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MAX232芯片工作原理介绍

2020-09-01 10:04
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电脑串口与单片机可以直接相连吗?电脑的串行口RS232信号电平是(-10 ,+10v),单片机所用到的TTL信号电平是(0 ,+5v),很显然他们之间的电平没有统一标准,不能直连。

01 RS232与TTL的区别

电脑串行口的信号电平是RS232,和单片机TTL电平,有什么区别呢?

RS232是美国电子工业协会在1970年制定的一种全双工的串行通信方式,可以用于两个设备之间的串行通信,广泛应用于工业控制领域,在一些比较老的电脑、打印机等设备上可以找到像这样的RS232通信接口。

RS232的电平标准规定了输出逻辑1的电平范围是-5V至-15V,逻辑0的电平为+5至+15V。RS232协议还具有2V的噪声容限,也就是说在接收数据时,-3V至-15V的电平能被识别为逻辑1,+3至+15V则可以被识别为逻辑0。
TTL电平以高电压表示逻辑1,低电压表示逻辑0;而RS232则以负电压表示逻辑1,正电压表示逻辑0。

使用RS232和TTL传输相同的数据包,通过示波器可以直观地观察RS232电平和TTL电平的区别。

02 为什么要进行电平转换


由于RS232电平的电压幅值较高,不易受到干扰,所以RS232的通信距离一般可以达到15米,最简单的RS232只需要三条信号线(发送线、接收线和地线)就可以实现全双工的通信,在许多电子仪器、工业设备上看到RS232的通信接口。

如果我们需要单片机之间的远距离通信,也可以将TTL或CMOS电平转换成RS232电平实现较远距离的通信。

我们常用的数字电路通常都是5V或3.3V的TTL电平标准,TTL电平和RS232电平是不能互相兼容识别的,而且RS232的电压较高,直接连接TTL电平标准的电路很可能会损坏器件,因此在使用RS232通信时就必须使用电平转换电路。


03 最常用转换芯片Max232


说到电平转换,大家肯定都知道它——MAX232,目前最常用的TTL-RS232电平转换芯片,也是专为RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片。MAX232可以只使用+5V单电源供电和很少的外围元件实现TTL和RS232之间的电平转换。
MAX232电平转换原理图
从上图可以看到,电路左边的部分连接的是TTL电平,右边连接的是RS232电平,只需要四个外围电容就可以正常工作,而且能提供两组通道的RS232电平转换。
由于RS232电平的电压范围是从-5至-15V到+5至+15V的电压范围,已经超过了MAX232的供电电压,MAX232需要能在+5V的单电源条件下发送和处理更大电压范围,因此MAX232内部还集成了两个电荷泵电路,其中一个电荷泵与C1、C3构成了一个2倍压升压电路,可以将+5V的电源电压升到+10V,另外一个电荷泵与C2、C4构成了一个电压反转器,将+10V的电压变换成-10V的电压,因此,RS232输出端口的电平就可以达到±10V。
除了用作TTL或CMOS电平与RS232电平之间的相互转换之外,MAX232还可以用做超声波测距模块的发射控制。下面就是HC-SR04超声波距离传感器和MAX232的原理图:
电路可以分成控制部分,超声波发射部分和超声波接收部分三个部分,而MAX232是控制着超声波的发射部分。超声波的发射器连接在MAX232的两个RS232电平的输出引脚,很显然,MAX232在这里是作为超声波发射器压电陶瓷的驱动器。
假设当MAX232的11脚输入高电平,第10脚输入低电平时,那么MAX232的14脚就应该输出RS232电平的高电平也就是-10V,7脚则应该输出低电平也就是+10V,这样超声波发射器两端的电压UAB就可以达到-20V!当MAX232的11脚输入低电平,10脚输入高电平时,同理,在超声波发射器的两端就能获得+20V的电压。为了增大超声波传感器的探测距离和灵敏度,就要求超声波发射器能够发射强度足够大的超声波,这就要求了超声波发射器的电压幅度要足够大。当触发超声波传感器时,控制电路会向MAX232的输入端输入两个互补的方波信号,从而在超声波发射器两端就能获得峰峰值可以达到40V的驱动波形!只使用了一片MAX232便实现了升压和驱动的功能,真是太妙了。
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