單片機(jī)常用測(cè)控電路課件

第8章單片機(jī)常用測(cè)控電路本章主要內(nèi)容1、開關(guān)量輸入/輸出接口電路2、A/D轉(zhuǎn)換接口電路3、D/A轉(zhuǎn)換接口電路4、步進(jìn)電機(jī)接口電路開關(guān)量輸入/輸出驅(qū)動(dòng)接口電路在單片機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)中，常常用到開關(guān)量的輸入輸出。所謂開關(guān)量，是指系統(tǒng)中某個(gè)測(cè)控對(duì)象相反的兩種狀態(tài)，輸入單片機(jī)時(shí)對(duì)應(yīng)輸入0和1，單片機(jī)輸出控制時(shí)分別輸出0和1來對(duì)應(yīng)。下面介紹幾種常用的開關(guān)量的輸入輸出驅(qū)動(dòng)接口電路。一、光電隔離輸入/輸出接口電路在工業(yè)控制領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，對(duì)于單片機(jī)而言，往往有一些遠(yuǎn)距離開關(guān)量信號(hào)的輸入和輸出，如果直接接入單片機(jī)的口，會(huì)有以下一些問題：1)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)、按鍵接點(diǎn)等信號(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；3)單片機(jī)的口驅(qū)動(dòng)能力有限，或者驅(qū)動(dòng)的是交流強(qiáng)電回路。對(duì)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(jìn)行隔離。光電耦合器件是個(gè)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(shí)現(xiàn)耦合，構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)隔離時(shí)應(yīng)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(dú)立的電源，若兩端共用一個(gè)電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)（包括數(shù)字量信號(hào)、控制量信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)）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(qū)動(dòng)接口電路繼電器是個(gè)什么樣的東西？繼電器是一種當(dāng)輸入量（電、磁、聲、光、熱、時(shí)間）達(dá)到一定值時(shí)，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動(dòng)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(shí)間繼電器、溫度繼電器、風(fēng)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(qū)動(dòng)接口電路3三、可控硅驅(qū)動(dòng)接口電路可控硅又稱晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè)結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極〔圖8-6(a)〕：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽(yáng)極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。電路符號(hào)如圖8-6（b）。

圖8-6可控硅符號(hào)及內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖8-7雙向可控硅隔離驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換接口電路一、轉(zhuǎn)換的基本概念在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，總是要對(duì)許多連續(xù)變化的模擬量（如溫度、壓力等）進(jìn)行測(cè)量，而這些模擬量對(duì)于單片機(jī)來說是無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)量的，單片機(jī)能夠直接接受和處理的是數(shù)字信號(hào)，因此，必須將這些模擬量數(shù)字化才能為單片機(jī)所處理。我們把將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。本教材中主要介紹典型的并行轉(zhuǎn)換芯片0809和串行轉(zhuǎn)換芯片1549及其與單片機(jī)的接口技術(shù)。轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)：（1）分辨率轉(zhuǎn)換器的分辨率是指轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量最低位變化一個(gè)字所對(duì)應(yīng)的被轉(zhuǎn)換模擬電壓的變化量。通常會(huì)用轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來表示分辨率。（2）轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指的是轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換器的種類：根據(jù)內(nèi)部轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換屬于直接的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過幾次的逐次比較逼近就可以直接得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果，轉(zhuǎn)換的速度快，精度較高，是目前使用最為廣泛的一種轉(zhuǎn)換。（2）積分型積分型的轉(zhuǎn)換是一種間接的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過兩次積分的過程得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果，這種轉(zhuǎn)換的時(shí)間長(zhǎng)，但精度高，抗干擾能力強(qiáng)，適用于速度要求不高且有較多干擾但精度要求較高的場(chǎng)合。二、并行（0809）及其接口電路0809是8通道8位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)框圖。0809主要性能指標(biāo)：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(guān)。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(zhuǎn)換時(shí)間取決于芯片的時(shí)鐘，是芯片時(shí)鐘周期的64倍。時(shí)鐘的頻率范圍為10~1280。0809引腳圖、時(shí)序圖圖8-90809引腳圖、時(shí)序圖10μsALE地址信號(hào)STARTOEEOCDATA圖8-10為0809與89S51的實(shí)用連接電路。根據(jù)圖8-9中的時(shí)序圖，0809轉(zhuǎn)換過程分為以下幾步：（1）通道選擇。用單片機(jī)口輸出通道信息控制A、B、C。只有一路模擬信號(hào)需要轉(zhuǎn)換時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)換開始（）。可以按照時(shí)序圖的順序，先控制地址所存，后啟動(dòng)。也可以用一個(gè)信號(hào)同時(shí)控制，后一種用的較多。（3）檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。轉(zhuǎn)換開始后約10μs，信號(hào)變低，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束再變高?？梢酝ㄟ^檢測(cè)判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，也可以利用信號(hào)的變化觸發(fā)中斷。（4）讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。檢測(cè)到轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，使有效，將數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)內(nèi)部。0809應(yīng)用示例程序[例8-1]將圖3-14共陽(yáng)型數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描電路和圖8-10結(jié)合起來，設(shè)計(jì)一路測(cè)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(dòng)初始狀態(tài)P1.2；輸出控制初始狀態(tài)：；調(diào)用顯示子程序；調(diào)轉(zhuǎn)換子程序

