單片機原理,接口及應用-

1、單片機原理、接口及應用-嵌入式系統(tǒng)技術基礎第8章 單片機典型外圍接口技術8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計 8.1.1 數模轉換器的工作原理 8.1.2 D/A轉換器的主要技術指標 8.1.3 數模轉換芯片DAC08328.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口8.3 開關量功率接口技術 溫度測控原理示意圖1、CPU怎樣識別模擬量？2、CPU怎樣控制模擬量？傳感器測溫CPU決策變壓器輸出電爐絲加熱模擬/數字轉換（AD）數字/模擬轉換（DA） DA轉換原理(電流輸出型) 總電流分支電流輸出電流轉換原理利用電子開關形成T型電阻網絡的輸出電流I01，再利用反相運算放大器轉換成輸出電壓Vo

2、ut。運放輸出電壓 數 字 輸 入 模 擬 輸 出 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0V 0.039V 4.96V 5.00V 5.039V 9.96V若取 n=8位 Rfb = R VREF=10V滿量程輸出電壓 = VREF-VLSBLSB（Least Significant Bit)最低有效位MSB（Most Significant Bit)最高有效位8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計 8.1.1 數模轉換器的工作原理

3、 8.1.2 D/A轉換器的主要技術指標 8.1.3 數模轉換芯片DAC08328.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口8.3 開關量功率接口技術 DA性能指標是選用DA芯片型號的依據，最常用的有：分辨率（resolution）、建立時間（convertion time）分辨率是指最小輸出電壓與最大輸出電壓之比，也有用“ 1LSB對應的模擬電壓大小”來表示，例若VREF= 5V，則 8位的DA轉換器，分辨率為5V/ 28 = 19.5 mV 12位的DA轉換器，分辨率為5V/ 212 = 4.8 mV 14位的DA轉換器，分辨率為5V/ 214 = 0.3 mV因此，應根據分辨率的需要來選定

4、DA轉換器的位數建立時間是指從輸入數字信號起，到輸出電壓或電流達到穩(wěn)定所需的時間。目前，10位或12位D/A轉換器D轉換時間一般不超過1us。8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計 8.1.1 數模轉換器的工作原理 8.1.2 D/A轉換器的主要技術指標 8.1.3 數模轉換芯片DAC08328.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口8.3 開關量功率接口技術 DAC0832電流輸出型D/A轉換器20只引腳8位并行輸入方式分辨率19.5mV (VREF = 5V） 電流建立時間S 輸入與TTL電平兼容 單一電源供電（5V15V） 低功耗，20m DAC0832的結構 輸入鎖存器+ DA

5、C寄存器+ D/A轉換器DAC0832的三種工作方式直通方式 兩個寄存器都處于直通狀態(tài)（引腳ILE1，其余0）單緩沖方式 一個寄存器處于直通，另一個處于受控狀態(tài)雙緩沖方式 兩個寄存器均處于受控狀態(tài)直通方式 實例4-1：利用DAC輸出鋸齒波ILE1，其余控制腳0實例4-1程序實例4-1運行效果單緩沖方式實例4-2：利用DAC輸出鋸齒波第一級受控,第二級直通實例4-2 程序實例4-2 運行效果雙緩沖方式實例4-3：利用DAC分別輸出兩路鋸齒波（上升波和下降波）（適合于多路D/A轉換同步輸出的場合）DAC1和DAC2的第1級各設1個控制端，DAC1和DAC2的第2級共用1個控制端實例4-3程序實例4

6、-3運行效果8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計8.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口 8.2.1 逐次逼近式數模轉換器的工作原理 8.2.2 A/ D轉換器的主要技術指標 8.2.3 ADC0809引腳介紹 8.2.4 ADC0809內部結構及工作時序 8.2.4 應用舉例 8.3 開關量功率接口技術 將模擬量信號變換成數字量信號的元件模數轉換器ADC（ Analog to Digital Converter ） ADC的種類較多，較常見的有： 計數比較式器件簡單、價格便宜、轉換速度慢 雙斜率積分式精度高、速度慢 逐次逼近式可兼顧速度和精度逐次逼近式AD轉換器的工作原理基本組成

