微型計算機控制技術(shù)第二章改詳解演示文稿

微型計算機控制技術(shù)第二章改詳解演示文稿當前第1頁\共有47頁\編于星期二\7點優(yōu)選微型計算機控制技術(shù)第二章改當前第2頁\共有47頁\編于星期二\7點2.8.1光電耦合隔離技術(shù)在開關(guān)量控制中，最常用的器件是光電耦合隔離器（簡稱“光電耦合器”或“光耦”）。光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側(cè)）與信息接收輸出端（二次側(cè)）是電絕緣的，從而對地電位差干擾有很強的抑制能力，而且有很強的抑制電磁干擾的能力，且速度高、價格低、接口簡單，因而得到廣泛應(yīng)用。當前第3頁\共有47頁\編于星期二\7點（a）二極管型（b）三極管型（c）雙向晶閘管型圖2-48光電耦合器的幾種類型圖2-49光電耦合器應(yīng)用電路當前第4頁\共有47頁\編于星期二\7點典型的光電耦合隔離電路有數(shù)字量同相傳遞與數(shù)字量反相傳遞兩種，如圖2-50所示。（a）數(shù)字量同相傳輸（b）數(shù)字量反相傳輸圖2-50光電耦合隔離電路當前第5頁\共有47頁\編于星期二\7點2.8.2數(shù)字量輸入通道數(shù)字量輸入通道的任務(wù)是把外界生產(chǎn)過程的開關(guān)狀態(tài)信號或數(shù)字信號送至計算機或微處理器，簡稱DI（DigitalInput）通道。當前第6頁\共有47頁\編于星期二\7點一、數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)輸入數(shù)字信號的類型不同，數(shù)字量輸入通道的結(jié)構(gòu)也不同。一般由輸入緩沖器、輸入調(diào)理電路、輸入地址譯碼電路等組成。圖2-51數(shù)字量輸入通道結(jié)構(gòu)當前第7頁\共有47頁\編于星期二\7點

（1）TTL電平編碼數(shù)字（二進制、十進制）?？蓪⒕幋a數(shù)字直接接到并行接口電路的輸入端口上。對于可靠性要求很高的場合，輸入數(shù)字信號可經(jīng)光電隔離后再接到接口上。

（2）脈沖列。若脈沖頻率不高，則可采用軟件計數(shù)的方法，將脈沖信號加到并行接口的一個輸入端，用查詢方式或中斷方式對輸入脈沖計數(shù)；若脈沖頻率高，軟件計數(shù)來不及處理，則需外加硬件計數(shù)器，比如使用可編程計數(shù)器/定時器8253就很方便。（3）若輸入的是來自操作臺的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器或來自現(xiàn)場的行程開關(guān)等觸點接通或斷開的開關(guān)量信號，則需要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路，將觸點的通斷轉(zhuǎn)換成高電平或低電平，同時考慮濾波、防觸點抖動以及采用光電隔離等措施。當前第8頁\共有47頁\編于星期二\7點+5V80C51P0.0P0.7A84125.1K×8AA84218421當前第9頁\共有47頁\編于星期二\7點光電脈沖編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出。可用于速度測量和定位。當前第10頁\共有47頁\編于星期二\7點●接近開關(guān)原理與用途：

