單片機常用測控電路課件

第8章單片機常用測控電路本章主要內(nèi)容1、開關量輸入/輸出接口電路2、A/D轉換接口電路3、D/A轉換接口電路4、步進電機接口電路開關量輸入/輸出驅動接口電路在單片機的測控系統(tǒng)中，常常用到開關量的輸入輸出。所謂開關量，是指系統(tǒng)中某個測控對象相反的兩種狀態(tài)，輸入單片機時對應輸入0和1，單片機輸出控制時分別輸出0和1來對應。下面介紹幾種常用的開關量的輸入輸出驅動接口電路。一、光電隔離輸入/輸出接口電路在工業(yè)控制領域的現(xiàn)場應用中，對于單片機而言，往往有一些遠距離開關量信號的輸入和輸出，如果直接接入單片機的口，會有以下一些問題：1)信號不匹配，輸入的信號可能是交流信號、高壓信號、按鍵接點等信號；2)比較長的連接線路容易引進干擾、雷擊、感應電等；3)單片機的口驅動能力有限，或者驅動的是交流強電回路。對于這些問題的解決，最直接有效的辦法就是利用光電耦合器進行隔離。光電耦合器件是個什么樣的器件呢？圖8-1三極管型光電耦合器原理圖光電耦合器件就是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光實現(xiàn)耦合，構成電—光和光—電的轉換的器件。圖8-1所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。在利用光電耦合器實現(xiàn)隔離時應注意：（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號（包括數(shù)字量信號、控制量信號、狀態(tài)信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。二、繼電器驅動接口電路繼電器是個什么樣的東西？繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱、時間）達到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。繼電器的種類很多有電磁繼電器、固態(tài)繼電器

、時間繼電器、溫度繼電器、風速繼電器、加速度繼電器、其它類型的繼電器（如光繼電器、聲繼電器、熱繼電器）等圖8-5常用繼電器驅動接口電路3三、可控硅驅動接口電路可控硅又稱晶閘管，它是由四層半導體材料組成的，有三個結，對外有三個電極〔圖8-6(a)〕：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。電路符號如圖8-6（b）。

圖8-6可控硅符號及內(nèi)部原理結構圖8-7雙向可控硅隔離驅動轉換接口電路一、轉換的基本概念在單片機的應用系統(tǒng)中，總是要對許多連續(xù)變化的模擬量（如溫度、壓力等）進行測量，而這些模擬量對于單片機來說是無法直接進行測量的，單片機能夠直接接受和處理的是數(shù)字信號，因此，必須將這些模擬量數(shù)字化才能為單片機所處理。我們把將模擬量轉換成數(shù)字量的過程稱為Ａ／Ｄ轉換。本教材中主要介紹典型的并行轉換芯片0809和串行轉換芯片1549及其與單片機的接口技術。轉換器的主要性能指標：（1）分辨率轉換器的分辨率是指轉換器轉換輸出的數(shù)字量最低位變化一個字所對應的被轉換模擬電壓的變化量。通常會用轉換器的位數(shù)來表示分辨率。（2）轉換時間轉換時間指的是轉換器完成一次轉換所需要的時間。轉換器的種類：根據(jù)內(nèi)部轉換原理的不同，主要可分為比較型和積分型兩種。（1）比較型比較型轉換屬于直接的轉換，經(jīng)過幾次的逐次比較逼近就可以直接得到轉換的結果，轉換的速度快，精度較高，是目前使用最為廣泛的一種轉換。（2）積分型積分型的轉換是一種間接的轉換，經(jīng)過兩次積分的過程得到轉換的結果，這種轉換的時間長，但精度高，抗干擾能力強，適用于速度要求不高且有較多干擾但精度要求較高的場合。二、并行（0809）及其接口電路0809是8通道8位逐次逼近式轉換器，是目前國內(nèi)應用最廣泛的8位通用并行芯片。如圖為該芯片內(nèi)部原理結構框圖。0809主要性能指標：1）分辨率為8位。2）單電源+5V供電，參考電壓由外部提供，典型值為+5V。3）具有鎖存控制的8路模擬選通開關。4）具有可鎖存三態(tài)輸出，輸出電平與電平兼容。5）功耗為15。6）轉換時間取決于芯片的時鐘，是芯片時鐘周期的64倍。時鐘的頻率范圍為10~1280。0809引腳圖、時序圖圖8-90809引腳圖、時序圖10μsALE地址信號STARTOEEOCDATA圖8-10為0809與89S51的實用連接電路。根據(jù)圖8-9中的時序圖，0809轉換過程分為以下幾步：（1）通道選擇。用單片機口輸出通道信息控制A、B、C。只有一路模擬信號需要轉換時，可以將通道地址A、B、C接固定的電平（高電平或低電平），選擇某一固定通道，如圖8-10選擇0通道。（2）所存通道地址（）和啟動轉換開始（）?？梢园凑諘r序圖的順序，先控制地址所存，后啟動。也可以用一個信號同時控制，后一種用的較多。（3）檢測轉換是否結束。轉換開始后約10μs，信號變低，直到轉換結束再變高?？梢酝ㄟ^檢測判斷轉換是否結束，也可以利用信號的變化觸發(fā)中斷。（4）讀轉換結果。檢測到轉換結束標志，使有效，將數(shù)據(jù)讀入單片機內(nèi)部。0809應用示例程序[例8-1]將圖3-14共陽型數(shù)碼管動態(tài)掃描電路和圖8-10結合起來，設計一路測量和顯示電路。如圖8-11所示。初始化和主程序如下：0000H

