《开关量信号》PPT课件.ppt

智能仪器通用硬件结构图,第5章 开关量信号的输入/输出,5.1 开关量信号 5.2 开关量信号的输入 5.3 开关量信号的输出,5.1 开关量信号,智能仪器在检测和控制外部装置状态时，常常 需要采用许多开关量作输入/输出信号。这些信号只 有开和关、通和断或者高电平和低电平两种状态，相 当于二进制数的0 和 1。如果要控制某个执行器的工 作状态，只须输出 0 和 1，即可接通发光二极管、 继电器或无触点开关的通/断，以实现诸如阀门的开 启与关闭、超限声光报警或电动机的启动与停止等。 同时也可输入开关信号监测执行器的状态。,单片机与开关信号接口,对以单片机为核心的智能仪器而言，因其内部 已具有并行I/0端口，可以直接检测和接收外界的开 关量信号。但外界的开关量信号的电平幅度必须与 单片机I/0端口的信号电平相符，若不相符，必须对 其进行电平转换后，再输入到单片机的I/0端口上。 若要输出控制外部功率较大的开关设备，则在输出 通道中应设计功率放大电路，以使单片机的输出信 号能驱动这些设备。,单片机I/O端口信号,1 高电平 0 低电平,1,0,单 片 机,P1.0,P1.7,5.2 开关量信号的输入,单片机处理开关量信号必须有信号输入 接口。其电气接口形式比较多，常见的有TTL 电平、CMOS电平、非标准电平、开关或继电 器的触点等。,521 开关量信号输入通道结构,开关量信号输入通道通常由单片机、信号输入 调理电气接口电路、信号输入缓冲器和译码电路等 几部分组成。典型的结构如图4-1所示。单片机是 接收和处理开关量信号的重要器件，一般由数据总 线缓冲器、输入/输出端口、地址译码器和读/写控 制信号组成。可完成信号输入通道的选通、关闭和 控制，对信号进行滤波、电平转换和隔离保护。,图例,5.2.2 开关量输入接口,1、扳键开关与单片机的接口 扳键开关可以将高电平或低电平经单片机的 I/O引脚输入单片机，以实现各种人机操作或参数 设置。图4-2是设计8个开关的接口电路图，各开关 信号的输入通过74LS244作为输入缓冲通道送入单 片机，单片机采用P0口数据总线读取外部开关信 号。 当开关合上时，向P0口的相应引脚送入低电平；当开关打开时，向P0口送入高电平。,图例,读取扳键开关状态程序如下：,KEYRD： CLR P1.7 ；选通读入外部开关信号 MOVX A，R ；产生RD信号，从P0口读取数据 RLC A ；用左移的方法移出第一个开关量 JC KP1 ；高电平表明未接通，转到第二个开关量 LJMP KBS1 ；低电平接通，转入第一个开关处理程序 KP1： RLC A JC KP2 LJMP KBS2 KP2： KP7： RLC A JC ESC LJMP KBS8 ESC： RET ；结束返回,5.2.3 光敏器件开关与单片机的接口,光敏器件是一种将光信号转换成电信号的器 件，主要有光敏二极管、光敏晶体管和光敏电阻 等，具有亮阻低、暗阻高的特点。 在光的照射下，光敏器件吸收光子能量产生电 流和电压。光敏器件广泛用于自动控制、广播电视 等领域，也常用于亮、暗的检测，控制灯光开关。 例如在航标灯或路灯中，用光敏器件检测是白 天还是黑夜来控制航标灯或路灯的自动开启或关 闭；在某些计数系统中可以用它来产生计数脉冲； 如图4-5所示为脉冲电表计数电路。,脉冲电表计数电路,5.2.4 温度超限检测开关接口,温度是与人类的生活、工作关系最密切的物理 量。从工业炉温、环境温度到人体温度；从空间、 海洋到家用电器，处处都存在对温度的测量和控制。 测量温度的器件种类很多，常用热敏电阻或集 成温度传感器来测量温度，以确定是否高于或低于 某一临界值，从而实现温度电子开关的方法。 如图4-6所示。,图例,原理：,LM35是集成温度传感器，可提供正比于 温度的电流，这样在R2两端可以产生约3.2V 电压，该电压随温度的升、降而改变。调节 R4电位器到某一特定值时。