第11章51单片机输出控制

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11.1常用输出接口电路11.2常用D/A转换器设计*11.3直流电动机的控制设计第11章51单片机输出控制

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第11章51单片机输出控制输出控制是单片机实现控制算法处理后，控制执行机构的过程。由于应用场合和控制对象不同，单片机输出控制可以分为以下几类：模拟量控制、开关量控制、电机控制等。在单片机的输出控制中常采用单片机与光电隔离元件、模拟开关、继电器等元件构成输出控制。现实生活中大多是连续变化的模拟量，模拟量的输出常采用D/A转换设计来实现。电机控制应用较为广泛，常用于检测和控制系统。本章就以上内容，分别用实例予以说明。

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11.1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、D/A转换接口电路和功率驱动接口电路组成。11.1.1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。一、光电隔离器结构从结构上看，光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成，其结构如图所示。

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通常使用的光电离器组合形式有四种，如图所示。其中图(a)为普通型隔离器，图(b)为高速型隔离器，图(c)为达林顿输出型隔离器，图(d)为晶闸管输出型。

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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、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。这就是光电耦合器的作用。

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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。TLP521-4光电耦合器的典型应用电路。第11章51单片机输出控制

11.1.2单片机与模拟开关元件的接口电路一、CD4066介绍CD4066由四个相互独立的双向模拟开关组成，每个开关由一个控制端口控制，控制电路在高电平时导通，在低电平时断开，可利用于断续器解调电路中。主要用作模拟或数字信号的多路传输。CD4066的引脚与CD4016兼容，引出端排列与CD4016一致，但具有比较低的导通阻抗，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。

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二、CD4066接口电路CD4066与51单片机接口电路如图所示，CD4066内部有四路模拟开关，本电路仅以一路为例进行说明。当P1.1为高电平，第二路模拟开关导通，此时（I/O）2和(O/I)2构成通路，数据可以从P1.0口传送到(O/I)2口，也可以从(O/I)2口输入至P1.0口。

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11.1.3单片机与继电器元件的接口电路一、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。触点有动触点和静触点之分。二、继电器的触点形式和电路符号1.动合型（H型）：线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两触点就闭合了。2.动断型（D型）：线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。3.转换型（Z），这是触点组型。

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电磁继电器的常用符号第11章51单片机输出控制

三、普通电磁继电器的主要技术参数 1.线圈电源和功率 2.额定工作电压或工作电流 3.线圈电阻 4.吸合电压或电流 5.释放电压或电流 6.触点负荷第11章51单片机输出控制

四、继电器的附加电路1.串联RC电路：能缩短吸合时间，如图（a）所示。2.并联RC电路：可延长衔铁的释放时间，如图（b）所示。3.并联二极管电路：可吸收感应电动势，如图（c）所示。第11章51单片机输出控制

五、固态继电器（SSR）固态继电器（SSR），是一种由集成电路和分立元件组合而成的一体化无触点电子开关器件。其功能与电磁继电器基本相似，固态继电器的输入端仅需要很小的控制电流，且能与TTL、CMOS等集成电路实现良好兼容。由于在开关过程中无机械接触部件，因此具有工作可靠、寿命长、噪声低、开关速度快和工作频率高等特点。固态继电器的种类很多，常用的主要有直流型和交流型两种。第11章51单片机输出控制

直流型固态继电器原理图及电路符号如下:第11章51单片机输出控制

交流型固态继电器原理图及电路符号如下:第11章51单片机输出控制

固态继电器的内部电路图如下图所示。其中图（a）为交流型SSR。图（b）为直流型SSR。第11章51单片机输出控制

六、继电器接口电路1.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。下图是电磁式继电器的接口电路图。第11章51单片机输出控制

2.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路。第11章51单片机输出控制

11.2常用D/A转换器设计11.2.1D/A转换器的结构和工作原理

DAC0832是单片直流输出型8位数/模转换器。它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量V0为：可见，输出的模拟量与输入的数字量成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。第11章51单片机输出控制

DAC0832内部转换逻辑结构如下。

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DAC0832内部功能结构如下。

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11.2.2D/A转换器的接口电路一、直通方式接口电路直通方式是指两个缓冲器直接连通，输入数据直接送入D/A转换电路，相当于没有内部寄存器。

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二、单缓冲器方式接口电路单缓冲器方式只使用一个内部缓冲器，另一个缓冲器呈直通状态。

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三、双缓冲器同步方式接口对于多路D/A转换接口，要求同步进行D/A转换输出时，必须采用双缓冲器同步方式。DAC0832采用这种接法时，数字量的输入锁存和D/A转换输出是分两步进行的，即CPU的数据总线分时地向各路D/A转换器输入要转换的数字量并锁存在各自的输入寄存器中，然后CPU控制所有的D/A转换同时输出。

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11.2.3D/A转换器的单片机编程一、直通方式控制程序根据直通方式接口电路设计软件流程如下：第11章51单片机输出控制

