51单片机第七章 信号输入输出.ppt

4、霍尔传感器 霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。 例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。 霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。 霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4×2×0.1mm3)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1－VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 7.1 单片机应用系统的结构 7.2 模拟信号的输入—传感器技术 7.3 模拟信号的输入--A/D转换 7.4 模拟信号的输出--D/A转换 7.5 开关量的输入输出 7.6 信号输入输出实验 7.1 单片机应用系统的结构 图7.1单片机应用系统的基本结构 单片机应用系统的核心任务： 根据一定的输入（前向通道），结合一定的处理算法，然后作出一定的输出响应（后向通道）。 输入： 包括模拟输入和数字输入，电量信号输入和非电量信号输入。对于非电量输入需要通过传感器将非电物理量转换为模拟电信号。 预处理：一般包括放大器和滤波器两部分： 信号经过放大器的放大变为具有一定幅值的模拟输入信号； 滤波器（低通或带通）的作用则是滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。 A/D转换：将模拟信号转换为数字信号。 MCS-51单片机是整个系统的控制和处理核心，它是一个数字处理芯片，要求所有的输入和输出都是具有TTL电平的数字信号。这样模拟信号要想输入到单片机中必须先将其转换成数字信号。 A/D转换器的任务就是在满足奈奎斯特采样定理的条件下，将模拟信号转换为数字信号。 对于开关量，可以很容易的映射成数字的0或者1，即TTL的低电平和高电平，映射后的这些数字信号就可以直接输入到单片机内部。 输出： 处理的结果需要输出，对于开关量的输出，可以简单地经过映射部件，将单片机的TTL电平输出信号转换成所需要的开关量进行输出。 D/A转换： 有些输出需要以模拟信号的形式存在（如语音信号），单片机输出的TTL电平数字信号必须经过D/A转换。 由于转换后模拟信号中往往含有许多高频成分，因此也需要通过滤波器滤除这些高频信号，以获得平滑的模拟输出信号。有时候，输出的模拟信号还有电压、电流、功率等要求，D/A转换后的模拟信号需要经过一定的模拟电路来满足这些要求。 7.2 模拟信号的输入—传感器技术 传感器： 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置，也叫变换器、换能器或探测器。通常，传感器由敏感元件和转换电路组成，如图： 图7.2 传感器结构示意图 敏感元件： 传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件： 传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号。 信号调理和转换电路： 由于传感器输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理和转换电路，进行放大、运算调制等。 辅助电路： 主要是指电源。 7.2.1传感器的分类 １、按传感器的物理量： 可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器； ２、按传感器工作原理： 可分为电阻、电容、电感