數(shù)字量輸入輸出模塊設(shè)計(jì)教程

1、 數(shù)字量輸入/輸出模塊單片機(jī)的輸入輸出11線是最容易引入干擾的地方；在嚴(yán)重干擾的情況卜，需耍將所有的II線光電隔離。由此會(huì)引出光耦這一元件。光耦是用來隔離輸入輸出的，主要是隔離輸入的信號(hào)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，往往有一些遠(yuǎn)距離的開關(guān)鼠信號(hào)需要傳送到控制器，如果直接將這些信號(hào)接到單片機(jī)的I/O上，就會(huì)存在以卜的問題：1、信號(hào)與單片機(jī)的輸入信號(hào)不匹配，輸入的信號(hào)可能是交流信號(hào)、高壓信號(hào)、按鍵等接點(diǎn)信號(hào)；2、比較長(zhǎng)的連接線路容易引進(jìn)干擾、雷擊、感應(yīng)電等，此時(shí)的信號(hào)需要光耦進(jìn)行隔離，接入單片機(jī)系統(tǒng)。繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)、通訊、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中，是最

2、重要的控制元件么一。本節(jié)是關(guān)于光耦和繼電器的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。在各種自動(dòng)控制設(shè)備中，都存在一個(gè)低壓的自動(dòng)控制電路與高壓電氣電路的互相連接問題，一方而要使低壓的電子電路的控制信號(hào)能夠控制高壓電氣電路的執(zhí)行元件，如電動(dòng)機(jī)、電磁詵、電燈等；另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護(hù)電子電路和人身的安全，電磁式繼電器便能完成這一橋梁作用。4.13.1設(shè)計(jì)目的及任務(wù)設(shè)計(jì)目的：理解光耦匚作原理：掌握在電子電路設(shè)計(jì)中各種隔離電路的設(shè)計(jì)：了解繼電器的工作原理;掌握單片機(jī)與繼電器的連接方法;掌握單片機(jī)對(duì)繼電器的控制方式。設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)4通道的光耦隔離I/O輸入電路和一個(gè)單通道光耦隔離IO輸出與繼電器控

3、制電路，供電電壓+5。功能指標(biāo)：1/0輸入電路：4通道;最人功耗小于150mW；響應(yīng)時(shí)間小于60PS。I/O輸出與繼電器控制電路：?jiǎn)瓮ǖ揽刂埔粋€(gè)繼電器，繼電器的指標(biāo)是額定電流為3A：吸合電壓為直流3.75V：釋放電壓為直流0.5，工作電壓5V。設(shè)計(jì)要求:所設(shè)計(jì)的光耦隔離LO輸入電路和IO輸出與繼電器控制電路應(yīng)滿足EDP實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，并能與整個(gè)系統(tǒng)有效結(jié)合。以卜是一個(gè)設(shè)計(jì)范例及其相應(yīng)電路的講解，僅供參考。4.13.2光耦器件、繼電器及其工作原理K光耦器件及工作原理光電耦合器（簡(jiǎn)稱光耦）是以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端，來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（

4、光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)，將它們的光路耦合在一起，當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線Z后就產(chǎn)生光電流，從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)了“電一光一電”轉(zhuǎn)換。輸入和輸出Z間不共地，因此廣泛地應(yīng)用于需要信號(hào)隔離的電路中。由于它具有體積小、壽命長(zhǎng).無觸點(diǎn)，工作穩(wěn)定，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，信號(hào)單向傳輸，輸出信號(hào)対輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸信號(hào)的效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電路上獲得了廣泛的應(yīng)用。光耦一般采用DIP封裝，常見的光耦有：TLP521-1.TLP521-2.TLP521-4,分別是1個(gè)光耦、2個(gè)光耦和4個(gè)光耦,如圖4.13.1所示。43TLP521-4TLP521-28576

5、04.13.1光耦封裝圖匚匚匚匚匚12345匚匚匚67843TLP521-4TLP521-2857604.13.1光耦封裝圖匚匚匚匚匚12345匚匚匚67865432102、電磁式繼電器的工作原理電磁式繼電器一般由控制線圈、詼芯、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成，控制線圈和接點(diǎn)Z間是相互絕緣的，因此，能夠?yàn)榭刂齐娐菲鸬搅己玫碾姎飧綦x作用。當(dāng)在繼電器的線圈兩頭加上其線圈的額定的電壓時(shí)，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力的作用F克服返回彈簧的拉力吸向恢芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨z消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力卜返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜

6、觸點(diǎn)斷開。4-133設(shè)計(jì)內(nèi)容K試驗(yàn)儀I/O輸入硬件原理圖EDP試驗(yàn)儀采用有4路光耦的TLP521-4,每路光耦的輸入端發(fā)光二級(jí)管的正極接+5V電壓，只要負(fù)極為低電平，就會(huì)使二極管導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)輸入輸出的光電耦合。光耦輸出端的發(fā)射極接地，集電極通過4.7KQ的電阻接+5電壓，同時(shí)通過模塊電路接到單片機(jī)的輸入端。實(shí)驗(yàn)儀I/O輸入模塊采用的電路原理圖如圖413-2所示，其中J8為4路光耦的輸入端，J4為第一路光耦輸出控制端，正常工作時(shí)需要將其1、2腳短接,J7為第二路光耦輸出控制端，正常工作時(shí)需耍將其短接。CClCClCCCCl圖4.13.2光耦輸入原理圖電路3S1INI1CClCClCCCCl圖4