利用電渦流原理制作，用于金屬的無接觸檢測，具有無磨損、響應(yīng)速度高、檢測精度高等特點。

用于數(shù)控機床的自動控制及工件的位置檢測。

響應(yīng)速度快，定位精度高。

無接觸，防護等級高。當前第11頁\共有47頁\編于星期二\7點當前第12頁\共有47頁\編于星期二\7點在開關(guān)量輸入電路中，常用的信號調(diào)理技術(shù)有電平轉(zhuǎn)換、RC濾波、過電壓保護、反電壓保護、光電隔離等。（1）電平轉(zhuǎn)換是用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。（2）RC濾波是用RC濾波器濾除高頻干擾。（3）過電壓保護是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護；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）反電壓保護是串聯(lián)一個二極管防止反極性電壓輸入。（5）光電隔離用光耦隔離器實現(xiàn)計算機與外部的完全電隔離。當前第13頁\共有47頁\編于星期二\7點二、觸點抖動處理在機械式開關(guān)觸點開始接觸或脫離接觸的瞬間，由于存在彈性使觸點產(chǎn)生彈跳，輸出的電信號會有抖動現(xiàn)象。抖動持續(xù)時間在10～20ms之間。為了消除由于觸點的機械抖動而產(chǎn)生的信號振蕩，一般可采取軟件法或硬件法來消除這種抖動。當前第14頁\共有47頁\編于星期二\7點按鈕閉合和斷開過程示意圖當前第15頁\共有47頁\編于星期二\7點軟件法即通過軟件延時，多次查詢?nèi)ザ秳?。當連續(xù)幾次檢測為同一電平時，才記入。硬件法一般都采取電容濾波來消除抖動。圖2-52防抖動調(diào)理電路當前第16頁\共有47頁\編于星期二\7點三、典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路（a）直流輸入電路當前第17頁\共有47頁\編于星期二\7點（b）交流輸入電路圖2-53開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路當前第18頁\共有47頁\編于星期二\7點2.8.3數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道簡稱DO（DigitalOutput），它的任務(wù)是輸出數(shù)字信號驅(qū)動生產(chǎn)現(xiàn)場的設(shè)備。圖2-54數(shù)字量輸出通道結(jié)構(gòu)當前第19頁\共有47頁\編于星期二\7點一、晶體管輸出驅(qū)動電路1.普通三極管驅(qū)動電路當驅(qū)動電流只有十幾mA時，只要一個普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動電路。圖2-55小功率三極管驅(qū)動電路當前第20頁\共有47頁\編于星期二\7點2.達林頓驅(qū)動電路當驅(qū)動電流需要達到幾百毫安時，如驅(qū)動中等功率繼電器，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣列驅(qū)動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復合管構(gòu)成，具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點，同時多對復合管也非常適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負荷。

當前第21頁\共有47頁\編于星期二\7點ULN2003是高耐壓、大電流驅(qū)動陣列芯片，內(nèi)部由7個NPN型達林頓管組成。ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7kΩ的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，可用于驅(qū)動常見的小功率負載（如繼電器、電磁閥、小直流電機、步進電機等）。若實際應(yīng)用電路需要更大的驅(qū)動電流，可將多組單元驅(qū)動電路并聯(lián)。當前第22頁\共有47頁\編于星期二\7點（a）ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖（b）一組驅(qū)動電路的原理圖圖2-56ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)ULN2003芯片內(nèi)部集成有一個續(xù)流二極管，9腳（COM端）便是內(nèi)部續(xù)流二極管的共陰極。當用2003驅(qū)動繼電器時，可以省略掉保護繼電器線圈的二極管。使用時只需將COM接到繼電器電源端。如果負載是阻性的，9腳可以懸空。ULN2003第8腳是共地引腳，直接接地。當前第23頁\共有47頁\編于星期二\7點圖2-57ULN2003常用驅(qū)動電路當前第24頁\共有47頁\編于星期二\7點二、繼電器輸出驅(qū)動電路電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用輸出方式。圖2-58繼電器原理當前第25頁\共有47頁\編于星期二\7點當前第26頁\共有47頁\編于星期二\7點由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關(guān)斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅(qū)動器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。

圖2-59繼電器輸出驅(qū)動電路當前第27頁\共有47頁\編于星期二\7點接觸器和繼電器的原理是一樣的，本質(zhì)區(qū)別就是承受的載荷不同，電流容量大的是接觸器，小的是繼電器；繼電器工作的電流比較小，主要使用在控制回路（二次回路），繼電器的觸點較多，種類也很多，有時間繼電器，交流繼電器，中間繼電器等；接觸器工作的電流比較大、電壓比較高，一般用于主回路（一次回路）控制。增加了滅弧裝置。分為交流接觸器和直流接觸器。當前第28頁\共有47頁\編于星期二\7點低壓接觸器真空接觸器當前第29頁\共有47頁\編于星期二\7點三、固態(tài)繼電器（SSR）驅(qū)動電路固態(tài)繼電器（SolidStateRelay，SSR）是一種新型的無觸點開關(guān)電子繼電器，它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制回路與負載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。當前第30頁\共有47頁\編于星期二\7點當前第31頁\共有47頁\編于星期二\7點圖2-60固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)原理圖SSR的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電路兼容，輸出端利用器件內(nèi)的電子開關(guān)來接通和斷開負載。工作時只要在輸入端施加一定的弱電信號，就可以控制輸出側(cè)大電流負載的通斷。當前第32頁\共有47頁\編于星期二\7點SSR的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱為直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為功率三極管，交流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為雙向晶閘管。交流型SSR按控制觸發(fā)方式不同又可分為過零型和移相型（非過零型）兩種，

