单片机原理接口及应用- 单片机典型外围接口技术

单片机原理、接口及应用

---嵌入式系统技术根底第8章单片机典型外围接口技术8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计

8.1.1数模转换器的工作原理8.1.2D/A转换器的主要技术指标8.1.3数模转换芯片DAC08328.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.3开关量功率接口技术温度测控原理示意图1、CPU怎样识别模拟量？2、CPU怎样控制模拟量？→传感器测温→CPU决策→变压器输出→电炉丝加热→→模拟/数字转换〔AD〕→数字/模拟转换〔DA〕

即模拟输出电压Uo与二进制输入信号成正比。但电路用到的电阻规格太多，那么电阻差异大，故精度不高。〔一〕D/A转换器结构及原理单片D/A转换器的根本组成包括基准电压源、解码网络、电子开关阵列和相加运算放大器等局部，其中电阻解码网络是其核心，常用的解码网络有二进制加权电阻网络和R—2R梯形电阻网络。1、加权电阻网络电路模拟开关由相应位的二进制数码控制，当某位为1时，模拟开关与参考电压源接通，那么流向求和点A的总电流为：2、R—2R梯形电阻网络电路图中A1~An各节点往右看，对地的电阻值均等于R。从左到右，各路电流分配规律是IR/2，IR/22，…,IR/2n，那么输出电压为：即模拟输出电压Uo与二进制输入信号成正比。数字输入模拟输出0000000000000001

…

…

011111111000000010000001……

111111110V0.039V

…4.96V5.00V5.039V…9.96V假设取n=8位Rfb=RVREF=10V满量程输出电压=VREF-VLSBLSB〔LeastSignificantBit)——最低有效位MSB〔MostSignificantBit)——最高有效位即满量程值比基准电压小一个最低有效位(LSB)的数码。8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.1.1数模转换器的工作原理8.1.2D/A转换器的主要技术指标8.1.3数模转换芯片DAC08328.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.3开关量功率接口技术D/A是将数字量转换成模拟量的器件，D/A的输出是电压或电流信号。衡量D/A性能的主要参数是：

分辨率：即输出的模拟量的最小变化量。满刻度误差：即输入为全1时，实际输出电压与理 想值之差。输出范围：转换时间：从转换器的输入改变到输出稳定的时间 间隔。是否容易与CPU接口分辨率用“1LSB对应的模拟电压大小〞来表示，例假设VREF=5V，那么8位的DA转换器，分辨率为5V/28=19.5mV12位的DA转换器，分辨率为5V/212=4.8mV14位的DA转换器，分辨率为5V/214=0.3mV因此，应根据分辨率的需要来选定DA转换器的位数转换时间是指从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定所需的时间。目前，10位或12位D/A转换器D转换时间一般不超过1us。8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.1.1数模转换器的工作原理8.1.2D/A转换器的主要技术指标8.1.3数模转换芯片DAC08328.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.3开关量功率接口技术DAC0832——电流输出型D/A转换器20只引脚8位并行输入方式分辨率19.5mV(VREF=5V〕电流建立时间１μS输入与TTL电平兼容单一电源供电〔＋5V～＋15V〕低功耗，20mＷ一，DAC0832的结构输入锁存器+DAC存放器+D/A转换器

D0~D7：8位数据输入线

CS ：片选信号

WR1：输入锁存器写选通

WR2：DAC寄存器写选通

XFER：数据传送控制信号

ILE：数据允许锁存控制信号输入线

Iout1：电流输出端1，其值随DAC内容线性变化

Iout2：电流输出端2，Iout1+Iout2=常数

Rfb

：反馈输入线，改变Rfb端外接电阻调整转换满量程精度VREF

：基准电压输入线，-10~+10VVCC

：+5~+15VAGND：模拟地，

DGND：数字地，二，DAC0832的三种工作方式直通方式——两个存放器都处于直通状态〔引脚ILE→1，其余→0〕单缓冲方式——一个存放器处于直通，另一个处于受控状态双缓冲方式——两个存放器均处于受控状态1、单缓冲方式假设应用系统中只有一路D/A转换或虽然有多路转换，但并不要求各路信号同步输出时，那么采用单缓冲方式来接口。方法是：使锁存器和DAC存放器同时接收数据。2、双缓冲方式当多路D/A信号要求同步输出时，那么采用双缓冲方式。方法是：①分别使其输入锁存器接收数据；②同时传送数据到其DAC存放器，以实现多路转换同步输出。3、直通方式

