单片机原理与接口技术 第二版 高职计算机应用技术专业第11章 I O过程通道.ppt

高等职业教育 计算机类课程规划教材 1.1.1 开关量输入 被控对象的一些开关状态可以经开关量输入通道输入到单片机系统,如电器的启动和停止、电磁铁的吸合和断开、光路的通和断等。但是，控制现场这些开关状态一般都不能直接接入单片机。 原因有两点: 一方面，现场开关量一般不是TTL电平，需要将不同的电平转化成单片机所需的TTL电平，该过程称为电平匹配; 另一方面，即使现场开关量符合TTL电平需要，由于来自现场的干扰严重，一般也需要将单片机与现场的电气隔离开，避免现场电气对单片机的干扰。 经过电平匹配和电气隔离后的开关信号才能够通过单片机接口，接入到单片机系统中。 单片机接口可以是单片机端口线。 1.直接利用MCS-51端口线 要将一个现场开关状态输入到单片机，经常使用的方法如图11-2所示。图中的S1是现场开关，U1是光耦，P1.0是单片机的一个输入端口线。 当MCS-51系统端口线有可用的端口线时，可以如图11-2所示连接。 2.利用扩展的I/O接口电路 当MCS-51的端口线全部被占用，只好另外扩展I/O接口电路了。 （1）利用74系列门电路 （2）利用可编程并行I/O芯片 （3）利用串行口 11.1.2 开关量输出 在单片机应用系统中，现场电器的通/断是通过开关量输出通道进行控制的。开关量输出通道一般是一条端口线控制一路电器。 1.开关量输出常见的受控对象 开关量输出常见的受控对象有电磁阀、继电器、步进电机等，只有对这些受控对象有深入的了解，才能更好地使用它们，发挥它们的最大效能。 2.开关量输出的电气隔离 由于现场电器通断时会产生强烈的干扰， 所以从端口线输出的开关量都需要电气隔离， 此外数字量0、1的TTL电平不足以驱动电器， 隔离后还要经驱动才能控制电器。 开关量输出的基本结构如图11-3所示。 3.开关量输出的驱动 开关量输出往往直接驱动现场的电器或作用于大功率电器的控制回路，需要有一定的功率驱动能力。 光电耦合器件在受光侧由于光敏三极管的驱动能力为mA级，一般不足以驱动执行机构，所以经常需要使用驱动电路。 （1）常用的驱动集成电路 集成电路的驱动能力一般不是很强，往往在几十至几百毫安。 在一些驱动电流要求不大的应用场合，由于集成电路具有占用空间小，易于焊接，使用方便等优点，常用来驱动如 LED显示等小功率的电器。常见的驱动集成电路有74系列、75系列、ULN200系列或28系列等。 （2）可控硅 可控硅又称晶闸管，具有体积小，效率高，寿命长，驱动能力大（一般是几安培至几百安培）等优点。 可控硅虽然也像开关量一样控制其导通或断开，但 SCR的导通角可控，其输出经滤波后的电压因而可控，所以经常用于模拟量的输出驱动。 （3）晶体管 晶体管在驱动中一般使用它的开关特性。如9013NPN型三极管，当三极管导通时，集电极驱动能力可达300mA。 三极管由于具有价格低，电路简单等特点被广泛地应用于中、小电流驱动的场合，如继电器驱动、LED或LED数码管的驱动等。 （4）继电器 ①印刷板用超小型电磁继电器 该类继电器具有体积小，重量轻，易于焊在线路板上等优点。 直流继电器接口原理如图11-4所示。继电器由三极管9013驱动。 ②固态继电器（SSR） 固态继电器 SSR是一种无触点电子开关器件，而且内含光电隔离和驱动，具有工作可靠、驱动功率大、无触点、无噪声、抗干扰、寿命长等特点，被广泛应用于机电控制，尤其是防爆等应用场合。 SSR工作原理如图11-5所示，由图可见，SSR为四端器件，两两一组,分别接控制信号和负载输出。 控制信号可以直接与 TTL、CMOS集成电路相连，无需专门驱动。 4.开关量输出的常用设计方法 （1）直接利用MCS-51端口线; （2）利用74系列门电路; （3）扩展可编程并行I/O口; （4）利用串行口。 这些现场状态（包括开关量输入）是单片机系统控制决策的依据。模拟量输入通道的一般结构如图11-6所示。 此外，还有纯硬件编码型A/D转换器，其速度最快，价格也最高，用于超高速场合，比如视频信号的采集等。 串/并行ADC各有优势: 并行ADC具有占用较多的数据线，输出速度快的特点，在转换位数较少时，有较高的性价比。 串行ADC输出占用的数据线少，转换后的数据逐位输出，输出速度较慢，但它具有两大优势: 其一，便于信号隔离，在