當前第33頁\共有47頁\編于星期二\7點（a）過零型（b）非過零型圖2-61交流型SSR類型當前第34頁\共有47頁\編于星期二\7點圖2-62固態(tài)繼電器驅(qū)動電路當前第35頁\共有47頁\編于星期二\7點五、晶閘管驅(qū)動電路晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導體器件，具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。當前第36頁\共有47頁\編于星期二\7點晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖2-63所示，（a）為單向晶閘管，有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。當陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導通變?yōu)榻刂?。（a）單向晶閘管（b）雙向晶閘管圖2-63晶閘管的結(jié)構(gòu)符號當前第37頁\共有47頁\編于星期二\7點圖2-64雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路當前第38頁\共有47頁\編于星期二\7點2.9I/O通道的抗干擾技術(shù)（掌握）微機控制系統(tǒng)的工作環(huán)境往往比較復雜、惡劣，存在大量的電磁信號，如電網(wǎng)的波動、強電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等，當它們在系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁感應(yīng)和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統(tǒng)的正常運行，輕者造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，降低了系統(tǒng)的精度；重者會引起控制系統(tǒng)死機或誤動作，造成設(shè)備損壞或人身傷亡。這對系統(tǒng)的可靠性與安全性構(gòu)成了極大的威脅。當前第39頁\共有47頁\編于星期二\7點影響計算機控制系統(tǒng)可靠、安全運行的主要因素是來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種干擾。進入I/O通道的干擾按照其對電路的作用形式，通常分為有串模干擾和共模干擾。下面分別說明其性質(zhì)及其抑制方法。當前第40頁\共有47頁\編于星期二\7點2.9.1串模干擾及抑制方法串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾信號，也稱橫向干擾或正態(tài)干擾。產(chǎn)生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合，長線傳輸?shù)幕ジ?，空間電磁場引起的磁場耦合，以及50Hz的工頻干擾等。當前第41頁\共有47頁\編于星期二\7點圖2-65串模干擾示意圖當前第42頁\共有47頁\編于星期二\7點串模干擾的抑制方法：（1）加入輸入濾波器。（2）對被測信號盡可能早地進行信號放大，以提高電路中的信號噪聲比；或者盡可能早地完成A/D轉(zhuǎn)換再進行長線傳輸；或者采用隔離和屏蔽等措施。（3）從選擇元器件人手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。（4）可采用屏蔽雙絞線或同軸電纜連接一次儀表和轉(zhuǎn)換設(shè)備減少電磁感應(yīng)。（5）利用數(shù)字濾波技術(shù)對已進入計算機的串模干擾進行數(shù)據(jù)處理，如可采用平均值法、中值法、一階滯后濾波算法等濾除干擾信號。當前第43頁\共有47頁\編于星期二\7點2.9.2共模干擾及抑制方法共模干擾是指A/D轉(zhuǎn)換器兩個輸入端上共有的干擾電壓。因為在計算機控制系統(tǒng)中，被控制和被測試的參量可能很多，并且分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個地方，計算機接收的信號或發(fā)出的控制信號與現(xiàn)場設(shè)備或?qū)ο笾g一般用很長的導線連接，而導線上存在阻抗。因此，被測信號的參考接地點和計算機控制信號的接地點之間往往存在一定的電位差。當前第44頁\共有47頁\編于星期二\7點圖2-67共模干擾示意圖圖2-68輸入隔離當前第45頁\共有47頁\編于星期二\7點共模