7、：比較器、DA轉換器、逐次逼近寄存器、鎖存緩沖器、控制邏輯單元轉換過程從最高位開始通過試探值逐次進行測試，直到試探值經D/A轉換器輸出VN與VIN相等或達到允許誤差范圍為止。則該試探值就為A/D轉換所需的數字量。8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計8.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口 8.2.1 逐次逼近式數模轉換器的工作原理 8.2.2 A/ D轉換器的主要技術指標 8.2.3 ADC0809引腳介紹 8.2.4 ADC0809內部結構及工作時序 8.2.4 應用舉例 8.3 開關量功率接口技術 AD轉換器的技術指標主要包括：轉換時間完成一次模擬量變換為數字量所需要的時 間。

8、 逐次逼近式的典型值為1.0200s。分辨率轉換器對輸入電壓微小變化的響應能力的度量，習慣上以輸出的二進制位數表示。如8位、10位、12位、14位、16位等。 分辨率為8位，意味著它可對滿量程的1/28 = 1/256的增量作出反映。轉換精度AD轉換器實際量化值與理論輸出值的差距。 精度反映的是轉換后所得結果相對于實際值的準確度，而分辨率則是能對轉換結果發(fā)生影響的最小輸入量。量程所能轉換的電壓范圍，通常為05V和010V。8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計8.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口 8.2.1 逐次逼近式數模轉換器的工作原理 8.2.2 A/ D轉換器的主要技術指標

9、 8.2.3 ADC0809引腳介紹 8.2.4 ADC0809內部結構及工作時序 8.2.5 應用舉例 8.3 開關量功率接口技術 28只引腳ADC0809逐次比較型模數轉換芯片分辨率為位 轉換時間00S 工作量程為05V功耗為15m工作電壓為+5V具有鎖存控制的8路模擬開關輸出與TTL電平兼容 8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計8.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口 8.2.1 逐次逼近式數模轉換器的工作原理 8.2.2 A/ D轉換器的主要技術指標 8.2.3 ADC0809引腳介紹 8.2.4 ADC0809內部結構及工作時序 8.2.5 應用舉例 8.3 開關量功率接

10、口技術 8路模擬輸入信號用三根地址線A,B,C選通IN0IN7；引腳START啟動AD轉換，CLK轉換節(jié)拍，VR參考電壓，EOC結束標志， OE輸出使能，ALE地址鎖存使能ADC0809結構 : 模擬開關/ 地址譯碼器/ADC/ 輸出鎖存器工作時序控制邏輯 ALE產生正脈沖，鎖存ADDA、ADDB、ADDC通道選通端數據，通過內部地址譯碼，選通對應通道 START端口輸入正脈沖信號，信號的上升沿清除內部寄存器數據，下降沿啟動AD轉換； AD轉換啟動后，EOC從高電平變成低電平，在AD轉換過程中，EOC保持低電平，轉換結束，EOC從低變成高電平。 向OE引腳輸入正脈沖，打開三態(tài)輸出鎖存器，內部數

11、據輸出到D0D7數據總線；MCS-51與ADC0809的接口 單片機如何來控制ADC? 首先用指令選擇0809的一個模擬輸入通道，當執(zhí)行MOVX DPTR，A時，單片機的WR*信號有效，產生一個啟動信號給0809的START腳，對選中通道轉換。 轉換結束后，0809發(fā)出轉換結束EOC信號，該信號可供查詢，也可向單片機發(fā)出中斷請求;當執(zhí)行指令：MOVX A，DPTR，單片機發(fā)出RD*信號,加到OE端高電平，把轉換完畢的數字量讀到A中。 查詢和中斷控制兩種工作方式。(1)查詢方式0809與8031單片機的接口如圖11-16。端口地址：7FF87FFF ALE腳的輸出頻率為1MHz，（時鐘頻率為6M

