单片机原理及应用教案（5--7）

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1、单片机原理及应用单片机原理及应用 教案（教案（5-7）第第 5 章章 MCS-51 单片机的输入单片机的输入/输出通道接口输出通道接口 主要内容主要内容：输入/输出通道的组成与配置，A/D、D/A 转换器及其接口技术。通过本章 的学习，使读者了解输入/输出通道设计的基本原理和方法，掌握常用 A/D、D/A 芯片及其与 MCS-51 单片机的接口电路与程序设计。重点和难点在 于不同方式的 A/D、D/A 芯片与 MCS-51 的接口及其程序设计。 5.1 输入输入/输出通道概述输出通道概述 输入通道（前向通道）：输入通道（前向通道）：被测对象与单片机联系的信号通道。包括传感器或敏感元件、 通道结

2、构、信号调节、A/D 转换、电源的配置、抗干扰等。 输出通道（后向通道）：输出通道（后向通道）：单片机与被控对象联系的信号通道。包括功率驱动、干扰的 抑制、D/A 转换等。 5.1.1 传感器传感器传感器：传感器：传感器是测量系统中的一种前端部件，它将各种输入变量转换成可供测量的 信号。 传感器的分类：传感器的分类： （1）按传感器的用途可以将传感器分为：压敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感 器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感 器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器和生物传感器等。 （2）按传感器输出信号标准可将传感器分为： 模拟传感

3、器、数字传感器、开关传感 器等。 传感器的发展方向：传感器的发展方向： 传感器已经成为现代信息技术系统三大支柱之一，在工业、农业、航空航天、军事国 防等领域得到了日益广泛的应用。其发展方向主要有以下几个方面： （1）利用新的物理现象、化学反应、生物效应设计传感器。 （2）引入数据融合技术。 （3）使用新型材料，向微功耗、集成化及无源化发展。 （4）采用新的加工技术。 （5）向微型化发展。 （6）向高可靠性、宽温度范围发展等。 5.1.2 单片机应用系统的输入单片机应用系统的输入/输出通道输出通道 过程过程 I/O 通道：通道：单片机系统和被控对象之间信息的交互通道（输入通道、输出通道） 称为过

4、程 I/O 通道，过程 I/O 通道的一般结构如下图所示。1输入通道输入通道 特点：特点：（1）要靠近拾取对象采集信息；（2）传感器、变送器的性能和工作环境因素严重影响通道的方案设计；（3）一般是模拟、数字等混杂电路；（4）常需要放大电路；（5）抗干扰设计非常重要。 输入通道的结构类型：输入通道的结构类型： 输入通道结构形式取决于被测对象的环境、输出信号的类型、数量、大小等。其结构 如下页图所示。 2输出通道输出通道 特点特点: （1）小信号输出，大功率控制； （2）输出伺服驱动控制信号； （3）电磁和机械干扰较为严重。 通道结构：通道结构： 在输出通道中，单片机完成控制处理后的输出，总是以数

5、字信号或模拟信号的形式， 通过 I/O 口或者数据总线传送给被控对象。输出通道的结构如下页图所示。 3信号处理电路信号处理电路 输入通道中，信号处理的任务是可由硬件实现能够完成小信号放大，信号变换，滤波、 零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等任务。可由硬件实现，有些也 可由软件实现。 （1）开关量输入）开关量输入 被控对象的一些开关状态可以经开关量输入通道输入到单片机系统，这些开关信号根 据实际情况需要经过电平匹配、电气隔离或互感器后才能够通过单片机接口，接入到单片 机系统。 （2）小信号放大技术）小信号放大技术 输入通道中，对小信号需要经过测量放大器、可编程增益放大器及带有放

6、大器的小信 号双线发送器等电路进行放大调节。 （3）隔离放大技术）隔离放大技术 在某些要求输入和输出电路彼此隔离的情况下，必须使用隔离放大器。常用隔离放大 器有变压器耦合隔离放大器和光耦合隔离放大器两种。 5.2 D/A 转换器及接口技术转换器及接口技术 D/A 转换器（转换器（Digit to Analog Converter）：）：将数字量转换成模拟量的器件称为 D/A 转 换器，通常用 DAC 表示。D/A 转换接口器设计中主要考虑的问题：转换接口器设计中主要考虑的问题：D/A 转换芯片的选择、数字量的码输入、精 度、输出模拟量的类型与范围、转换时间、与 CPU 的接口方式等。 5.2.