0030H：70H，#0；71H，#0；72H，#0；7073H作為顯示緩沖區(qū)73H，#0；并分別付初值P1.0；鎖存和啟動初始狀態(tài)P1.2；輸出控制初始狀態(tài)：；調用顯示子程序；調轉換子程序

轉換的子程序如下：：P1.0；通道地址已固定P1.0；輸出地址鎖存與啟動信號

；延時10μsP1.1；P1.1置為輸入狀態(tài)P1.1，$；等待轉換結束P1.2；數(shù)據(jù)信號輸出，準備讀P0，#0；P0口置為輸入口A，P0；讀轉換結果P1.2；關閉輸出B，#100；下面將結果轉換位碼，;并送顯示

72H，A；百位A，BB，#10

71H，A；十位70H，B；個位

[例8-2]將圖8-11的輸出通過圖8-12所示的三極管反向器送給單片機的中斷引腳，作為中斷觸發(fā)信號，用定時器定時每0.1S控制一次轉換，用中斷的方法檢測轉換結果。程序如下：0000H

0003H0P；外中斷0入口地址0000P；T0入口地址0030H：70H，#0；71H，#0；72H，#0；7073H作為顯示緩沖區(qū)73H，#0；并分別付初值，#01H；T0方式1定時0，#600，#176；6晶振，0.1S初值0；啟動定時器運行0；開定時器中斷0；外中斷0設為下降沿觸發(fā)0；開通中斷；P1.0；鎖存和啟動初始狀態(tài)P1.2；輸出控制初始狀態(tài)：；調用顯示子程序

：；顯示子程序略…

：；延時子程序略…

0P：0，#600，#176；重裝，0.1S初值P1.0；通道地址已固定P1.0；輸出地址鎖存與啟動信號

0P：；保護現(xiàn)場P1.2；數(shù)據(jù)信號輸出，準備讀P0，#0；P0口置為輸入口A，P0；讀轉換結果P1.2；關閉輸出B，#100；下面將結果轉換位碼，并送顯示

72H，A；百位A，BB，#10

71H，A；十位70H，B；個位；恢復現(xiàn)場

傳統(tǒng)的0809與單片機的接口電路如圖8-13所示。三、串行（1549）及其接口電路1549是一個十位的串行轉換芯片。其內(nèi)部原理框圖如圖8-14所示。引腳圖如圖8-15所示。圖8-14TLC1549內(nèi)部原理框圖圖8-15TLC1549引腳圖引腳功能說明如下：：模擬信號輸入端。：轉換結果串行輸出端。：片選端。：芯片工作驅動脈沖輸入端。、：正負電壓基準輸入端。通常與芯片電源并接，接+5V，接。、：芯片工作電源，4.55.5V。

串行（1549）轉換時序圖如圖8-16所示：1549操作時序高位在前，共計10位，操作時需要先預讀一次，啟動轉換，等待一段時間后再輸入十個移位脈沖，輸出10位的結果。圖8-17為1549的應用電路。四、常用的轉換接口電路在單片機應用系統(tǒng)中，有時根據(jù)實際的需要，比如缺少轉換器，或者轉換的數(shù)字量要經(jīng)過較遠距離的傳輸?shù)鹊?，可以采用轉換來實現(xiàn)測量。常用的轉換元器件是331、32等。331的性能特點：1.最大線性度為0.01%；2.雙電源或單電源工作。單電源可工作于5V；3.脈沖輸出為集電極開路形式；圖8-18是331典型應用電路。圖8-18基本V/F轉換電路轉換接口電路一、轉換的基本概念轉換是單片機測控系統(tǒng)控制量輸出的典型的接口，如果實際被控對象要求的控制量是模擬量，而單片機本身不可能直接輸出模擬量，則由單片機根據(jù)具體的要求，輸出一定的數(shù)字量，再轉換成對應的模擬量。這種將數(shù)字量轉換成模擬量的過程稱之為轉換，實現(xiàn)轉換的器件稱之為轉換器。本節(jié)主要介紹并行的轉換芯片0832和串行芯片5615及其應用。轉換器的主要性能指標有：（1）分辨率轉換器的分辨率是指當轉換器輸入的數(shù)字量變化一個字的時候，對應轉換輸出的模擬量的變化量。（2）線性度指的是在轉換量程范圍內(nèi)對應于一定比例的數(shù)字量轉換輸出的模擬量不成比例的非線性的程度。（3）轉換精度指的是轉換后得到的實際值對于理想值得接近程度。通常用綜合誤差的形式來表示。（4）建立時間指的是轉換器的輸入數(shù)字量發(fā)生變化后，轉換輸出的模擬量達到穩(wěn)定數(shù)值所需要的時間。（5）溫度系數(shù)指的是溫度對轉換精度的影響力的大小.二、并行（0832）及其接口電路0832是8位的并行轉換器，是目前應用最為廣泛的一種芯片。圖8-19為該芯片內(nèi)部原理結構框圖。0832工作方式：（1）直通工作方式:將兩個寄存器的5個控制信號都預先置為有效，兩個寄存器都開通，處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，用于沒有單片機的電路中。（2）單緩沖工作方式:只有一路轉換或雖然有多路但不要求同步輸出，這時則可以采用單緩沖方式接口。（3）雙緩沖工作方式:多路轉換，并要求同步輸出是，必須采用雙緩沖工作方式。4、0832應用實例三、串行（5615）及其接口電路5615是一個十位的串行轉換芯片，其內(nèi)部原理框圖如圖8-26所示。

圖8-24TLC5615內(nèi)部原理框圖

圖8-28是5615轉