智能仪器第4章开关量信号的输入输出2010.ppt

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第三章复习,1.软件系统的上层模块主要有主程序和中断子程序组成.2.软件系统的10个主要功能模块?

3.自检模块的主要功能?

程序存储器自检、数据存储器自检、输入/输出通道自检和外部设备自检。

4.初始化模块的主要功能?

外围芯片、片内特殊功能寄存器、堆栈指针、全局变量、全局标志、系统时钟和数据缓冲区初始化。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,第四章开关信号的输入/输出,1开关和开关量信号的区别？

开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装置，主要用于向单片机输入电平信号。

开关量信号就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个固定不变的电平信号。

在智能仪器中用于向单片机输入控制命令或数据，开关信号可以通过机械式开关、电子式开关、温度开关等方式产生。

2开关量信号的特点是什么？

只有开和关、通和断、高电平和低电平两种状态的信号叫开关量信号，在智能仪器的电子电路中，通常用二进制数0和1来表示。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,3开关量信号的作用？

开关量输入、输出部分是智能仪器与外部设备的联系部件，智能仪器通过接受来自外部设备的开关量输入信号和向外部设备发送开关量信号，实现对外部设备状态的检测、识别和对外部执行元器件的驱动和控制。

4常见电子开关都有哪些？

常见电子开关有：

扳键开关、BCD码拔盘开关、磁性开关、光敏器件开关（光电开关、光纤开关等）、温度超限开关。

5.电子开关的缺点是什么？

如何解决该缺点？

由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电流和开关的触点，这些信号经常会产生瞬时高压、过电流或接触抖动等现象。

因此为使信号安全可靠，在输入到单片机之前必须接入信号输入电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平转换和隔离保护等.,磁性开关,热敏开关,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,外界的开关量信号在一般情况下可直接连入以单片机为核心的智能仪器中。

但当外界的开关量信号的电平幅度与单片机IO端口的信号电平不相符时（由于这些电平信号功率有限，加上外界还存在各种干扰和影响），应在电平转换后（采用各种缓冲、放大、隔离和驱动电路等措施），再输入到单片机的IO端口上。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.1开关量信号的输入,开关量信号和单片机的电气接口有TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平、CMOS（互补对称金属氧化物半导体集成电路）电平、非标准电平、开关或继电器的触点等，请说明TTL电平和CMOS电平的特征？

TTL电平（晶体管-晶体管逻辑电平）,通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

TTL输出高电平2.4V，输出低电平0.4V。

TTL电路的速度快，传输延迟时间短（5-10ns），但是功耗大。

CMOS电平：

CMOS电平+12V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，COMS速度慢，传输延迟时间长（25-50ns）,但功耗低。

5V的电平不能触发CMOS电路，12V的电平会损坏TTL电路，因此不能互相兼容匹配,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,74系列芯片的特征，类别功能和区别,在外设接口电路中，经常需要对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存，能实现上述功能的接口芯片最简单的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。

74系列器件是一种中小规模TTL集成电路芯片，这是一种低成本、工业和民用产品，工作温度为070，以功耗和速度分类有如下几类；

（2）74LXXX低功耗TTL；（3）74SXXX肖特基型TTL；（4）74LSXXX低功耗肖特基型TTL；（5）74ALSXXX高性能型TTL；（6）74FXXX高速型TTL。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,74LS244是一种三态输出的八位缓冲器，该缓冲器有8个输入端，分为两路1A11A4，2A12A4，同时8个输出端，也分为两路1Y11Y4，2Y12Y4，分别由2个门控信号1G和2G控制，当1G为低电平时，1Y11Y4的电平与1A11A4的电平相同，即输出反映输入电平的高低；同样，当2G为低电平时，2Y12Y4的电平与2A12A4的电平和同。