7、1 D/A 转换器的性能指标转换器的性能指标 （1）分辨率：）分辨率：指 D/A 转换器能分辨的最小输出模拟增量，即相邻两个二进制码对应 的输出电压之差称为 D/A 转换器的分辨率。可用最低位（LSB）表示。如，n 位 D/A 转换 器的分辨率为 1/2n。 （2）精度：）精度：精度是指 D/A 转换器的实际输出与理论值之间的误差，它是以满量程 VFS 的百分数或最低有效位（LSB）的分数形式表示。 （3）线性误差：）线性误差：D/A 的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连 线）与理想的转换特性（始、终点连线）之间是有偏差的，这个偏差就是 D/A 的线性误差。 即两个相邻的数

8、字码所对应的模拟输出值（之差）与一个 LSB 所对应的模拟值之差。常以 LSB 的分数形式表示。 （4）转换时间）转换时间 TS（建立时间）：（建立时间）：从 D/A 转换器输入的数字量发生变化开始，到其输 出模拟量达到相应的稳定值所需要的时间称为转换时间。 （5）偏移量误差：）偏移量误差：偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。 5.2.2 D/A 转换器的分类转换器的分类 按输出形式分类：按输出形式分类：电压输出型和电流输出型。按是否含有锁存器分类：按是否含有锁存器分类：内部无锁存器和内部有锁存器。按能否作乘法运算分类：按能否作乘法运算分类：乘算型和非乘算型。按输入数字量方

9、式分类：按输入数字量方式分类：并行总线 D/A 转换器和串行总线 D/A 转换器。按转换时间分类：按转换时间分类：高速 D/A（TS100ns） 、高速 D/A（TS 为 100ns 10s） 、中速 D/A（TS 为 10s100s） 、低速 D/A（TS100s）等。 5.2.3 D/A 转换器的接口转换器的接口 1DAC0832 的特点与引脚的特点与引脚 （1）DAC0832 的特点的特点AC0832 是 NS 公司生产的 DAC0830 系列（DAC0830/32）产品中的一种， 8 位 CMOS 数模转换芯片，其特点如下： 8 位并行 D/A 转换； 片内二级数据锁存，提供数据输入双

10、缓冲、单缓冲、直通三种工作方式； 电流输出型芯片(需外接运放) ； DIP20 封装，CMOS 低功耗器件，单电源（+5 V+15 V，典型值+5 V）供电； 具有双缓冲控制输出； 参考电压为-10+10V 与 MCS-51 连接方便。 DAC0830 系列均为 DIP20 封装，且管脚完全兼容，DAC0832 的引脚如下图所示。引 脚功能如下：D0D7：8 位数字量输入端CS：片选端，低有效 ILE ：数据锁存允许1WR：写控制信号 12WR：写控制信号 2XFER：数据传送控制信号 Iout1：电流输出端 1 Iout2：电流输出端 2 RFB：内置反馈电阻端 VREF：参考电压源（-10

11、 V+10 V） DGND：数字量地 AGND：模拟量地 Vcc：+5 +15V 单电源供电端 2电压输出方法电压输出方法 DAC0832 需要电压输出时，可以简单地使用一个运算放大器连接成单极性输出形式。 如下图所示。输出电压 VOUT=82Din（-VREF）3单缓冲方式接口单缓冲方式接口单缓冲方式是指 DAC0832 内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于 受单片机控制的方式。如下页图所示。ILE 接+5V，片选信号及数据传输信号都与地址选 择线 P2.7 相连，地址为 7FFFH，两级寄存器的写信号都由 CPU 的端控制。数字量可以直 接从 MCS-51 的 P0 口送入

