單片機(jī)輸入電路設(shè)計(jì)

第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用一、開關(guān)量輸入接口設(shè)計(jì)二、模擬量輸入輸出接口技術(shù)是單片機(jī)與測(cè)控對(duì)象相連的部分，是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的輸入通道。來自被控對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)信息按物理量的特征可分為模擬量和數(shù)字量兩種。第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用一、開關(guān)量輸入接口設(shè)計(jì)

“開關(guān)”的基本形式:

開關(guān)在智能裝置中被用來設(shè)置工作狀態(tài)和命令，以便選擇不同的功能。開關(guān)只有“斷開”與“閉合”兩種穩(wěn)定（由機(jī)械保證）的.下圖為一些常用開關(guān)的例子。1、開關(guān)輸入電路第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用一、開關(guān)量輸入接口設(shè)計(jì)

“開關(guān)”的基本形式:

1、開關(guān)輸入電路互鎖式開關(guān)第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用一、開關(guān)量輸入接口設(shè)計(jì)1、開關(guān)輸入電路凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點(diǎn)、開關(guān)，其端子引出均統(tǒng)稱為開關(guān)信號(hào)。在開關(guān)輸入電路中，要考慮一下問題：

1）電平轉(zhuǎn)換：如把現(xiàn)場(chǎng)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

2）RC濾波：用RC濾波器濾出高頻干擾。

3）過電壓保護(hù)：用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護(hù)；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。

4）反電壓保護(hù)：串聯(lián)一個(gè)二極管防止反極性電壓輸入。

5）光電隔離：用光耦隔離器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部的完全電隔離。第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用一、開關(guān)量輸入接口設(shè)計(jì)典型的開關(guān)量輸入信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

1、開關(guān)輸入電路第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用一、開關(guān)量輸入接口設(shè)計(jì)2、數(shù)字量輸入通道（2）脈沖計(jì)數(shù)電路有些用于檢測(cè)流量、轉(zhuǎn)速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號(hào)，對(duì)于大量程可以設(shè)計(jì)一種定時(shí)計(jì)數(shù)輸入接口電路，即在一定的采樣時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)輸入的脈沖個(gè)數(shù)，然后根據(jù)傳感器的比例系數(shù)可換算出所檢測(cè)的物理量。第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用一、開關(guān)量輸入接口設(shè)計(jì)2、數(shù)字量輸入通道（2）脈沖計(jì)數(shù)電路第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（1）采樣:（數(shù)字）數(shù)據(jù)采集包含模擬信號(hào)量化過程。數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上也是離散的。類似于從總體中抽樣研究分布，故稱采樣。以一定時(shí)間間隔對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，使連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的脈沖序列。第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（2）采樣頻率。為了不丟失被采樣信號(hào)所攜帶的信息，實(shí)時(shí)采樣的采樣頻率應(yīng)滿足采樣定理（香農(nóng)定理）的要求，當(dāng)采樣頻率不滿足采樣定理時(shí)將產(chǎn)生信號(hào)混迭現(xiàn)象，使采樣后波形中增加了額外的低頻成分，造成失真，引起誤差。在工程上采樣頻率應(yīng)取被采樣信號(hào)所含最高頻率的K倍，通常K≥10～20。還應(yīng)在A/D轉(zhuǎn)換之前加入抗混迭模擬濾波器AF，濾掉多余的高頻分量。香農(nóng)定理：為使采樣信號(hào)能夠復(fù)現(xiàn)原連續(xù)信號(hào)，采樣頻率ωs和連續(xù)信號(hào)e(t)最高頻率ωmax之間的關(guān)系必須滿足：

ωs≥2ωmax

或：T≤π/ωmax

第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（2）采樣頻率

(推薦)工業(yè)過程變量采樣周期：流量≤0.5s

壓力≤1s

液位≤2s

溫度≤5s第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（3）數(shù)據(jù)采集通道:由兩部分組成：一是信號(hào)的濾波、放大、采樣、保持、轉(zhuǎn)換部分；二是單片機(jī)及其接口部分；如圖所示。接口程序的任務(wù)為:對(duì)接口初始化，確定采樣通道、采樣頻率、中斷方式,啟動(dòng)A/D,讀取結(jié)果,作前期數(shù)據(jù)處理，存入指定單元等。第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（3）數(shù)據(jù)采集通道:---各元件的作用

