第七章单片机的测控.ppt

第七章单片机的测控接口,第一节A/D转换接口的扩展第二节D/A转换接口的扩展第三节开关量接口的扩展第四节电压/频率转换器件,第一节A/D转换接口的扩展,一、A/D转换器概述（一）双积分式A/D转换器主要特点是转换精度高、抗干扰能力好、价格便宜，但其转换速度较慢。这种转换器主要用于对转换速度要求不高的场合。双积分A/D转换器芯片有几种1．ICL7106/ICL7107/ICL7126系列2．MCl4433Motorola公司产品3位半精度3．ICL7136Intersil公司产品4位半精度,,,,（二）逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器是一种转换速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。其典型芯片有以下几种1．ADC0801～ADC0805型8位MOS型A/D转换器2．ADC0808/0809型8位CMOS型A/D转换器3．ADC0816/0817,,,,（三）A/D转换器的主要技术指标1．分辨率分辨率是指A/D转换器能分辨的最小模拟输入量。2．转换时间转换时间是A/D转换器完成一次转换所需的时间。3．量程量程是指A/D转换器所能转换的输入电压范围。4．精度精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。,,,,（二）信号引脚ADC0809芯片为28引脚双列直插式封装的芯片，其引脚排列如图,,,,,二、典型A/D转换器芯片ADC0809ADC0809内部逻辑结构如图,,,,,1．IN7～IN0模拟量输入通道。2．A、B、C地址线。3．ALE地址锁存允许信号。4．START启动转换信号。5．D7～D0数据输出线。6．OE输出允许信号。7．CLOCK时钟信号8．EOC转换结束状态信号。EOC＝0，正在进行转换；EOC1，转换结束9．VCC5V电源。10．REF、REF-参考电压,,,,三、MCS-51单片机与ADC0809接口ADC0809与8051单片机的连接如图,,,,,电路连接主要涉及两个问题一是8路模拟信号通道选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。（一）8路模拟通道选择ADDA、ADDB、ADDC分别接地址锁存器提供的低3位地址，只要把3位地址写入ADC0809内部的地址锁存器，就实现了模拟通道选择。二转换数据的传送1．定时传送方式2．查询方式3．中断方式,,,第二节D/A转换接口的扩展,一、D/A转换器概述在微机应用系统中，许多场合会遇到被控对象需用模拟量来控制的情况。D/A转换器就是将单片机输入的数字量信号，转换为模拟量输出的器件。1．分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关2．建立时间是描述D/A转换器速度快慢的一个参数，指从输入数字量到转换为模拟量输出所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度3．接口形式一类是不带锁存器的（如DAC0808），另一类是带锁存器的如DAC0832,,,,二、典型D/A转换器芯片DAC0832DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从5V～15V均可正常工作，基准电压范围为10V，电流建立时间为1μs，CMOS工艺，低功耗20mWDAC0832转换器芯片为20引脚，双列直插式封装，其引脚排列及内部结构框图如图,,,,,,,,,DAC0832引脚特性如下1．DI7～DI0转换数据输入线。2．片选信号输入，低电平有效。3．ILE数据锁存允许信号输入，高电平有效。4．数据输入寄存器写信号输入，低电平有效。5．DAC寄存器写信号输入，低电平有效。6．数据传送控制信号输入，低电平有效。7．IOUT1电流输出1,,,,,8．IOUT2电流输出2。DAC转换器的特性之一是IOUT1＋IOUT2＝常数9．RBF反馈信号输入端，芯片内带有反馈电阻10．VREF基准电压，范围为-10V～10V。DGND数字地AGND模拟地,,,,三、单缓冲工作方式的接口与应用1．