应用C51语言编程如下：

//------------------函数声明,变量定义------------------------------#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<ABSACC.H>//------------------定义管脚---------------------------------------#definedata_OUTP1//------------------延时子程序-------------------------------------//函数功能:延时子程序,实现(16*N+24)μs的延时//系统采用11.0592MHZ的时钟时,延时满足要求,其他情况需要改动voiddelay(unsignedintN){ inti; for(i=0;i<N;i++);}第11章51单片机输出控制

//-------------------完成一次转换------------------------------------voidconversion_0832(unsignedcharout_data){ data_OUT=out_data;//输出数据 delay(10);//延时等待转换}//----------------------主函数-----------------------------------------//函数功能:完成满值点验证、零点值验证voidmain(){ unsignedchari; conversion_0832(0XFF);//满值点验证 conversion_0832(0);//零点值验证 for(i=0;i<255;i++)//输出锯齿波 { conversion_0832(i); }}第11章51单片机输出控制

二、单缓冲器方式控制程序单缓冲器方式的程序与直通方式的程序,基本相同,只需在定义是作如下的改动：//------------------------直通方式-定义管脚-----------------------------#definedata_OUTXBYTE[0X7FFF]//------------------------当缓冲器方式-定义地址-------------------------#definedata_OUTXBYTE[0X7FFF]第11章51单片机输出控制

*11.3直流电动机的控制设计11.3.1直流电动机驱动电路的基本工作原理一、认识直流电动机直流电动机的结构可分为机壳、定子与转子。大中型的直流电动机的定子与转子上各有绕组，这两种绕组之间，可采用串联或并联方式。采用串联方式的称为串激式直流电动机；采用并联方式的称为分激式直流电动机。第11章51单片机输出控制

二、直流电动机的驱动方式直流电动机的驱动方式，就是把直流电源加到直流电动机上，使之旋转。 1.用继电器驱动直流电动机第11章51单片机输出控制

2.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管，直接提供直流电动机的电源，使之旋转。其中的D1、D2二极管起保护功能。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小，以达到转速控制的目的。第11章51单片机输出控制

3.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。其中Q2、Q3所组成的达林顿晶体管控制电动机的开关，继电器的接通与断开控制电动机的运行方向。第11章51单片机输出控制

4.以晶体管控制直流电动机的方向（桥式驱动）第11章51单片机输出控制

若送一个高电平信号到input1端，同时送一个低电平信号到input2端时，则电流由右而左流过此直流电动机，

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反之，若送一个低电平信号到input1端，同时送一个高电平信号到input2端时，则电流由左而右流过此直流电动机，

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5.互补（配对）达林顿功率晶体管—TIP12x系列内部电路结构

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6.互补（配对）达林顿功率晶体管-TIP14x系列内部电路结构

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7.桥式达林顿功率晶体管模块-TA7257P系列内部电路结构

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三、直流电动机的PWM控制驱动直流电动机的电流大小将影响直流电动机的输出转矩与转速。直流电动机的功率采用平均值，当电压固定时，只要改变电流的平均值即可改变输入功率。脉冲的平均值如下：改变脉冲宽度来控制平均值的方法，称为脉冲宽度调制即PWM控制。

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电动机的转速与电机两端的电压成比例，而电动机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电动机的转速与占空比成比例。占空比越大，电动机转得越快，当占空比α=1时，电动机转速最大。控制电动机转速的PWM波形图如下所示。第11章51单片机输出控制

在模拟电路中，我们可以使用比较器将正弦波与三角波条变为PWM波，PWM调变电路及PWM调变示意图如下：

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11.3.2采用单片机的直流电动机控制电路设计本系统直流电机及控制电路的电路原理如下。直流电机控制使用了H桥驱动电路，控制口线为P1.1、P1.2。第11章51单片机输出控制

11.3.3直流电动机驱动的编程应用C51语言编程如下：

//-----------------函数声明,变量定义------------------------#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<ABSACC.H>//-----------------定义管脚---------------------------------sbitPWM=P1^0; //PWM波形输出sbitDR=P1^1; //方向控制#definetime_data(256-100) //定时器预置值,12M时钟是,定时0.1ms#definePWM_T100 //定义PWM的周期T为10msunsignedcharPWM_t; //PWM_t为脉冲宽度(0-100)时间为0-10msunsignedcharPWM_count; //输出PWM周期计数unsignedchartime_count; //定时计数bitdirection; //方向标志位第11章51单片机输出控制

//函数名称:timer_init//函数功能:初始化设施定时器voidtimer_init(){ TMOD=0X22;/*定时器1为工作模式2(8位自动重装),0为模式2(8位自动重装)*/ PCON=0X00; TF0=0; TH0=time_data;//保证定时时长为0.1ms TL0=TH0; ET0=1; TR0=1;//开始计数 EA=1;//中断允许}//函数名称:settint_PWM//函数功能:设置PWM的脉冲宽度和设定方向voidsetting_PWM(){ if(PWM_coun