深入研究嵌入式设备的原理及应用

让我们来看看在建立新的嵌入式项目时需要考虑的两个问题。

•当某个组件需要比微控器GPIO引脚更大的拉电流时，你该如何处理？

•当微控器连接到一个步进电机类似的电感负载时，你该如何保护该控制器？

驱动大负载

许多微控器的GPIO引脚仅支持很小的拉电流，大约只在40mA左右（数据手册是工程师的最好朋友）。一定要阅读您选定的MCU的数据手册。在某些应用中，这样大的电流已经够用，但有时你需要比微控器GPIO引脚更大的拉电流。其中一个例子是驱动需要控制较远距离的红外LED 或者是连接较大的电机。因此，你可能需要利用外部电源，以安全地获取所需电流。这样做的一个简易方法是使用一个PNP晶体管（PN2222 是一个不错的先行尝试，然后再加入几个限流电阻即可。GPIO引脚将仅驱动NPN晶体管的基极，然后从外部电源得到从集电极到发射极的一个更大电流并驱动负载。需要注意的是，你必须把微控器和外部电源的地连接在一起。也一定要选择一个基级电阻值，以驱动晶体管进入饱和状态。

图2： 使用NPN晶体管以使微控器处理更大的电流需求。

避免“反冲”电感电压

电感性负载，比如步进电机 ，因为物理特性，在电流通过电感时会表现出一个副效应。原则上，发电机和电动机采用相同的电机工作概念，只是能量转换方向是相反的。所以想象一下你有一个电机正在运行，突然你切断了电源。线圈内的能量被存储在电磁场内，但现在磁场开始崩溃。面对崩溃的电磁场，试图保证电流流动，将产生一个巨大的尖峰电压。这个电压可能高达几百伏，即便是在低功率应用中。因为这个电压的形成于线圈两端，并且与施加在运行电机的电压方向相反。（因此称为 “反冲”电压，如果处理不当，感应电压可能会毁坏GPIO引脚电路或甚至是整个微控器。反冲电压有时也被称为反向电动势，或简称反向EMF。

为此，可以采用“反激”二极管，一个高速开关的保护二极管（1N4001 是一个不错的选择）放置在跨越线圈的位置，与正常使用时反向偏置。然后，当电机断电后，反激二极管允许反冲电压安全地将其电流通过线圈电阻，防止毁坏更敏感的电子设备。为获取更安全的方案，可以在GPIO引脚与晶体管之间插入一个光耦芯片，以电性隔离微控器（4N35是个不错的选择）。

图2： 使用“反激”二极管来避免感性负载的反冲电压。

为使与电机的接口处理更简洁，也可以使用L293D H桥电机驱动芯片来驱动电机，该芯片内部还包含有保护二极管。请确定订购的是L293D而不是L293，后者缺乏保护二极管。