而当1G（或2G）为高电平时，输出1A11A4（或2A12A4）为高阻态。

经74LS244缓冲后，输入信号被驱动，输出信号的驱动能力加大了。

4LS244缓冲器主要用于三态输出的存储地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等。

高电平、低电平和高阻抗,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.1.1开关量信号输入通道结构,开关量输入通道通常由单片机（接受和处理开关信号）、信号输入调理电气接口（信号滤波电平转换、隔离保护等）、信号输入缓冲器（缓冲和选通外部输入信号）、输入输出地址译码器（将外部开关信号转换为0，1信号）和读写控制电路（外部输入信号的读写控制）组成。

图4-1开关量信号输入通道结构,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.1.2开关量输入接口,图4-2扳键开关与单片机的接口电路,图中，扳键开关将高电平或低电平经单片机的IO引脚输入缓冲器74LS244，74LS244的数据输入端与单片机89C51的P0口相连接，用于8位数据的传送，89C51的P1.7和/RD作为74LS244的选通信号。

当扳键开关合上时，将向P0口的相应引脚送入低电平；反之，当开关打开时，将向P0口送入高电平。

1扳键开关与单片机的接口电路,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,软件上，采用了JC指令逐个移位顺序判别方法编程和用CJNE指令采取字节比较的判断方法编程。

控制转移类指令的本质是改变程序计数器PC的内容，从而改变程序的执行方向。

以下是本节用到的MS51汇编语言指令介绍：

MOVX：

外部数据传送指令；外部RAM只能通过累加器A进行数据传送。

累加器A与外部RAM之间传送数据时只能间接寻址方式，间接寻址寄存器为DPTR，R0，R1；RET：

子程序返回指令JC：

有进位时转移指令RLC：

循环左移指令CPL：

按位取反指令LJMPaddr16：

程序跳转到地址为addr16开始的地方执行CJNEA,#data,rel：

若A#data,则PCPC+rel，否则顺序执行；若A#data，则CY=1，否则CY=0（以上指令结果影响程序状态字寄存器PSW的CY标志）,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,2BCD码拔盘开关与单片机的接口电路,图4-3BCD码拔开关与单片机的接口电路,在智能仪器应用中，经常需要输入少量的控制参数和数据，有时可采用BCD码拨盘开关作为输入设备。

BCD码拨盘开关0-9十个位置，设置时可以通过拨动表面的齿轮圆盘调到所需位置，每个位置对应一个数字指示。

一个BCD码拨盘开关可以输入1位十进制数。

如果需2位十进制数据，则需要两个BCD码拨盘开关。

BCD码拨盘开关与单片机的接口如左图所示,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,图4-3中，拨盘开关的控制引脚A接+5V，4位数据线分别通过电阻接地，再与4位并行输入线相连，BCD码拨盘开关处于某个位置时，就是拨盘开关所指示的BCD码。

当80C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。

当片选端/G低电平有效时，DIR=“0”，接收信号；DIR=“1”，发送信号；当/G为高电平时，A、B均为高阻态。

这样，通过74LS245缓冲驱动器将2位十进制数输入单片机。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,3磁性开关与单片机的接口电路,磁性开关一般由霍尔元件型、干簧管型等，常用于监测门窗是否打开及各种脉冲式水表气表。

此时，需在普通转盘计数的仪表中加装霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器。

图4-4a霍尔元件差动放大电路,图4-4a所示的电路中，若有磁场作用，则霍尔元件会输出120mV电压信号，经过约40倍的差动（比较）放大器放大整形后，在Vout上输出高电平；否则输出低电平。

霍尔元件和运放电路一起，构成了开关型霍尔传感器，将这个信号输送到单片机的IO口或外部中断引脚，即可实现霍尔检测开关控制,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,图4-4霍尔元件与单片机接口,若不外加一个固定磁场，而是一个带永久磁钢的物体接近或通过，那么在磁场的作用下，也会改变传感器的输出电平状态。

因此，当有一个金属物体或带磁钢的物体通过或接近开关型霍尔传感器时，会引起输出电平的变化,霍尔传感器的输出端与单片机的P1.0端口相连接，单片机就会接收到一个开关信号.,在图中，霍尔传感器在5V电压的作用下，外加一个磁场会在霍尔传感器的3端输出一个电平信号。