所有控制信号均有效，适宜于连续控制时。（三）电流输出转换成电压输出(四）DAC0832与MCS—51的接口方法直通方式

实例4-1：利用DAC输出锯齿波ILE→1，其余控制脚→0实例4-1程序实例4-1运行效果单缓冲方式实例4-2：利用DAC输出锯齿波第一级受控,第二级直通实例4-2程序实例4-2运行效果双缓冲方式实例4-3：利用DAC分别输出两路锯齿波〔上升波和下降波〕〔适合于多路D/A转换同步输出的场合〕DAC1和DAC2的第1级各设1个控制端，DAC1和DAC2的第2级共用1个控制端实例4-3程序实例4-3运行效果8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.2模数转换芯片ADC0809及其接口

8.2.1逐次逼近式数模转换器的工作原理

8.2.2A/D转换器的主要技术指标8.2.3ADC0809引脚介绍

8.2.4ADC0809内部结构及工作时序

8.2.4应用举例

8.3开关量功率接口技术将模拟量信号变换成数字量信号的元件——模数转换器ADC〔AnalogtoDigitalConverter〕

ADC的种类较多，较常见的有：计数比较式——器件简单、价格廉价、转换速度慢双斜率积分式——精度高、速度慢逐次逼近式——可兼顾速度和精度逐次逼近式AD转换器的工作原理根本组成：比较器、DA转换器、逐次逼近存放器、锁存缓冲器、控制逻辑单元逐次逼近式A/D转换原理然后经D/A转换成对应的模拟电压Us，送到比较器的一个输入端并与比较器另一个输入端的模拟电压Ui比较，若UsUi，则表明预设的这一数码太大，逻辑控制电路将逐次逼近寄存器的该位置0；若UsUi，则表明预设的这一数码不够大，逻辑控制电路将逐次逼近寄存器的该位保持为1，再将逐次逼近寄存器的下一位置1，其他逐次逼近A/D由比较器、D/A转换器、时钟电路、逐次逼近寄存器、逻辑控制电路、输出缓冲器等组成，它是采用逐次比较法来实现的。转换开始后，在逻辑控制电路控制下，时钟电路使逐次逼近寄存器的最高位置1，其他各位置0，各位仍为0，然后再经D/A转换成对应的模拟电压Us，再比较以确定这一位的1是保存还是要去除。这样逐位进行比较，直至D/A转换器输出电压Us与Ui相等或Ui-Us小于最大量化误差值为止。比较结束时，存放器中所保存的代码就是与Ui相应的数字代码，从而完成了A/D转换。这种A/D只需n次操作就能完成n位的转换，转换速度较高，精度也较高，电路结构简单。从最高位开始通过试探值逐次进行测试，直到试探值经D/A转换器输出VN与VIN相等或到达允许误差范围为止。那么该试探值就为A/D转换所需的数字量。8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.2.1逐次逼近式数模转换器的工作原理

8.2.2A/D转换器的主要技术指标8.2.3ADC0809引脚介绍

8.2.4ADC0809内部结构及工作时序

8.2.4应用举例

8.3开关量功率接口技术AD转换器的技术指标主要包括：转换时间——完成一次模拟量变换为数字量所需要的时间。逐次逼近式的典型值为1.0～200μs。分辨率——转换器对输入电压微小变化的响应能力的度量，习惯上以输出的二进制位数表示。如8位、10位、12位、14位、16位等。分辨率为8位，意味着它可对满量程的1/28=1/256的增量作出反映。转换精度——AD转换器实际量化值与理论输出值的差距。精度反映的是转换后所得结果相对于实际值的准确度，而分辨率那么是能对转换结果发生影响的最小输入量。量程——所能转换的电压范围，通常为0～5V和0～10V。8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.2.1逐次逼近式数模转换器的工作原理

8.2.2A/D转换器的主要技术指标8.2.3ADC0809引脚介绍

8.2.4ADC0809内部结构及工作时序

8.2.5应用举例

8.3开关量功率接口技术28只引脚ADC0809——逐次比较型模数转换芯片分辨率为８位转换时间１00μS

工作量程为0～＋5V功耗为15mＷ工作电压为+5V具有锁存控制的8路模拟开关输出与TTL电平兼容8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.2.1逐次逼近式数模转换器的工作原理

8.2.2A/D转换器的主要技术指标8.2.3ADC0809引脚介绍

8.2.4ADC0809内部结构及工作时序

8.2.5应用举例

8.3开关量功率接口技术8路模拟输入信号——用三根地址线A,B,C选通IN0～IN7；引脚——START启动AD转换，CLK转换节拍，VR参考电压，EOC结束标志，OE输出使能，ALE地址锁存使能ADC0809结构:模拟开关/地址译码器/ADC/输出锁存器工作时序控制逻辑

ALE产生正脉冲，锁存ADDA、ADDB、ADDC通道选通端数据，通过内部地址译码，选通对应通道START端口输入正脉冲信号，信号的上升沿去除内部存放器数据，下降沿启动AD转换；