12、Hz），經D觸發(fā)器二分頻為500kHz時鐘信號。 0809輸出三態(tài)鎖存，8位數據輸出引腳可直接與數據總線相連。 引腳C、B、A分別與地址總線A2、A1、A0相連，選通IN0IN7中的一個。P2.7（A15）作為片選信號，在啟動A/D轉換時，由WR*和P2.7控制ADC的地址鎖存和轉換啟動，由于ALE和START連在一起，因此0809在鎖存通道地址的同時，啟動并進行轉換。 讀取轉換結果，用RD*信號和P2.7腳經或非后，產生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。 對8路模擬信號輪流采樣一次，采用軟件延時的方式，并依次把結果轉儲到數據存儲區(qū)。MAIN:MOV R1，#data;置數據區(qū)首地

13、址 MOV DPTR，#7FF8H;端口地址送DPTR，P2.7=0， ；且指向通道IN0MOVR7，#08H;置轉換的通道個數LOOP: MOVX DPTR，A ;啟動A/D轉換MOVR6，#0AH;軟件延時，等待轉換結束DELAY: NOPNOPNOPDJNZR6，DELAYMOVXA，DPTR;讀取轉換結果MOVR1，A;存儲轉換結果INCDPTR;指向下一個通道INCR1;修改數據區(qū)指針DJNZR7，LOOP;8個通道全采樣完否？未完則繼續(xù)(2)中斷方式 將圖11-16中EOC腳經一非門連接到8031的INT1*腳即可。轉換結束時，EOC發(fā)出一個脈沖向單片機提出中斷申請，單片機響應中斷

14、請求，在中斷服務程序讀A/D結果，并啟動0809的下一次轉換，外中斷1采用跳沿觸發(fā)。程序如下：INIT1: SETB IT1 ；外部中斷1初始化編程SETB EA ；CPU開中斷SETBEX1 ；選擇外中斷為跳沿觸發(fā)方式MOVDPTR，#7FF8H；端口地址送DPTRMOVA，#00H ;MOVXDPTR，A；啟動0809對IN0通道轉換 ；完成其他的工作中斷服務程序:PINT1: MOV DPTR，#7FF8H ；A/D結果送內部RAM單元30HMOVXA，DPTRMOV30H，AMOVA，#00H；啟動0809對IN0的轉換MOVXDPTR，A;RETI8.1 數模轉換芯片DAC0832及

15、其接口設計8.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口 8.2.1 逐次逼近式數模轉換器的工作原理 8.2.2 A/ D轉換器的主要技術指標 8.2.3 ADC0809引腳介紹 8.2.4 ADC0809內部結構及工作時序 8.2.5 應用舉例 8.3 開關量功率接口技術 實例5：用查詢法實現0通道信號采集，結果以16進制顯示A、B、C三個地址線均接地選通0通道ST（ALE）、EOC、OE分別接IO端口CLOCK接虛擬信號發(fā)生器（5KHz）實例5程序實例5運行效果8.1 數模轉換芯片DAC0832及其接口設計8.2 模數轉換芯片ADC0809及其接口8.3 開關量功率接口技術 8.3MCS-51

16、的功率接口設計 要用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等，不能用單片機的I/O線來直接驅動，而必須通過各種驅動電路和開關電路來驅動。另外，與強電隔離和抗干擾，有時需加接光電耦合器。稱此類接口為MCS-51的功率接口。1MCS-51的輸出驅動能力及其外圍集成數字驅動電路 1.1MCS-51片內I/O口的驅動能力 工業(yè)生產現場，控制對象是電磁繼電器、電磁開關或可控硅、固態(tài)繼電器和功率電子開關。 能否用MCS-51片內的I/O口直接驅動它們呢？P0、P1、P2、P3四個口都可做輸出口，但其驅動能力不同。P0口的驅動能力較大，當其輸出高電平時，可提供400A的電流；當