当开关型霍尔传感器在固定电平的作用下，若外加一个固定的磁场，则一个金属类物体接近或通过时，会改变磁场对传感器的作用，随之改变它的输出电平。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,光敏器件开关与单片机的接口电路,光敏器件是一种将光信号转换成电信号的器件，主要有光敏二极管、光敏晶体管和光敏电阻等，具有亮阻低、暗阻高的特点。

在光的照射下，光敏器件吸收光子能量产生电流和输出电压。

图4-脉冲电表计数电路,图4-5a中采用光敏二极管将电度表铝盘的转数转换成脉冲数，光敏管产生的电脉冲输入到光电耦合隔离器01，经光电耦合隔离器送至89C2051单片机的外部中断中进行计数处理。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,工业上应用很广泛的是光电传感器，比如光电计数开关、光电位置检测开关。

图4-b光电开关和单片机的接口电路,图4-5B中的D为红外发光二极管，R1为限流电阻，T是光电接收三极管，R2为取样电阻。

D在+5V的作用下，产生红外光线，当红外光线没有被挡住时，T导通饱和向单片机输入一个O电平信号，当红外光线被挡住时，T截止向CPU输入一个1电平信号。

向单片机输入开关信号,就能对红外光线进行控制。

根据发光二极管与接收三极管的不同位置设计的开关接口电路，可以应用于计数、位置状态、转速等多方面测试。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,图4-5C中，红外发光二极管和红外接收三极管分别安装在产品流水线传送带的二边，每当传送带上有一个产品经过，就会遮挡红外光线一次，使红外接收三极管的输出一个脉冲电平信号。

单片机对输入的脉冲信号进行计数，就可以对产品的产量进行统计。

图4-5C生产线上的产品计数模型,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,图4-5D光电传感器位置检测,图4-5B中当移动的物体一旦挡住红外光线，红外接收三极管就会输出一个脉冲信号。

此装置可以用来检测物体的有或无，可以作为运动物体的限位检测电路，可以作为外人侵入的报警检测电路，也可以作为自动门的控制电路。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,5温度超限检测开关与单片机的接口,图4-6温度超限开关电路,一般温度测量是想得到开光量（0或者1）。

热敏电阻或集成温度传感器测量得到设备的温度后，与某一设定的临界值相比较，根据比较的结果输出高电平或输出低电平，从而实现温度电子开关的方法。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,图4-6中，LM35是集成温度传感器可提供正比于温度的电流，这样在R1两端可以产生约3.2V电压，该电压随温度的升、降而改变。

调节R4电位器到某一特定值时，就可以检测到温度高于或低于对应于R4的临界温度信号。

信号经过LM339比较器比较，即可输出TTL电平开关信号。

将这个信号输送到单片机的IO口或外部中断引脚处理，即可实现温度超限控制。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.2开关量信号的输出,开关量输出是数字化驱动输出的一种方式，可通过控制外部对象处于“开”或“关”状态的时间来达到运行控制的目的。

开关量输出通道主要由锁存器、输出驱动器和地址译码器等电路组成。

当对外部设备进行控制时，控制状态一般需要保持到下一个新状态值给出为止，可以采用74LS273、74LS373等器件作开关量信号锁存器。

由于被控设备需要一定的电压和电流，锁存器的驱动能力有限，不能直接驱动被控设备，因此，在锁存器后级必须配接有足够驱动能力的输出驱动电路。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.2.1输出驱动接口的隔离,单片机应用系统中，常常会遇到外界强电磁的干扰和工频电压信号的串扰，导致系统工作不稳定。

为了消除干扰，使系统工作稳定可靠，一般需要采用通道隔离技术，把单片机系统与干扰源隔开。

输出通道的这种隔离常用光电耦合器件来实现（图4-8）。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.2.2小功率直流负载驱动接口电路,图4-9三极管驱动接口电路,小功率直流负载类型:

发光二极管、LED数码显示器、小功率继电器和晶闸管等,驱动电流为540mA,通常采用小功率三极管、集成电路作驱动电路。

图4-9中，9013三极管做开关用，驱动电流100MA，可驱动负载电流不大元器件。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,图4-1075451驱动器接口电路,图4-10中，P1.0和P1.1低电平有效,LED亮。

这里用75451集成电路来驱动两个发光二极管.,75451集成芯片,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,图4-11双向晶闸管驱动器接口电路,图4-11中，单片机通过MOC3041光隔离器件和双向晶闸管VT（如BTAl2）驱动交流负载K。

这里晶闸管只工作在导通或截止状态。

选择晶闸管时，其额定电流和额定电压必须是交流负载线圈工作电流的3倍以上。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.2.2中功率直流负载驱动接口电路,驱动功率较大的继电器和电磁开关等控制对象时，驱动电流要求达到50500mA,可采用达林顿管、中功率三极管来驱动。

对达林顿管，其特点是高输入阻抗、极高的增益和大功率出，只需较小的输入电流就能获得较大的输出功率,常用的达林顿管有MCl412、MCl413和MCl416,其集电极电流可达500mA，输出端的耐压可达10OV，很适合驱动继电器或接触器。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,4.2.3固定继电器输出接口电路,固体继电器（SSR）是一种采用固体元件组装而成的新型电子继电器，其输入端输入控制电流较小，只要用TTL、HTL或CMOS集成器件或晶体三极管就可以直接驱动。

固体继电器（SSR）内含晶体管或晶闸管输出驱动，特别适用于控制大功率设备的场合。

优势：

无触点接触控制；无机械触点噪声不会产生抖动和回跳开关速度快，体积小，质量轻，寿命长,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,类型1：

直流固体继电器（DC-SSR）,输入端驱动：

光电耦合电路，采用逻辑门电路或三极管直接驱动驱动电流：

330mA，输入电压：

530V。

输出电压：

30180V输出控制类型：

晶体管型。

应用场合：

直流大功率控制场合注意：

当控制感性负载时，要加保护二极管，以防止DCSSR因突然截止产生的高电压而损坏继电器。

智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,类型：

交流固体继电器（C-SSR）,过零型ACSSR：

影响因素：

负载电源电压的相位首先：

输入控制信号有效（或无效）其次：

负载电源电压过零结果：

接通输出端的负载电源（或关断）,非过零型ACSSR：

输入控制信号有效（无效），立即接通（关断）输出端的负载电源,智能仪器原理与设计-第4章开关量信号的输入输出,补充,总结弱电控制强电的方法和抗干扰措施。

1）PLC很简单，如果工作模式很简单可以用数字电路实现2）固态继电器+接触器等3）可控硅大功率三极管继电器4）用光电耦合方式抗干扰措施：

正确接地，滤波，光电隔离,简述继电器、接触器、可控硅的主要技术参数和特点。

比较继电器、接触器、可控硅的性能和应用场合。

继电器有中间继电器，时间继电器等，触点小，一般不用于直接控制负载，仅用于增加触点，或作为信号放大或其他特殊功能用；继电器一般在5A以下,主要用在小容量的线路中,如控制信号的线路中,当要用这些小信号控制大容量的设备时只能用接触器来过渡的.继电器一般触点容量为5A（当然也有特殊的），这样触头可增加数量和其它功能（时间、电流、电压等），使得联锁控达制要求能够到。

继电器由于容量小，接触器线圈容量也小，处于主令控制元件和接触器之间便于使用。

接触器触点容量大，可直接接控制电机等负载输出。

接触器主要用于主回路控制使用设备，所以电流从几安培至数千安培电流。

增加了灭弧装置，并且根据使用情况有交流接触器和直流接触器。

可控硅（SCR）国际通用名称为Thyyistor，中文简称晶闸管。

它能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等特点，它是大功率形状型半导体器件，广泛应用于电力、电子线路中。

表1七段LED的段选码,软件译码电路,