单缓冲方式连接单缓冲方式连接如图7-5所示。2．单缓冲工作方式应用举例在许多控制系统应用中，要求有一个线性增长的电压锯齿波来控制检测过程，移动记录笔或移动电子束等。这可通过在DAC0832的输出端接运算放大器，由运算放大器产生锯齿波来实现。其电路如图7-6所示。图中的DAC0832工作于单缓冲方式，其中输入寄存器受控，而DAC寄存器直通。用DAC0832单缓冲方式产生锯齿波电路,,,,图7-5DAC0832与单片机的单缓冲方式接口,,返回,,,,图7-6DAC0832单缓冲方式产生锯齿波电路STARTMOVDPTR,FEFFHMOVR0,00HLOOPMOVA,R0MOVXDPTR,AINCR0NOPAJMPLOOP执行上述程序后，在运算放大器的输出端就能得到如图7-7所示的锯齿波,,,,,图7-6,,返回,,,,图7-7D/A转换产生的锯齿波,,返回,,,,四、双缓冲及直通工作方式1．双缓冲工作方式DAC0832工作于双缓冲器工作方式时，数字量的输入锁存和D/A转换是分两步完成的。首先单片机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DAC0832的输入锁存器中，然后单片机对所有的D/A转换器发出控制信号，将各个D/A转换器输入锁存器中的数据送入DAC寄存器，实现同步转换输出。,,,,如图7-8所示为一个二路同步输出的D/A转换接口电路,,,,,图中，单片机的P2.5和P2.6分别选择两路D/A转换器的输入锁存器，P2.7连接到两路D/A转换器的端控制同步转换输出。这样连接，DAC0832（1）的输入锁存器地址为DFFFH；DAC0832（2）的输入锁存器地址为BFFFH；两个D/A转换器的DAC寄存器地址为同一个地址，为7FFFH。MOVDPTR,0DFFFHMOVA,datalMOVXDPTR,AMOVDPTR,0BFFFHMOVA,data2,,,,MOVXDPTR,AMOVDPTR,7FFFHMOVXDPTR,A2．直通工作方式DAC0832芯片的片选信号、写信号和及传送控制信号的引脚全部接地，允许输入锁存信号ILE引脚接5V时，DAC0832芯片就处于直通工作方式。在这种工作方式时，数字量一旦输入，就直接进入DAC寄存器，进行D/A转换,,,第三节开并量接口的扩展,一、开关量输入接口1．扳键开关与单片机的接口图7-9所示是扳键类开关应用的示例,,,,,2．拨盘开关与单片机的接口1拨盘开关拨动正面的拨盘，可设定一个十进制数.而输入计算机拨盘开关用于参数设定，非常直观、方便。在BCD码拨盘开关中，引脚A一般接高电平，8、4、2、1四个引脚原来是低电平；当设定某十进制数时，拨盘的转动将使引脚A与8、4、2、1四个引脚有一定的接通关系，与引脚A接通的将输出高电平，不与引脚A接通的仍输出低电平，从而转换成与该十进制数相当的BCD码8421码。例如，拨置数字5，则8、4、2、1脚输出数字编码为0101，其它类推。,,,,,2拨盘开关应用实例,,,,,通过拨盘开关将二位十进制数置入单片机，其十位数与个位数读入后将分别暂存于片内RAM的21H、20H单元。其应用参考程序如下BCDCLRP1.0MOVXA,R0ANLA,0FHMOV20H,AMOVXA,R0ANLA,0FOHSWAPAMOV21H,ARET,,,,二、开关量输出接口1．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中，一般采用通道隔离技术。在输出通道的隔离中，最常用的隔离元件是光电耦合器光电耦合器的具体参数可查阅有关的产品手册，其主要特性参数有以下几个方面1导通电流和截止电流2频率响应3输出端工作电流4输出端暗电流5输入输出压降6隔离电压,,,,2．继电器输出接口继电器方式的开关量输出，是目前最常用的一种输出方式，一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为测控系统输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡,,,,3．双向晶闸管输出接口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。