7、.13.2光耦輸入原理圖電路3S1INI12IK2I1X1JlCOX5CGX22、繼電器控制原理圖及說明EDP試驗(yàn)儀采用的繼電器是HK4100F-DC5V-SH,主要技術(shù)參數(shù)有觸點(diǎn)負(fù)載：3A220VAC/30VDC；額定電流：3A；吸合電壓:DC3.75V；釋放電壓:DC0.5V。試驗(yàn)儀繼電器控制原理圖如圖4.133所示。繼電器屬丁感性器件，不能用單片機(jī)的I/OII直接控制，一般都是單片機(jī)通過一個(gè)PNP型的三極管V接到繼電器上，三極管作為電子開關(guān)來驅(qū)動(dòng)繼電器，繼電器的開和關(guān)完全由三極管的基極電平進(jìn)行控制。當(dāng)三極管基極為高電平，PNP型三極管截止，這時(shí)繼電器不工作；反Z為低電平的話，PNP型三極

8、管導(dǎo)通，繼電器得電吸合，另外一般需要在三極管上加反相保護(hù)電路。圖+TLP521-1光電耦合器起隔離作用，二極管D3起反相保護(hù)作用，J6是繼電器的輸出端，可以接負(fù)04.13.3繼電器控制電路3、管腳定義EDP試驗(yàn)儀O輸入、輸出與繼電器控制模塊接II定義如圖4.13.4所示。+5V+5V4-5V+5VP1.0P1.1P1.1P1.2I/O輸入、輸出與繼電器控制模塊P1.3P1.4TXDRXDGNDGNDGNDGND4.13.4I/O輸入、輸出與繼電器控制模塊接口定義4、軟件設(shè)計(jì)1）、光耦輸出子程序光耦輸出子程序的流程圖如圖4.13.5所示。相應(yīng)的C51程序代碼如例4.13.1。圖4.13.5光耦輸

9、出子程序的流程圖例4.13.1：光耦輸出子程序/*寧*寧*寧*寧*)(C*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*FileName:giiangou.cDescnption:光耦輸出子程序*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*/#iiiclude#iiiclude#mcludeINIO.h”#mclude”LCD1602.h”#defineucharunsignedcharucharL_Data16=OQOQO,OQO0OQO,OQO,O;ucharLine16=HGuangOu_lcdtest11;ucharmm;定義存放讀到的數(shù)據(jù)的變n：mmvoidguango

10、u(void)min=(Pl&OxOf);讀PlII的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理L_Data0=O;L_Datal=x：L_Data2=O;if(111m9)L_Data=mm+O+7;elseL_Data3=mm-O;lcdl602iiut()：lcd_stimg(Liiie_l,1);/顯示實(shí)驗(yàn)名稱lcd_striiig(L_Data,2);顯示數(shù)據(jù)、光耦輸出主程序光耦輸出主程序很簡(jiǎn)單，就是在液晶初始化之后在調(diào)用光耦輸出子程序，其流程圖在此略，相應(yīng)的C51程序代碼如例4.13.2。例4.13.2I/O擴(kuò)展光耦輸出子程序/*FileName:niaiiicDescnption:通過光耦方式讀取I/O

11、端II上的電平，并通過LCD1602把I/OI1數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*寧*/#iiiclude#mcludevoidguangou(void);niaiiiOlcdl602init();/液晶初始化PORT=0 x03;lcd_clear();wliile(l)giiangou();、繼電器驅(qū)動(dòng)程序流程圖如圖4.13.6所示，相應(yīng)的C51程序代碼如例4.13.3。圖4.13.6繼電器驅(qū)動(dòng)程序流程圖例4.13.3繼電器驅(qū)動(dòng)程序#iiicludesbitRELAY=P1A4;voidDelay()unsignedcharlj;fbr(i=O;i255;i+)

12、for(j=0;j255;j+);voidmain()wliile(l)RELAY=0;Delay();RELAY=1;Delay（）;5、調(diào)試步驟1）、按照印制電路板焊接I/O輸入、輸出與繼電器控制模塊電路板，焊接完畢，対照原理圖認(rèn)真檢査一遍然后開始測(cè)試，并把跳帽進(jìn)行正確短接；2）、打開實(shí)驗(yàn)儀主控開關(guān)，用萬用表檢測(cè)1、2、21、22引腳輸入的+5V電壓是否正確，如果正常便可以檢測(cè)I/O輸入模塊：3）、建立KeilX程，編輯、編譯源代碼并生成可下載的HEX文件；4）、連接串II線，通過串II通信模塊使用STC-ISP軟件卜載程序；5）、在排針J8上輸入數(shù)據(jù)，運(yùn)行光耦輸入程序，通過液晶顯示光耦輸出端的數(shù)據(jù)，若與排針J8上的輸入相同，說明光耦工作正常。6）、運(yùn)行繼電器驅(qū)動(dòng)程序，觀察繼電器運(yùn)行是否正常。6、思考和發(fā)揮部分1）、在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為什么要加光耦？光耦一般用丁那些場(chǎng)合？2）、請(qǐng)畫岀光耦輸出主程序的流程圖。3）、若用51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，驅(qū)動(dòng)電路如何設(shè)計(jì)？4）、繼電器、蜂鳴器等元件能否直接接到單片機(jī)的輸岀I1?為什么？5）、簡(jiǎn)述繼電器控制電路的基本原理和各部件的功能？跳線的用法:J4的2路是第一路光耦輸出的控制端,所以光耦在正常工作時(shí)，需要將其短接;J7是第一路光耦輸出的控制端,所以光耦在正常工作時(shí)，需要將其短接4.13.4電子設(shè)計(jì)DIY