Non è che io sono orientato ai PLC, è che poi un relè non puoi azionarlo a 1,8 volt e pretendere che ha dei contatti da 20 Amper.
Mah, io non li piloto nemmeno ai 5V di un'uscita di Arduino perchè in genere non ci arriva con la corrente necessaria, per cui c'è sempre di mezzo almeno un transistor prima della bobina del relè, per cui non vedo differenze.
Certo che a 1,8V ti sballa la definizione di mosfet logic level
A mio avviso la tensione del micro dovrebbe essere ininfluente, o meglio, dipendere da logiche di progettazione interne dei micro e non dettate da ciò che dovranno pilotare questi micro.
Per la connessione con gli attuatori, i sensori o le schede di comunicazione, si farà sempre una adeguata conversione, non mi pare scandaloso, anzi.
Il micro deve gestire la logica, poi se questa logica dovrà interfacciarsi con altri dispositivi, la cosa si farà con circuiti specifici, come si è sempre fatto salvo casi fortunati dove si poteva farne a meno.
Sono rari i casi in cui ci si connette direttamente. Prendi ad es. il caso dei relè che richiedono comunque il transistor per amplificare la corrente.
Stessa cosa se vuoi comunicare via cavo a distanza, non si può pensare che questa cosa sia implementata sempre direttamente nei micro.
Il micro deve fare il micro, il resto è demandato ai circuiti specifici.
Alla fine è una questione di dove si mette la riga di separazione e secondo me, con l'aumento delle prestazioni, non è assurdo spostarla per tagliare fuori sempre più cose.
Ma questa è solo la mia opinione, che peraltro condivido
Edit: Sovrapposto, però colgo l'occasione per aggiungere una ulteriore cosa:
Ma il mio discorso non è su questo. Il mio discorso è come interfacciare un processore da 3,3 volt col mondo esterno, perché non puoi mica sempre e solo fare accendere un led (di basso assorbimento, mi raccomando...). 
Secondo me è un'anomalia che un micro accenda un LED, da purista si dovrebbe pensare sempre ad un dispositivo intermedio, altrimenti si mescolano le cose.
Una cosa è la
mente e un'altra è il
braccio.
Sarebbe come far fare qualche movimento direttamente al cervello, fosse anche solo battere le palpebre, non sarebbe proprio il suo "lavoro".
Non so se con quest'ultima analogia ho reso meglio il mio pensiero, occhio, non sono un estremista, volevo solo esprimere il concetto.
Nel caso specifico, per passare dai 3,3V ai 5V e viceversa mi sono preso una camionata di
questi che altro non sono che dei circuiti già pronti con lo schema che hai postato tu all'inizio. 4 conversioni per scheda.