AD转换启动后，EOC从高电平变成低电平，在AD转换过程中，EOC保持低电平，转换结束，EOC从低变成高电平。向OE引脚输入正脉冲，翻开三态输出锁存器，内部数据输出到D0—D7数据总线；MCS-51与ADC0809的接口单片机如何来控制ADC?首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX@DPTR，A时，单片机的WR*信号有效，产生一个启动信号给0809的START脚，对选中通道转换。转换结束后，0809发出转换结束EOC信号，该信号可供查询，也可向单片机发出中断请求;当执行指令：MOVXA，@DPTR，单片机发出RD*信号,加到OE端高电平，把转换完毕的数字量读到A中。查询和中断控制两种工作方式。(1)查询方式0809与8031单片机的接口如图11-16。端口地址：7FF8~7FFFALE脚的输出频率为1MHz，〔时钟频率为6MHz〕，经D触发器二分频为500kHz时钟信号。0809输出三态锁存，8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。引脚C、B、A分别与地址总线A2、A1、A0相连，选通IN0~IN7中的一个。P2.7〔A15〕作为片选信号，在启动A/D转换时，由WR*和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。读取转换结果，用RD*信号和P2.7脚经或非后，产生的正脉冲作为OE信号，用以翻开三态输出锁存器。对8路模拟信号轮流采样一次，采用软件延时的方式，并依次把结果转储到数据存储区。MAIN: MOVR1，#data ;置数据区首地址MOV DPTR，#7FF8H;端口地址送DPTR，P2.7=0， ；且指向通道IN0MOV R7，#08H ;置转换的通道个数LOOP:MOVX @DPTR，A ;启动A/D转换MOV R6，#0AH ;软件延时，等待转换结束DELAY:NOPNOPNOPDJNZ R6，DELAYMOVX A，@DPTR ;读取转换结果MOV @R1，A ;存储转换结果INC DPTR ;指向下一个通道INC R1 ;修改数据区指针DJNZ R7，LOOP ;8个通道全采样完否？未完那么继续……(2)中断方式将图11-16中EOC脚经一非门连接到8031的INT1*脚即可。转换结束时，EOC发出一个脉冲向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求，在中断效劳程序读A/D结果，并启动0809的下一次转换，外中断1采用跳沿触发。程序如下：INIT1:SETB IT1 ；外部中断1初始化编程SETB EA ；CPU开中断SETB EX1 ；选择外中断为跳沿触发方式MOV DPTR，#7FF8H；端口地址送DPTRMOV A，#00H;MOVX @DPTR，A ；启动0809对IN0通道转换… ；完成其他的工作中断效劳程序:PINT1:MOVDPTR，#7FF8H；A/D结果送内部RAM单元30HMOVX A，@DPTRMOV 30H，AMOV A，#00H ；启动0809对IN0的转换MOVX @DPTR，A;RETI8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.2.1逐次逼近式数模转换器的工作原理

8.2.2A/D转换器的主要技术指标8.2.3ADC0809引脚介绍

8.2.4ADC0809内部结构及工作时序

8.2.5应用举例

8.3开关量功率接口技术实例5：用查询法实现0通道信号采集，结果以16进制显示A、B、C三个地址线均接地选通0通道ST〔ALE〕、EOC、OE分别接IO端口CLOCK接虚拟信号发生器〔5KHz〕实例5程序实例5运行效果8.1数模转换芯片DAC0832及其接口设计8.2模数转换芯片ADC0809及其接口8.3开关量功率接口技术输出口的隔离在单片机应用系统中，为防止现场强电磁的干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统，一般采用通道隔离技术。输出通道的隔离最常用的组件是光耦合器，简称光耦。光电耦合器的输入侧都是发光二极管，但是输出侧有多种结构，如光敏晶体管、达林顿型晶体管、TTL逻辑电路以及光敏可控硅等。光信号作用在光敏三极管基极光电流使三极管导通，输出电信号光电耦合器在传输脉冲信号时，对不同结构的光电耦合器的输入输出延迟时间相差很大。图12-4是使用4N25的光电耦合器接口电路图。〔高速光耦〕4N25使两局部的电流信号独立。4N25输入输出端的最大隔离电压＞2500V。1.1 MCS-51片内I/O口的驱动能力工业生产现场，控制对象是电磁继电器、电磁开关或可控硅、固态继电器和功率电子开关。能否用MCS-51片内的I/O口直接驱动它们呢？P0、P1、P2、P3四个口都可做输出口，但其驱动能力不同。P0口的驱动能力较大，当其输出高电平时，可提供400A的电流；当其输出低电平〔0.45V〕时，那么可提供3.2mA的灌电流，如低电平允许提高，灌电流可相应加大。P1、P2、P3口的每一位只能驱动4个LSTTL，即可提供的电流只有P0口的一半。所以，任何一个口要想获得较大的驱动能力，只能用低电平输出。8031通常要用P0、P2口作访问外部存储器用，所以只能用P1、P3口作输出口。P1、P3口的驱动能力有限，在低电平输出时，一般也只能提供不到2mA的灌电流，通常要加总线驱动器或其它驱动电路。1.2继电器输出接口