傳感器及變換器：采集現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)，并變換成電信號(hào)(電壓信號(hào)或電流信號(hào))，以滿足單片機(jī)的輸入要求?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有各種各樣，有電信號(hào)，如電壓、電流、電磁量等；也有非電量信號(hào)，如溫度、濕度、壓力、流量、位移量等，對(duì)于不同物理量應(yīng)選擇相應(yīng)的傳感器。

第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（3）數(shù)據(jù)采集通道:---各元件的作用放大器：對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)，進(jìn)行放大處理處理成滿足A/D轉(zhuǎn)換要求的輸入信號(hào)。如果傳感器輸出的信號(hào)滿足A/D轉(zhuǎn)換要求，可以省略。

濾波器：減少來自各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾信號(hào)。第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（3）數(shù)據(jù)采集通道:---各元件的作用

采樣保持器：在單片機(jī)的控制下，在某一個(gè)時(shí)刻采樣模擬信號(hào)的值，并能保持該瞬時(shí)值，直到下一次重新采樣。

主要用于對(duì)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器分時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，或?qū)ψ兓^快的信號(hào)。

第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)1、基本概念（3）數(shù)據(jù)采集通道:---各元件的作用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)：實(shí)現(xiàn)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器分時(shí)對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如果是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)用一個(gè)信號(hào)，可以省略。

A/D轉(zhuǎn)換器：實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字轉(zhuǎn)換，量化。第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)2、常用的傳感器（變換器）

（1）常用的溫度傳感器-熱電偶溫度傳感器：

是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的，將任意兩種不同的導(dǎo)體A-B組成一個(gè)閉合回路，只要它們的兩個(gè)接點(diǎn)t1，t2的溫度不同，在回路里就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，如右圖所示：

在單片機(jī)應(yīng)用中，常用的測(cè)量參數(shù)有溫度，壓力，濕度，液位，速度，位移等。我們對(duì)常用的傳感器作一詳細(xì)的介紹。

第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)常用熱電偶的代號(hào)，分度號(hào)及測(cè)量范圍見表名稱代號(hào)分設(shè)號(hào)測(cè)量范圍oC銅-康銅WRC（T）CK-200-+300鎳鉻-考銅WRK（E）EA-20-800鎳鉻-鎳硅WRN（K）EU-20-1300鉑銠10-鉑WRP（S）LB-30-1600鉑銠10-鉑銠6WRR（B）LB-20-18002、常用的傳感器（變換器）第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（1）常用的溫度傳感器-熱電阻溫度傳感器：

它是利用鉑電阻，銅電阻，熱敏電阻的阻值隨溫度而變化的原理測(cè)量溫度的，這一類傳感器的適用范圍在-200-+650oC，有較高的靈敏度。2、常用的傳感器（變換器）第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入輸出接口技術(shù)

（1）常用的溫度傳感器-熱電阻溫度傳感器：2、常用的傳感器（變換器）第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（1）常用的溫度傳感器-半導(dǎo)體集成溫度傳感器利用半導(dǎo)體PN實(shí)現(xiàn)的。該傳感器的線性度好，使用方便，可以直接輸出電壓信號(hào)，或電流信號(hào)。典型應(yīng)用如圖2、常用的傳感器（變換器）第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（2）常用的壓力傳感器壓力測(cè)量在工業(yè)、航空、航天、汽車、氣象、海洋、醫(yī)療等方面有大量的應(yīng)用。利用壓力可以測(cè)量液體、水的高度和壓力，可以測(cè)量血壓、氣體質(zhì)量和重量等參數(shù)。壓力（又稱壓強(qiáng)）的單位是帕（Pa），1帕=1牛/米2，常用千帕（KPa），兆帕（MPa）表示，工業(yè)上使用的壓力單位有Kg/cm2和mmHg，mmHg幾種。2、常用的傳感器（變換器）第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（2）常用的壓力傳感器

各個(gè)壓力（又稱壓強(qiáng)）的單位之間的關(guān)系見表1：單位Pa(帕)Kg/cm2atm(大氣壓)MmHgMmH201Pa11.0997*1059.8692*10-67.5006*10-30.101971Kg/cm29.80665*10410.96784735.5591041mmHg1.33325*1021.3595*10-31.316*10-3113.5951mmH209.8063750.9997*10-40.96287*10-47.3556*10-212、常用的傳感器（變換器）第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（2）常用的壓力傳感器-壓電傳感器