轉(zhuǎn)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(dòng)信號(hào)

；延時(shí)10μsP1.1；P1.1置為輸入狀態(tài)P1.1，$；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束P1.2；數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，準(zhǔn)備讀P0，#0；P0口置為輸入口A，P0；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果P1.2；關(guān)閉輸出B，#100；下面將結(jié)果轉(zhuǎn)換位碼，;并送顯示

72H，A；百位A，BB，#10

71H，A；十位70H，B；個(gè)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(jī)的中斷引腳，作為中斷觸發(fā)信號(hào)，用定時(shí)器定時(shí)每0.1S控制一次轉(zhuǎn)換，用中斷的方法檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)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(shí)0，#600，#176；6晶振，0.1S初值0；啟動(dòng)定時(shí)器運(yùn)行0；開定時(shí)器中斷0；外中斷0設(shè)為下降沿觸發(fā)0；開通中斷；P1.0；鎖存和啟動(dòng)初始狀態(tài)P1.2；輸出控制初始狀態(tài)：；調(diào)用顯示子程序

：；顯示子程序略…

：；延時(shí)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(dòng)信號(hào)

0P：；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)P1.2；數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，準(zhǔn)備讀P0，#0；P0口置為輸入口A，P0；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果P1.2；關(guān)閉輸出B，#100；下面將結(jié)果轉(zhuǎn)換位碼，并送顯示

72H，A；百位A，BB，#10

71H，A；十位70H，B；個(gè)位；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

傳統(tǒng)的0809與單片機(jī)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(gè)十位的串行轉(zhuǎn)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(hào)輸入端。：轉(zhuǎn)換結(jié)果串行輸出端。：片選端。：芯片工作驅(qū)動(dòng)脈沖輸入端。、：正負(fù)電壓基準(zhǔn)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(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖8-16所示：1549操作時(shí)序高位在前，共計(jì)10位，操作時(shí)需要先預(yù)讀一次，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，等待一段時(shí)間后再輸入十個(gè)移位脈沖，輸出10位的結(jié)果。圖8-17為1549的應(yīng)用電路。四、常用的轉(zhuǎn)換接口電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，有時(shí)根據(jù)實(shí)際的需要，比如缺少轉(zhuǎn)換器，或者轉(zhuǎn)換的數(shù)字量要經(jīng)過較遠(yuǎn)距離的傳輸?shù)鹊龋梢圆捎棉D(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。常用的轉(zhuǎn)換元器件是331、32等。331的性能特點(diǎn)：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(yīng)用電路。圖8-18基本V/F轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換接口電路一、轉(zhuǎn)換的基本概念轉(zhuǎn)換是單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)控制量輸出的典型的接口，如果實(shí)際被控對(duì)象要求的控制量是模擬量，而單片機(jī)本身不可能直接輸出模擬量，則由單片機(jī)根據(jù)具體的要求，輸出一定的數(shù)字量，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量。這種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的過程稱之為轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的器件稱之為轉(zhuǎn)換器。本節(jié)主要介紹并行的轉(zhuǎn)換芯片0832和串行芯片5615及其應(yīng)用。轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)有：（1）分辨率轉(zhuǎn)換器的分辨率是指當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量變化一個(gè)字的時(shí)候，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換輸出的模擬量的變化量。（2）線性度指的是在轉(zhuǎn)換量程范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)于一定比例的數(shù)字量轉(zhuǎn)換輸出的模擬量不成比例的非線性的程度。（3）轉(zhuǎn)換精度指的是轉(zhuǎn)換后得到的實(shí)際值對(duì)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(shí)間指的是轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量發(fā)生變化后，轉(zhuǎn)換輸出的模擬量達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值所需要的時(shí)間。（5）溫度系數(shù)指的是溫度對(duì)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種芯片。圖8-19為該芯片內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)框圖。0832工作方式：（1）直通工作方式:將兩個(gè)寄存器的5個(gè)控制信號(hào)都預(yù)先置為有效，兩個(gè)寄存器都開通，處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，用于沒有單片機(jī)的電路中。（2）單緩沖工作方式:只有一路轉(zhuǎn)換或雖然有多路但不要求同步輸出，這時(shí)則可以采用單緩沖方式接口。（3）雙緩沖工作方式:多路轉(zhuǎn)換，并要求同步輸出是，必須采用雙緩沖工作方式。4、0832應(yīng)用實(shí)例三、串行（5615）及其接口電路5615是一個(gè)十位的串行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)