不同的继电器，允许驱动电流也不一样。对于需要较大驱动电流的继电器，可以采用达林顿输出的光耦直接驱动；也可以在光耦与继电器之间再加一级三极管驱动。由于继电器的控制线圈有一定的电感，在关断瞬间会产生较大的反电势，因此在继电器的线圈上常常反向并联一个二极管用于电感反向放电，以保护驱动晶体管不被击穿。

二极管D的作用是保护晶体管T。原理如下：当继电器J吸合时，二极管D截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管T已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压，极性是上负下正。2.3MCS-51与晶闸管的接口1.单向晶闸管晶闸管习惯上称可控硅〔整流元件〕，英文名为SiliconControlledRectifier，简写成SCR，这是一种大功率半导体器件，它既有单向导电的整流作用，又有可以控制的开关作用。利用它可用较小的功率控制较大的功率。在交、直流电动机调速系统、调功系统、随动系统和无触点开关等方面均获得广泛的应用，如以下图示，有三个电极：阳极A、阴极C、控制极〔门极〕G。当其两端加上正向电压而控制极不加电压时，晶闸管并不导通，正向电流很小，处于正向阻断状态；当加上正向电压，且控制极上〔与阴极间〕也加上一正向电压时，晶闸管便进入导通状态，这时管压降很小〔1V左右〕。这时即使控制电压消失，仍能保持导通状态，所以控制电压没有必要一直存在，通常采用脉冲形式，以降低触发功耗。它不具有自关断能力，要切断负载电流，只有使阳极电流减小到维持电流以下，或加上反向电压实现关断。假设在交流回路中应用，当电流过零和进入负半周时，自动关断，为了使其再次导通，必须重加控制信号。2.双向晶闸管晶闸管应用于交流电路控制时，如图12-10所示。采用两个器件反并联，以保证电流能沿正反两个方向流通。如把两只反并联的SCR制作在同一片硅片上，便构成双向可控硅，控制极共用一个，使电路大大简化，其特性如下：①控制极G上无信号时，A1、A2之间呈高阻抗，管子截止。②VA1A2＞1.5V时，不管极性如何，便可利用G触发电流控制其导通。③工作于交流时，当每一半周交替时，纯阻负载一般能恢复截止；但在感性负载情况下，电流相位滞后于电压，电流过零，可能反向电压超过转折电压，使管子反向导通。所以，要求管子能承受这种反向电压，而且一般要加RC吸收回路。④A1、A2可调换使用，触发极性可正可负，但触发电流有差异。双向晶闸管具有双向导通功能，能在交流、大电流场合使用，且开关无触点，因此在工业控制领域有着极为广泛的应用。3.光耦合双向可控硅驱动器传统的双向晶闸管隔离驱动电路的设计，是采用一般的光隔离器和三极管驱动电路。现在已有与之配套的光隔离器产品。这种器件称为光耦合双向晶闸管驱动器，与一般的光耦不同，在于其输出局部是一硅光敏双向晶闸管有的型号的光耦合双向可控硅驱动器还带有过零检测器，以保证在电压为零〔接近于零〕时才触发可控硅导通，如MOC3030/31/32〔用于115V交流〕，MOC3040/41〔用于220V交流〕。图12-12为这类光耦驱动器与双向可控硅的典型电路。在使用晶闸管的控制电路中，常要求晶闸管在电源电压为零或刚过零时触发晶闸管，来减少晶闸管在导通时对电源的影响。这种触发方式称为过零触发。过零触发需要过零检测电路，有些光电耦合器内部含有过零检测电路，如MOC3061双向晶闸管触发电路。图12-13是使用MOC3061双向晶闸管的过零触发电路。4.固态继电器输出接口

固态继电器〔SSR〕是近年开展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用TTL、HTL、CMOS等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动，因此适宜于在微机测控系统中作为输出信道的控制组件。其输出利用晶体管或晶闸管驱动，无触点。与普通的电磁式继电器和磁力开关相比，具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲力、抗潮湿、抗腐蚀、因此在微机测控等领域中，已逐步取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制器件。固态继电器的内部逻辑框图

由光电耦合电路、触发电路、开关电路、过零控制电路和吸收电路五局部构成。这5局部被封装在一个六面体外壳内，成为一个整体，外面有四