单片机信号输入输出

《单片机信号输入输出》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机信号输入输出（35页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第七章 信号的输入输出技术 7.1 单片机应用系统的结构 7.2 模拟信号的输入传感器技术 7.3 模拟信号的输入-A/D转换 7.4 模拟信号的输出-D/A转换 7.5 开关量的输入输出 7.6 信号输入输出实验 7.1 单片机应用系统的结构图7.1单片机应用系统的基本结构单片机应用系统的核心任务：根据一定的输入（前向通道），结合一定的处理 算法，然后作出一定的输出响应（后向通道）。 输入：包括模拟输入和数字输入，电量信号输入和非电 量信号输入。对于非电量输入需要通过传感器将非 电物理量转换为模拟电信号。预处理：一般包括放大器和滤波器两部分：信号经过放大器的放大变为具有一定幅值的模 拟输入信

2、号；滤波器（低通或带通）的作用则是滤除输入模 拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生 频谱混叠失真。A/D转换：将模拟信号转换为数字信号。MCS-51单片机是整个系统的控制和处理核心，它 是一个数字处理芯片，要求所有的输入和输出都是 具有TTL电平的数字信号。这样模拟信号要想输入到 单片机中必须先将其转换成数字信号。A/D转换器的任务就是在满足奈奎斯特采样定理的 条件下，将模拟信号转换为数字信号。对于开关量，可以很容易的映射成数字的0或者1 ，即TTL的低电平和高电平，映射后的这些数字信号 就可以直接输入到单片机内部。输出：处理的结果需要输出，对于开关量的输出，可以 简单地经过映射部件，

3、将单片机的TTL电平输出信号 转换成所需要的开关量进行输出。D/A转换：有些输出需要以模拟信号的形式存在（如语音信 号），单片机输出的TTL电平数字信号必须经过D/A 转换。由于转换后模拟信号中往往含有许多高频成分， 因此也需要通过滤波器滤除这些高频信号，以获得 平滑的模拟输出信号。有时候，输出的模拟信号还 有电压、电流、功率等要求，D/A转换后的模拟信号 需要经过一定的模拟电路来满足这些要求。7.2 模拟信号的输入传感器技术 传感器：将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量 输出的器件或装置，也叫变换器、换能器或探测器。通常 ，传感器由敏感元件和转换电路组成，如图： 图7.2 传感器结

4、构示意图敏感元件：传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件：传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换 成适合于传输或测量的电信号。信号调理和转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，因此需要有 信号调理和转换电路，进行放大、运算调制等。辅助电路：主要是指电源。7.2.1传感器的分类、按传感器的物理量：可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份 等传感器； 、按传感器工作原理：可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、 光栅、热电偶等传感器。 、按传感器输出信号的性质：可分为：输出为开关量（“”和“”或“开 ”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感 器；输出为脉冲或代码的数字型传感器

5、。7.2.2传感器特性选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、 稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还 应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易 于维修、易于更换等条件。 1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高 ，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有 一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏 度时，要考虑以下几个问题：p 当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无 关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输 出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器 检测到有用的微小信号;又能使噪声干扰

6、小，要求传 感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本 身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。 p 与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的 线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰 噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内 工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测 量范围。 p 当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时 ，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好；如果被测量 是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉 灵敏度愈小愈好。2、响应特性 传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们 总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应 等传感器)响应时间短，工

7、作频率宽;结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器， 由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制 ，其固有频率低，工作频率范围窄。3、线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范 围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表 明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域 内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传 感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定 测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性 范围时，将产生非线性误差。对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是 不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以 取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感 式传感器，其工作区

8、均选在初始间隙附近。而且必 须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限 度以内。4、稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出 特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素 是时间与环境。为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意 两个问题：一、根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻 应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性， 湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又 如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响 或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传 感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质 。二、要创造或保持一个良好的环境，在要求传感 器长期地工作而不需经常地更换

9、或校准的情况下， 应对传感器的稳定性有严格的要求。5、精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应 程度。如前所述，传感器处于测试系统的输入端，因此， 传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接 的影响。在实际中并非要求传感器的精确度愈高愈好，需要考 虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的 精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传 感器。在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还 是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相 对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要 求测试的绝对量值准确。如果是定量分析，那么必须获得 精确量值。但在某

10、些情况下，要求传感器的精确度愈高愈 好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定 位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往 要求它们的测量精确度在0.10.01m范围内，欲测得这样 的精确量值，必须有高精确度的传感器。6、测量方式 传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时 应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与 非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测 量方式的要求亦不同。接触与非接触测量：在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的 误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量方式。因为 对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测 量头的磨损、接

11、触状态的变动、信号的采集等问题，都 不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电 容式、涡流式、光电式等非接触式传感器，若选用电阻 应变片，则需配以遥测应变仪。破坏与非破坏性测量在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进 行破坏性检验。然而有时无法用试件模拟，因被测对象本 身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法。例如 ，涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等 。非破坏性检验可以直接获得经济效益. 在线与非在线测量在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对 自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠 ，必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是 比较

12、困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。 例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光 切法、千涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光 、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是 当前测试技术发展的一个方面。7.2.3 常用传感器简介1、红外光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号 的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下， 有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测 电路。 发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于 半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外 发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽 度。 接收器有光电二极管、光电三极管

13、、光电池组成。 在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。 检测电路能滤出有效信号和应用该信号。常用的光电传感器分以下几种：槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个 槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可 见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检 测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作 。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流， 从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为 受整体结构的限制一般只有几厘米。对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离 加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关 就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关 。

14、它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发 光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检 测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关 控制信号。反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前 方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用 的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。 正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被 收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不 到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号 。扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器， 但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收 光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把 光部分

15、反射回来，收光器就收到光信号，输出一个 开关信号。本图是利用光电传感器测量电机转速的一个应用。 光线每照射到接收器件一次，接收器件就产生一个脉 冲，经放大整形后，可以通过频率计计算出每分钟产 生的脉冲数，即电机转速。2、压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器 ，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应 制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 极化效应：在受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效 应。根据这个效应研制出了压力传感器。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传 感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷 ，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。 实际

16、的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只 能够测量动态的应力。压电材料压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石 酸钾钠和磷酸二氢胺。石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在 这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质 一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消 失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力 的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以 石英逐渐被其他的压电晶体所替代。酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但 是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高 的湿度，所以已经得到了广泛的应用。现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电 陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、 铌镁酸铅压电陶瓷等等。主要应用压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中 。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有 结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点 。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建 筑