17、其輸出低電平（0.45V）時，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平允許提高，灌電流可相應加大。P1、P2、P3口的每一位只能驅動4個LSTTL，即可提供的電流只有P0口的一半。所以，任何一個口要想獲得較大的驅動能力，只能用低電平輸出。8031通常要用P0、P2口作訪問外部存儲器用，所以只能用P1、P3口作輸出口。P1、P3口的驅動能力有限，在低電平輸出時，一般也只能提供不到2mA的灌電流，通常要加總線驅動器或其它驅動電路。1.2 外圍集成數字驅動電路外圍集成數字驅動電路的參數。只要加接合適的限流電阻和偏置電阻，即可直接由TTL、MOS以及CMOS電路來驅動。驅動感性負載時，必須加接限流電阻或箝

18、位二極管。例1 慢開啟的白熾燈驅動電路圖12-1為慢開啟白熾燈驅動電路，白熾燈的延時開啟時間長短取決于時間常數RC。此電路能直接驅動工作電壓小于30V、額定電流小于500mA的任何燈泡。例2 驅動大電流負載電路如圖12-3所示。ULN2068芯片具有四個大電流達林頓開關，能驅動電流高達1.5A的負載。由于ULN2068在25時功耗達2075mW，因而使用時一定要加散熱板。 2 MCS-51的開關型功率接口常用的開關型驅動器件有，光電耦合器、繼電器、晶閘管、功率MOS管、集成功率電子開關、固態(tài)繼電器等。2.1 MCS-51與光電耦合器的接口 1.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口 (直流負載）光電晶

19、體管除沒有使用基極外,跟普通晶體管一樣。取代基極電流的是以光作為晶體管的輸入。原理：當光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時，光電晶體管受光的影響在cb間和ce間有電流流過，這兩個電流基本上受光的照度控制，常用ce極間的電流作為輸出電流，輸出電流受Vce的電壓影響很小。 光電耦合器在傳輸脈沖信號時，對不同結構的光電耦合器的輸入輸出延遲時間相差很大。圖12-4是使用4N25的光電耦合器接口電路圖。 （高速光耦）4N25使兩部分的電流信號獨立。4N25輸入輸出端的最大隔離電壓2500V。光電耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。(1) 可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨立，消除地電位不同

20、所產生的影響。(2) 光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅動器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式。由于電流環(huán)電路是低阻抗電路，它對噪音的敏感度低，因此提高了通訊系統(tǒng)的抗干擾能力。圖12-5用光電耦合器組成的電流環(huán)發(fā)送和接收電路。圖12-5電路可以用來傳輸數據，最大速率為50Kb/s，最大傳輸距離為900米。環(huán)路連線的電阻對傳輸距離影響很大，此電路中環(huán)路連線電阻不能大于30，當連線電阻較大時，100的限流電阻要相應減小。光電耦合管使用TIL110，開關速度比4N25快。2. 晶閘管輸出型光電耦合器驅動接口 （交流負載）輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時，晶閘管即導通

21、。有的光電耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時對電網的影響。4N40是常用的單向晶閘管輸出型光電耦合器當輸入端有1530mA電流時,輸出端的晶閘管導通。輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。隔離電壓為15007500V。4N40的6腳是輸出晶閘管的控制端，不使用此端時，此端可對陰極接一個電阻。MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端額定電壓為400V，輸入輸出端隔離電壓為7500V。圖12-6是4N40和MOC3041的接口驅動電路。4N40常用于小電流用電器的控制，如指示