传统的双向晶闸管隔离驱动电路的设计，是采用一般的光电隔离器和三极管驱动电路.现在已有与之配套的光电隔离器产品，这种器件称为光耦合双向晶闸管驱动器。与一般的光电隔离器不同，其输出部分是一个硅光敏双向晶闸管，有的还带有过零触发检测器，以保证在电压接近0V触发晶闸管,,,,,图7-14所示为MOC3041与双向晶闸管的接线图,,,,,4.固态继电器输出接口固态继电器SSR是近年发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用TTL、HTL、COMS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通道的控制元件；其输出利用晶体管或晶闸管驱动，无触点。图7-15所示为固态继电器的结构框图,,,,,固态继电器按其负载类型分类，可分为直流型和交流型两类1直流型固态继电器直流型固态继电器主要用于直流大功率控制场合2交流型固态继电器直流型固态继电器主要用于直流大功率控制场合。,,,第四节电压/频率转换器件,V/F转换器用于计算机接口有以下特点1接口简单、占用计算机硬件资源少2抗干扰性好。3便于远距离传输。一、V/F转换原理1积分复原型图7-19所示电路为积分复原型电路的结构及输出波形图,,,,电路包括积分器，电平检测器和积分复原开关。电平检测器是电压比较器，具有双限阈值电平，当积分电容充电到下限值电平时，电平检测器使积分复原开关导通，使电容迅速放电，积分器输出复原到上限阈值电压，复原开关重新截止，积分器再次积分。这种电路精度低，因此使用于精度要求不高的场合,,,,2电荷平衡式V/F转换器,由图中可以看出，输出频率与输入电压V02成正比，当RIN和COS精度较高时，输出频率较严格地与输入电压成比例。,,,,二、用V/F转换器实现A/D转换的方法,,,,,,三、LM331-V/F转换器LM331属于LMX31系列，该系列还包括LMl31/LM231，是通用型的V/F变换器。LM331系列引脚如图7-22所示。1性能特点频率范围1～100kHz最大线性度0.01％单电源或双电源供电输入电压范围-2.0V～Vs温度特性最大50ppm/℃低功耗Vs5V时为15mW廉价最大输出频率,,,,2LM331的外部接线,,,,,3LM331与8031单片机的接口被测量物理量转换为与其成比例的频率信号后，送入单片机需经过频率输入通道，而不同应用环境，频率输入通道的结构不尽相同，大致可分为以下几种①V/F转换器直接与MCS-51单片机相连，即把频率信号直接接入单片机的定时/计数器输入端，如图7-24a所示。②在一些电源干扰大、模拟电路部分容易对单片机产生电气干扰等比较恶劣的环境中，为减少干扰可采用光电隔离或隔离变压器的方法使V/F转换器与单片机无电路联系，如图7-24b所示；,,,,③当V/F转换器与单片机之间距离较远时，需要采用线路驱动以提高传输能力。一般可采用串行通信的驱动器和接收器来实现。如图7-24c所示。图中SN75174/75175是RS-422标准的四差分线路驱动/接收器。,,,,,下面作为一个例子，使用LM331和8031的内部定时器构成A/D转换电路，电路如图7-25所示。V/F转换器最大输出频率为10kHz，输入电压范围为0～10V。由于本电路V/F输出频率较低，如用其作为计数脉冲则会降低精度，因此采用测周期的方法。V/F输出的频率经D触发器二分频后接至，作为T0计数器的控制信号。T0计数器置定时器状态，取方式1，将TMOD.3GATE置1，这样就由和TR0来决定计数器是否工作。这种接法只能测量小于65536个机器周期的信号周期。,,,,程序包括初始化和计数两部分。初始化程序要对定时/计数器0进行状态设置，使其工作在定时方式1，并将GTAE0置1。记数程序首先需判断的电平，当其为低时，打开TR0位准备计数，当其变为高时启动计数，再为低时停止计数并清TR0，取出数据，将T0置0准备下一次计数。程序清单如下BEGINNOPMOVTMOD,09HMOVTL0,00HMOVTH0,00HLOOP1NOPJBP3.2,LOOPl,,,,SETBTR0LOOP2NOPJNBP3.2,LOOP2LOOP3NOPJBP3.2,LOOP3CLRTR0MOVB,TH0MOVA,TL0MOVTL0,00HMOVTH0,00HAJMPLOOP1,,