计算机控制技术

1、沈阳建筑大学沈阳建筑大学信息与控制工程学院信息与控制工程学院 马斌马斌计算机控制技术计算机控制技术 第第2 2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道第第2 2章章 过程输入输出接口过程输入输出接口2.3.1 数字量输入通道1.1.数字量输入通道的结构数字量输入通道的结构 数字量输入通道主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。 CPU总线 输入 缓冲 器 输入 调理 电路 地址译码器 来自生产过程 2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道2. 输入调理电路输入调理电路 数字量数字量( (开关量开关量) )输入通道的输入通道

2、的基本功能基本功能就是接收外就是接收外部装置或生产过程的状态信号。部装置或生产过程的状态信号。 这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的这些状态信号的形式可能是电压、电流、开关的触点触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。 为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现为了将外部开关量信号输入到计算机，必须将现场输入的状态信号经场输入的状态信号经转换、保护、滤波、隔离转换、保护、滤波、隔离等措施转等措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调换成计算机能够接收的逻辑信号，这些功能称为信号调理理 。 （1 1）小功率输入调理电路）小功率

3、输入调理电路 （2 2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道（1）小功率输入调理电路）小功率输入调理电路 开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成开关、继电器等接点接通和断开动作，被转换成TTLTTL电电平信号与计算机相连。平信号与计算机相连。 为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般都应加入有较长时间常数的般都应加入有较长时间常数的积分电路积分电路来消除这种振荡。来消除这种振荡。 +5V C K R2 R1 采用采用积分电路积分电路的的小功率输入调理电路小功率输入调理电路目的：目的：

4、把开关把开关K K的状态转化成二进制状态。的状态转化成二进制状态。 原理：原理：闭和闭和K K时，电容时，电容C C放电，反相器反放电，反相器反相为相为1 1； 断开断开K K时，电容时，电容C C充电，反相器反充电，反相器反相为相为0 0。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道RS触发器消除开关两次反跳电路触发器消除开关两次反跳电路原理：原理：当当K K在上时，输出上为在上时，输出上为1 1，下为，下为0 0。 当当K K按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生按下时，因为键的机械特性，使按键因抖动而产生瞬间不闭合，造成瞬间不闭合，造成R-SR-S触发器输入为双触发器输入为

5、双1 1，故状态不改变。，故状态不改变。+5V K R45 R3 2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道（2）大功率输入调理电路）大功率输入调理电路 当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接当从电磁离合等大功率器件的接点输入信号时，为了使接点工作可靠，接点两端至少要加点工作可靠，接点两端至少要加24V24V以上的直流电压（因为直流以上的直流电压（因为直流电平的响应快，不易产生干扰）。电平的响应快，不易产生干扰）。但是这种电路，由于所带电但是这种电路，由于所带电压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。压高，所以高压与低压之间，用光电耦合器进行隔离。 光电隔离光电隔

6、离：通常使用一个光通常使用一个光耦耦将电子信号转换为光信号，将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可在另一边再将光信号转换回电子信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。以互相的隔离。 原理：当原理：当K K 闭合时，光电二闭合时，光电二极管导通，发光使晶体管导通，极管导通，发光使晶体管导通，经反相器反相为经反相器反相为1 1。 当当K K断开时，光电二极管不断开时，光电二极管不导通，晶体管不导通，经反相导通，晶体管不导通，经反相器反相输出为器反相输出为0 0。 其中，用其中，用R1R1、R2R2进行分压，进行分压，C C进行滤波，要合理选择参数。进行滤波，

7、要合理选择参数。+5V R2 R3 C R1 +48V 2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道2.3.2 数字量输出通道1.数字量输出通道的结构 数字量输出通道主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成 。 去生产过程 CPU总线 输 出 锁 存 器 输 出 驱 动 电 路 地址译码器 图 2.6 数字量输出通道结构 2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道 2. 2.输出驱动电路输出驱动电路 在数字量输出通道中，关键是在数字量输出通道中，关键是驱动驱动，因为从锁存器中出来的，因为从锁存器中出来的是是TTLTTL电平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。电

8、平，驱动能力有限，所以要加上驱动电路。 功率晶体管输出驱动继电器电路功率晶体管输出驱动继电器电路 继电器包括线圈和触点。继电器包括线圈和触点。 因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极因负载呈电感性，所以输出必须加装克服反电势的保护二极管管D D，J J为继电器的线圈。为继电器的线圈。 D D的作用是泄流，通过的作用是泄流，通过D D放掉放掉J J上所带的电荷，防止反向击穿。上所带的电荷，防止反向击穿。 R R的作用是限流。的作用是限流。 作用过程：当作用过程：当TTLTTL电平为电平为1 1时，时， 晶体管截止，晶体管截止，J J不吸合不吸合 当当TTLTTL电平为电平为0 0时

9、，时， 晶体管导通，晶体管导通，J J吸合吸合2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道一、常用输出接口电路一、常用输出接口电路 输出接口电路主要由抗干扰元件接口电路、输出接口电路主要由抗干扰元件接口电路、D/AD/A转换接转换接口电路和功率驱动接口电路组成。口电路和功率驱动接口电路组成。1单片机与光电隔离元件的接口电路单片机与光电隔离元件的接口电路 光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。集成电路型等。一、光电隔离器结

10、构一、光电隔离器结构 从结构上看，光电隔离器由一从结构上看，光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成，其结构如图所示。一个管壳内组成，其结构如图所示。 2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道 通常使用的光电离器组合形式有四种，如图所示。通常使用的光电离器组合形式有四种，如图所示。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道 其中图其中图(a)(a)为普通型隔离器，图为普通型隔离器，图(b)(b)为高速型隔离器，图为高速型隔离器，图(c)(c)为达林顿输出型隔离器，图为达林顿输出型隔离器，图(d)(d)为晶闸管输出型。为晶闸管

