一方面可以减小输入信号功率，这是由于肖特基二极管在电流流过时只有0.15到0.45v的电压降。另一方面，肖特基二极管正向压差低、反向耐压的特点可以防止外界输入持续性高压，并抑制电流倒灌，从而实现对单片机100的输入保护。
33.图3是示意性示出根据本实用新型实施例的浪涌抑制电路300中采用双向瞬态抑制二极管的示意图，图4是示意性示出根据本实用新型实施例的浪涌抑制电路300中采用单向瞬态抑制二极管的示意图。可以理解的是图3和图4中所示出的电路的设置可以在图1中所示出的结构中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图3和图4。
34.前述浪涌抑制电路300中设置有稳压管，前述稳压管的一端与外部信号输入端input连接，稳压管的另一端接地，以便于抑制外界浪涌脉冲的冲击，从而实现对单片机的有效保护。
35.在一个应用场景中，前述稳压管可以采用瞬态抑制二极管。瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor，tvs)，是一种二极管形式的高效能保护器件。当瞬态抑制二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，以吸收高达数千瓦的浪涌功率，从而使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。如图3所示，前述稳压管可以采用双向瞬态抑制二极管d2。双向瞬态抑制二极管d2没有正负极区别，双向瞬态抑制二极管d2相当于两只特性一致的单向瞬态抑制二极管复合。本方案中所采用的瞬态抑制二极管例如可以是smbj6.5ca。
36.在另一个应用场景中，如图4所示，前述稳压管还可以采用单向瞬态抑制二极管，将前述单向瞬态抑制二极管的负极与前述外部信号输入端input连接，并将单向瞬态抑制二极管的正极接地，从而可以有效防止外接输入信号时突然引入高压低能的静电冲击等外接干扰。
37.通过前述浪涌抑制电路300中瞬态抑制二极管的设置，在工作过程中，可以将大部分电流通过前述瞬态抑制二极管分流到地，由下游电路承受剩余电流的水平，从而可以保护单片机100中灵敏的下游电路，例如放大器输入/输出、模数转换器等，通过阻断过压、过流，实现对单片机的输入保护。
38.图5是示意性示出根据本实用新型实施例的浪涌抑制电路300中设置第一滤波电容的示意图。可以理解的是图5中所示出的电路的设置可以在图1中所示出的结构中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图5。
39.如图5所示，前述输入保护电路还包括第一滤波电容c2，将第一滤波电容c2与前述稳压管并联，以便于稳定外部输入电压。前述第一滤波电容c2在进行型号选取时例如可以选取100nf-0603-20％-50v型号的电容器件。利用前述第一滤波电容c2，可以有效滤除一部分外部信号中的干扰因素，从而避免对单片机输入信号电压的影响。
40.图6是示意性示出根据本实用新型实施例的上拉电阻设置的示意图。可以理解的
是图6中所示出的电路的设置可以在图1中所示出的结构中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图6。
41.如图6所示，前述输入保护电路还包括上拉电阻r1，前述上拉电阻r1的一端可以与单片机100的电源端vdd连接，例如电源端vdd为5v。前述上拉电阻r1的另一端可以与前述单片机100的输入接口cn1连接，以便于通过上拉电阻r1将外部输入信号钳位在高电平。例如前述上拉电阻r1可以采用10k的电阻，型号为10k-0603-0.1w。同时前述上拉电阻r1还可以起到限流的作用。当外部信号输入端input为高阻态或高电平时，单片机100的输入接口cn1的输入采用上拉模式，则单片机100将识别信号为高电平。当外部信号输入端input为低电平时，单片机100的输入接口cn1的输入会被低电平的外部信号拉低，呈现出低电平特性。基于上述上拉电阻的钳位作用，有效保证了单片机100的输入接口cn1输入信号的稳定性，提升单片机的信号处理效率。
42.进一步地，本领域技术人员还可以根据需要设置下拉电阻，以将不确定的信号通过一个电阻钳位在低电平。通过将单片机100输入接口cn1设置上拉或下拉电阻，可以使得单片机100输入接口cn1接入稳定的高电位或低电位，从而有效维持单片机工作状态的稳定性。
43.图7是示意性示出根据本实用新型实施例的第二滤波电容的示意图。可以理解的是图7中所示出的电路的设置可以在图1中所示出的结构中实施，因此关于图1所描述内容也同样适用于图7。
44.如图7所示，前述输入保护电路中还包括第二滤波电容c1，前述第二滤波电容c1与前述上拉电阻r1串联，第二滤波电容c1与前述上拉电阻r1的串联连接端与单片机100的输入接口cn1连接，第二滤波电容c1的另一端接地，从而实现对干扰信号的进一步滤除。在实际操作中，前述第二滤波电容可以采用100nf-0603-10v-20％的电容器件。
45.可以理解的是前述多个实施例中的上拉电阻所连接的电源电压、上拉电阻的阻值、第一滤波电容的电容大小、第二滤波电容的电容大小、肖特基二极管和瞬态抑制二极管的参数并不固定，前述多个实施例的附图中仅为了示例性说明。本领域技术人员可以根据实际需要和规格标准选取各具体元件型号。
46.通过本方案中的设计，利用前述肖特基二极管和瞬态抑制二极管等组合而成的单片机的输入保护电路，具有响应时间快、钳位电压比较容易控制、漏电流较低且电路体积小的特点，有效提升了其设置的灵活性。并且前述电路搭建方式简单，有效降低了前述单片机的输入保护电路的制作成本，适用于各种计算机系统、工控回路等系统设计。
47.在本实用新型的另一方面，本实用新型还提供了一种单片机系统，单片机系统包括单片机以及如前述多个实施例中的用于单片机的输入保护电路。在一个应用场景中，例如前述单片机系统可以通过单片机及其外围电路组成一种用于猪舍中的温控系统，该温控系统中包括温度传感器、单片机和前述用于单片机的输入保护电路，温度传感器连接前述输入保护电路的外部信号输入端，以便于将温度信号发送给单片机进行后续控制过程。当前述温度控制装置工作于恶劣的电磁环境中时，装置中温度传感器传输至单片机的信号中可能伴随有高压且瞬时变化的信号，利用前述的输入保护电路，可以有效抑制外部瞬时高压信号的干扰，从而便于单片机对外部输入的温度信号进行处理，保证了系统性能。
48.在另一个应用场景中，前述单片机系统还可以应用于猪舍中的机器人，该机器人
可以包括单片机、行程开关、按键、存储器、485通信、报警灯、指示灯、氨气传感器、so2传感器、lcd显示器、继电器、从机和电机等，通过前述外围电路设计可以实现该机器人在猪舍中的各种功能，例如净化空气、自动刮粪等功能。在前述机器人中的控制系统中，可以在单片机的输入接口处设置前述输入保护电路，从而通过前述输入保护电路中的反向电流抑制电路和浪涌抑制电路减小外部干扰信号对单片机的性能的影响，从而有效提升了猪舍中机器人控制过程的稳定性。
49.在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
50.另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
51.虽然本说明书已经示出和描述了本实用新型的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本实用新型思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。