在受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)。根據(jù)這個(gè)效應(yīng)研制出了壓力傳感器。壓電材料：石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。2、常用的傳感器（變換器）第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（2）常用的壓力傳感器-壓電傳感器--主要應(yīng)用

壓電式加速度傳感器：是一種常用的加速度計(jì)。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等特點(diǎn)。在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。

壓電式傳感器：測(cè)量大的壓力傳感器：如：用來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力與真空度。在軍事工業(yè)，可用它來測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。

測(cè)量微小的壓力傳感器：如在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器。2、常用的傳感器（變換器）第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（2）常用的壓力傳感器-其他壓力傳感器電容式壓力傳感器：

利用被測(cè)壓力使金屬膜片之間的距離減少，電容量增加的原理制成的，可以測(cè)量液體和氣體。硅壓阻式壓力傳感器：是利用的壓阻效應(yīng)制成的新型壓力傳感器，在一塊單晶硅的基片上用擴(kuò)散工藝制成的應(yīng)變?cè)?，在?yīng)變?cè)艿綁毫Φ淖饔茫痣娮柚诞a(chǎn)生變化。特點(diǎn)：體積小，系數(shù)度高，測(cè)量范圍寬，精度高。2、常用的傳感器（變換器）第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（3）熱釋電型紅外傳感器它在接收到紅外光線時(shí)，會(huì)隨紅外光的功率大小而輸出電壓信號(hào)，用于人體，火焰的檢測(cè)，傳感器的外形及電路如右圖所示：如圖所示，窗口用于紅外光線的射入。傳感器元件感受到紅外光線后，產(chǎn)生電荷，通過放大器，轉(zhuǎn)換成電壓輸出。

作電源開關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動(dòng)覽測(cè)、人體發(fā)熱檢測(cè)。2、常用的傳感器（變換器）第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（4）紅外光電傳感器

光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來實(shí)現(xiàn)控制的。組成：有三部分構(gòu)成。2、常用的傳感器（變換器）發(fā)送器：對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束。光源：發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管等。接收器：有光電二極管、光電三極管、光電池組成。檢測(cè)電路：能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（4）紅外光電傳感器-分類①槽型光電傳感器

把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過時(shí)，光被遮擋，光電開關(guān)便動(dòng)作，輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。2、常用的傳感器（變換器）第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（4）紅外光電傳感器-分類①槽型光電傳感器-應(yīng)用

2、常用的傳感器（變換器）第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（4）紅外光電傳感器-分類

②對(duì)射型光電傳感器是由相互分離的一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開關(guān)。簡稱對(duì)射式光電開關(guān)。檢測(cè)距離大。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。

2、常用的傳感器（變換器）第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

右圖是利用對(duì)射型光電傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。光線每照射到接收器件一次，接收器件就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，通過頻率計(jì)計(jì)算出每分鐘產(chǎn)生的脈沖數(shù)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速。2、常用的傳感器（變換器）

（4）紅外光電傳感器-分類

②對(duì)射型光電傳感器-應(yīng)用使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過時(shí)阻擋光路，收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（4）紅外光電傳感器-分類

③反光板型光電開關(guān)：把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。

2、常用的傳感器（變換器）第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（4）紅外光電傳感器-分類④擴(kuò)散反射型光電開關(guān):

它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。2、常用的傳感器（變換器）第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4輸入通道電路設(shè)計(jì)第四章單片機(jī)在大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)中的應(yīng)用二、模擬量輸入接口技術(shù)

（5）濕度傳感器濕度傳感器指空氣中所含的水蒸汽量，工業(yè)上，氣象上常用相對(duì)濕度這一概念。應(yīng)用：農(nóng)業(yè)大棚，這個(gè)行業(yè)一般多用無線溫濕度傳感器。土壤墑情，自動(dòng)噴灌。戶外配電柜內(nèi)部結(jié)露檢測(cè)等。精細(xì)化工車間，紡織車間，電子生產(chǎn)車間。2、常用的傳感器（變換器）第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期五4.4