12、DAC0832。当地址选择线选择好 DAC0832 后，只要输出控制信 号，DAC0832 就能一次完成数字量的输入锁存和 D/A 转换输出。 执行下列几条指令就可以完成一次执行下列几条指令就可以完成一次 D/A 转换：转换： MOV DPTR, #7FFFH ；地址指向 DAC0832 MOV A, #data ； 待转换的数字量 DATA 送累加器 A MOVX DPTR, A ； 数字量送 P2.7 指向的地址，有效时完成一次 D/A 输入例题例题 利用上图所示电路，使用 DAC0832 作波形发生器产生三角波。 解：解：在上页图中，放大器 LM324 的输出端 VOUT 直接反馈到 R

13、FB，所以该电路只能产生 单极性的模拟电压。产生三角波的程序如下：产生三角波的程序如下： ORG 0100HSTART: MOV DPTR, #7FFFH ; 地址指向 DAC0832MOV A, #00H ; 三角波起始电压为 0UP: MOVX DPTR, A ; 数字量送 DAC0832 转换INC A ; 三角波上升边JNZ UP ; 未到最高点 0FFH，返回 UP 继续DOWN: DEC A ; 到三角波最高值，开始下降边MOVX DPTR, A ; 数字量送 DAC0832 转换JNZ DOWN ; 未到最低点 0，返回 DOWN 继续SJMP UP ; 返回上升边END数字量从

14、 0 开始逐次加 1，模拟量与之成正比，当（A）=0FFH 时，则逐次减 1，减 至（A）=0 后，再从 0 开始加 1，如此循环重复上述过程，输出就是一个三角波。 4双缓冲方式双缓冲方式 对于多路 D/A 转换，若要求同步进行 D/A 转换输出时，则必须采用双缓冲方式。 例题例题 假设某一分时控制系统，由一台单片机控制并行的两台设备，连接电路如下图所示， 两台设备的模拟控制信号分别由两片 DAC0832 输出，要求两片 DAC0832 同步输出。解：解：如上页图所示，利用 DAC0832 双缓冲的原理，对不同端口地址的访问具有不同的操 作功能，具体功能如下表所示。P2.7P2.6P2.5功

15、能口地址0111#数据由 DB第一级锁存7FFFH1100#数据由 DB第一级锁存0DFFFH1011#及 0#同时由第一级第二级0BFFFH 实现同步输出的操作步骤为：实现同步输出的操作步骤为： 将 1#待转换数据由数据总线 1#DAC0832 的第一级锁存（写 7FFFH 口） ； 将 0#待转换数据由数据总线 0#DAC0832 的第一级锁存（写 0DFFFH 口） ； 将 1#、0#DAC0832 的第一级锁存器中的数据各自的第二级锁存，同时开始 D/A 转换（写 0BFFFH） ，周而复始。 程序如下：程序如下：ORG 0100H START: MOV DPTR, #7FFFH; 数据指针指向 1#的第一级锁存器 MOV A, #DATA1; 取第一个待转换数据 DATA1 MOVX DPTR, A; 送入第一级缓冲器 MOV DPTR, #0DFFFH ; 数据指针指向 0#的第一级锁存器 MOV A, #DATA0; 取第二个待转换数据 DATA0 MOVX DPTR, A; 送入第一级缓冲器 MOV DPTR, #0BFFFH ; 数据指针指向两个转换器的第二级缓冲地址 MOVX DPTR, A ; 1#和 0#数据同时由第一级向第二级锁存传送，并开始转换RET END 5.3 A/D 转换器及接口技术转换器及接