22、燈等，也可以用于觸發(fā)大功率的晶閘管。MOC3041一般不直接用于控制負載，而用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率的晶閘管。2.2 MCS-51與繼電器的接口1. 直流電磁式繼電器功率接口一般用功率接口集成電路或晶體管驅動。在使用較多繼電器的系統(tǒng)中，可用功率接口集成電路驅動，例如SN75468，一片SN75468可驅動7個繼電器，驅動電流可達500mA，輸出端最大工作電壓為100V。常用的繼電器大部分屬于直流電磁式繼電器，也稱為直流繼電器。圖12-7是直流繼電器的接口電路。繼電器的動作由單片機8031的P1.0端控制。P1.0端輸出低電平時，繼電器J吸合；P1.0端輸出高電平時，繼電器J釋放。采用這

23、種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。 二極管D的作用是保護晶體管T。原理如下：當繼電器J吸合時，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管T已經截止，所以會在線圈的兩端產生較高的感應電壓，極性是上負下正。 2. 交流電磁式接觸器的功率接口繼電器中切換電路能力較強的電磁式繼電器稱為接觸器。交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電,所以通常使用雙向晶閘管驅動圖12-8是交流接觸器的接口電路圖。 交流接觸器C由雙向晶閘管KS驅動。雙向晶閘管的選擇要滿足：額定工作電流為交流接觸器線圈工作電流的23倍；額定工作電壓為交流接觸器線圈工作電壓的

24、23倍。對于工作電壓220V的中、小型的交流接觸器，可以選擇3A、600V的雙向晶閘管。光電耦合器MOC3041的作用是觸發(fā)雙向晶閘管KS以及隔離單片機系統(tǒng)和接觸器系統(tǒng)。MOC3041的輸入端接7407，由單片機8031的P1.0端控制。P1.0輸出低電平時，雙向晶閘管KS導通,接觸器C吸合。P1.0輸出高電平時,雙向晶閘管KS關斷，接觸器C釋放。MOC3041內部帶有過零控制電路，因此雙向晶閘管KS工作在過零觸發(fā)方式。接觸器動作時，電源電壓較低，這時接通用電器，對電源的影響較小。 2.3 MCS-51與晶閘管的接口1. 單向晶閘管晶閘管習慣上稱可控硅（整流元件），英文名為Silicon Co

25、ntrolled Rectifier，簡寫成SCR，這是一種大功率半導體器件，它既有單向導電的整流作用，又有可以控制的開關作用。利用它可用較小的功率控制較大的功率。在交、直流電動機調速系統(tǒng)、調功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)和無觸點開關等方面均獲得廣泛的應用，如下圖示，有三個電極：陽極A、陰極C、控制極（門極）G。當其兩端加上正向電壓而控制極不加電壓時，晶閘管并不導通，正向電流很小，處于正向阻斷狀態(tài)；當加上正向電壓，且控制極上（與陰極間）也加上一正向電壓時，晶閘管便進入導通狀態(tài)，這時管壓降很?。?V左右）。這時即使控制電壓消失，仍能保持導通狀態(tài)，所以控制電壓沒有必要一直存在，通常采用脈沖形式，以降低觸發(fā)功耗。

26、它不具有自關斷能力，要切斷負載電流，只有使陽極電流減小到維持電流以下，或加上反向電壓實現關斷。若在交流回路中應用，當電流過零和進入負半周時，自動關斷，為了使其再次導通，必須重加控制信號。2. 雙向晶閘管晶閘管應用于交流電路控制時，如圖12-10所示。 采用兩個器件反并聯，以保證電流能沿正反兩個方向流通。 如把兩只反并聯的SCR制作在同一片硅片上，便構成雙向可控硅，控制極共用一個，使電路大大簡化，其特性如下： 控制極G上無信號時，A1、A2之間呈高阻抗，管子截止。 VA1A21.5V時，不論極性如何，便可利用G觸發(fā)電流控制其導通。工作于交流時，當每一半周交替時，純阻負載一般能恢復截止；但在感性負載情況下，電流相位滯后于電壓，電流過零，可能反向電壓超過轉折電壓，使管子反向導通。所以，要求管子能承受