就可以检测到温 度高于或低于对应于R4的临界温度信号。信 号经过LM339比较器比较，即可输出TTL电平 开关信号。将这个信号输送到单片机的I/O口 或外部中断引脚处理，即可实现温度超限控 制。,5.3 开关量信号的输出,开关量输出是数字化驱动输出的一种方式，可 通过控制外部对象处于“开”或“关”状态的时间来达到 运行控制的目的。 开关量输出通道主要由锁存器、输出驱动器和 地址译码器等电路组成。如图4-7所示。 当对外部设备进行控制时，控制状态一般需要 保持到下一个新状态值给出为止。可以采用集成电 路器件作开关量信号的锁存器。由于被控设备需要 一定的电压和电流，锁存器的驱动能力有限，不能 直接驱动被控设备。因此，在锁存器后级必须配接 有足够驱动能力的输出驱动电路。,图例,5.3.1 输出驱动接口的隔离,在单片机应用系统中，常常会遇到外 界强电磁的干扰和工频电压信号的串扰， 导致系统工作不稳定。为了消除干扰，使 系统工作稳定可靠，一般需要采用通道隔 离技术，把单片机系统与干扰源隔开。输 出通道的这种隔离常用光电耦合器件来实 现，电路如图4-8所示。,图例,光电耦合器,光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件，内部 集成了一个发光二极管和一个光敏三极管。发光二 极管作输入电路；输出电路采用光敏三极管，有的 采用达林顿晶体管、TTL逻辑电路或光敏晶闸管。输 入与输出电路之间相互绝缘，形成光电发射和接收 电路。当在发光二极管输入端加上电压信号时，发 光二极管就会发光，光信号照射到输出端的光敏三 极管上产生光电流，使三极管导通并输出电信号。 每个光电耦合器只能完成一路开关量的隔离。,5.3.2 小功率直流负载驱动接电路,小功率直流负载主要有发光二极管、LED数码 显示器、小功率继电器和晶闸管等器件，要求提 供540mA的驱动电流。通常采用小功率三极管 （如9012、9013）、集成电路作驱动电路。图4-9 所示为常见的小功率直流驱动接口电路，图中 9013三极管作开关用，驱动电流在100mA以下，适 用于驱动要求负载电流不大的场合。图4-10中 75451作驱动器，当单片机的Pl.0、P1.1输出低电 平时，LED指示灯被点亮。,图例,图例,5.3.3 中功率直流负载驱动接口电路,这类电路常用于驱动功率较大的继电器 和电磁开关等控制对象，要求能提供50 500mA的电流驱动能力，可以采用达林顿管、 中功率三极管来驱动。 对于达林顿管，其特点是高输入阻抗、 极高的增益和大功率输出，只需要较小的输 入电流就能获得较大的输出功率。 如图412所示,图例,5.3.4 固态继电器输出接口电路,固态继电器（SSR）是一种采用固体元件组装而 成的新型电子继电器，其输入端输入控制电流较 小，只要用TTL、HTL或CMOS集成器件或晶体三极管 就可以直接驱动，比较适合应用在微机测控系统中 作为输出通道的控制元件。 固态继电器（SSR）内含晶体管或晶闸管输出驱 动，具有直流和交流固态继电器之分。固态继电器 与普通电磁式继电器相比，具有无机械触点噪声， 不会产生抖动和回跳，开关速度快，体积小，质量 轻，寿命长，工作可靠等优点，特别适用于控制大 功率设备的场合。,图例,直流型固态继电器主要用于直流大功率控制 场合。其输入端为光电耦合电路，可以采用逻辑 门电路或三极管直接驱动，驱动电流一般为3 30mA，输人电压为530V。其输出控制为晶体管 型，输出控制电压为30180V。当控制感性负载 时，要加保护二极管，以防止DC-SSR因突然截止 产生的高电压而损坏继电器。,直流型固态继电器（DC-SSR）,交流型固态继电器（AC-SSR）,主要用于交流大功率控制场合，分过零型和非 过零型。对于过零型AC-SSR，对交流负载的通/断控 制与负载电源电压的相位有关，当输入控制信号有 效后，必须在负载电源电压过零时才能接通输出端 的