11、输出型。 二、光电隔离器工作原理二、光电隔离器工作原理 光电耦合接口是通过光电元器件来实现的，光电元器光电耦合接口是通过光电元器件来实现的，光电元器件由发光二极管和光电三极管构成。件由发光二极管和光电三极管构成。 可应用于信号隔离、开关电路、数模转换、逻辑电路、可应用于信号隔离、开关电路、数模转换、逻辑电路、长线传输、过载保护、高压控制和电路变换。长线传输、过载保护、高压控制和电路变换。 光电三极管是一种光电转换装置，它的输出特性与三光电三极管是一种光电转换装置，它的输出特性与三极管基本相同，不同的是光电三极管接收的是光能量。极管基本相同，不同的是光电三极管接收的是光能量。 由于发光二极管与光

12、电三极管之间是通过光来传递信由于发光二极管与光电三极管之间是通过光来传递信息的，没有电气上的联系，从而实现了电气上的隔离。这息的，没有电气上的联系，从而实现了电气上的隔离。这就是光电耦合器的作用。就是光电耦合器的作用。 2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道三、光电耦合器接口电路三、光电耦合器接口电路 光电耦合技术被广泛用于测量控制系统。光电耦合技术被广泛用于测量控制系统。TLP521-4TLP521-4光电光电耦合器的典型应用电路。耦合器的典型应用电路。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道三、单片机与继电器元件的接口电路三、单片机与继电器元件的接口电路1、普通电

13、磁继电器、普通电磁继电器 电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件，实际上电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件，实际上它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关。电磁继电它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关。电磁继电器是由铁芯，线圈，衔铁，触点以及底座等构成的。触点器是由铁芯，线圈，衔铁，触点以及底座等构成的。触点有动触点和静触点之分。有动触点和静触点之分。2 2、继电器的触点形式和电路符号、继电器的触点形式和电路符号 1.1.动合型（动合型（H H型）：线圈不通电时两触点是断开的，型）：线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两触点就闭合了。通电后，两触点就闭合了。 2.2.动断型（动断型

14、（D D型）：线圈不通电时两触点是闭合的，型）：线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。通电后两个触点就断开。 3.3.转换型（转换型（Z Z），这是触点组型。），这是触点组型。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道电磁继电器的常用符号电磁继电器的常用符号2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道四、继电器的附加电路四、继电器的附加电路 1.1.串串 联联RCRC电路：电路：能缩短吸合时间，如图（能缩短吸合时间，如图（a a）所示。）所示。 2.2.并联并联RCRC电路：电路：可延长衔铁的释放时间，如图（可延长衔铁的释放时间，如图（b b）所示。）所示。 3.

15、3.并联二极管电路：并联二极管电路：可吸收感应电动势，如图（可吸收感应电动势，如图（c c）所示。）所示。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道直流型固态继电器原理图及电路符号如下直流型固态继电器原理图及电路符号如下: :2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道交流型固态继电器原理图及电路符号如下交流型固态继电器原理图及电路符号如下: :2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道 固态继电器的内部电路图如固态继电器的内部电路图如下下图图所示。其中所示。其中图（图（a a）为交流型）为交流型SSRSSR。图（。图（b b）为直流型）为直流型SSRSSR。2.3

16、 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道六、继电器接口电路六、继电器接口电路1.1.直流电磁继电器接口直流电磁继电器接口 常用的继电器大部分属于电磁式继电器。下常用的继电器大部分属于电磁式继电器。下图是电磁式继电器的接口电路图。图是电磁式继电器的接口电路图。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道2.2.交流电磁继电器接口交流电磁继电器接口 交流式电磁式继电器由于线圈的电压要求是交流交流式电磁式继电器由于线圈的电压要求是交流电，所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电，所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。下图是交流接触器的接口电器作为中间继电

17、器控制。下图是交流接触器的接口电路。电路。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道直流电动机的驱动方式直流电动机的驱动方式 直流电动机的驱动方式，就是把直流电源直流电动机的驱动方式，就是把直流电源加到直流电动机上，使之旋转。加到直流电动机上，使之旋转。1.1.用继电器驱动直流电动机用继电器驱动直流电动机2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道2.2.以达林顿晶体管驱动直流电动机以达林顿晶体管驱动直流电动机 微控制信号连接到达林顿晶体微控制信号连接到达林顿晶体管，直接提供直流电动机的电源，管，直接提供直流电动机的电源，使之旋转。使之旋转。 其中的其中的D1D1、D2D2二

18、极管起保护功二极管起保护功能。此电路不但可以控制直流电动能。此电路不但可以控制直流电动机的开或关，还可以控制其功率大机的开或关，还可以控制其功率大小，以达到转速控制的目的。小，以达到转速控制的目的。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道3.3.以继电器控制直流电动机的方向以继电器控制直流电动机的方向 微控制信号连接到达林顿晶体管与继电器微控制信号连接到达林顿晶体管与继电器。其中其中Q2Q2、Q3Q3所组成的达林顿晶体管控制电动机的开关，所组成的达林顿晶体管控制电动机的开关，继电器继电器的的接通与断开控制电动机的运行方向。接通与断开控制电动机的运行方向。2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道4.4.以晶体管控制直流电动机的方向（以晶体管控制直流电动机的方向（桥式驱动桥式驱动 ）2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道 若送一个高电平信号到若送一个高电平信号到input1input1端，同时送一个端，同时送一个低电平信号到低电平信号到input2input2端时，则电流由右而左流过此端时，则电流由右而左流过此直流电动机。直流电动机。 2.3 2.3 开关量输入输出通道开关量输入输出通道 反之，若送一个低电平信号到反之，若送一个低电平信号到inpu