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1、智能仪器通用硬件结构图,第5章 开关量信号的输入/输出,5.1 开关量信号 5.2 开关量信号的输入 5.3 开关量信号的输出,5.1 开关量信号,智能仪器在检测和控制外部装置状态时，常常需要采用许多开关量作输入/输出信号。这些信号只有开和关、通和断或者高电平和低电平两种状态，相当于二进制数的0 和 1。如果要控制某个执行器的工作状态，只须输出 0 和 1，即可接通发光二极管、继电器或无触点开关的通/断，以实现诸如阀门的开启与关闭、超限声光报警或电动机的启动与停止等。同时也可输入开关信号监测执行器的状态。,单片机与开关信号接口,对以单片机为核心的智能仪器而言，因其内部已具有并行I/0端口，可以
2、直接检测和接收外界的开关量信号。但外界的开关量信号的电平幅度必须与单片机I/0端口的信号电平相符，若不相符，必须对其进行电平转换后，再输入到单片机的I/0端口上。若要输出控制外部功率较大的开关设备，则在输出通道中应设计功率放大电路，以使单片机的输出信号能驱动这些设备。,单片机I/O端口信号,1 高电平0 低电平,1,0,单片机,P1.0,P1.7,5.2 开关量信号的输入,单片机处理开关量信号必须有信号输入接口。其电气接口形式比较多，常见的有TTL电平、CMOS电平、非标准电平、开关或继电器的触点等。,521 开关量信号输入通道结构,开关量信号输入通道通常由单片机、信号输入调理电气接口电路、信
3、号输入缓冲器和译码电路等几部分组成。典型的结构如图4-1所示。单片机是接收和处理开关量信号的重要器件，一般由数据总线缓冲器、输入/输出端口、地址译码器和读/写控制信号组成。可完成信号输入通道的选通、关闭和控制，对信号进行滤波、电平转换和隔离保护。,图例,5.2.2 开关量输入接口,1、扳键开关与单片机的接口 扳键开关可以将高电平或低电平经单片机的I/O引脚输入单片机，以实现各种人机操作或参数设置。图4-2是设计8个开关的接口电路图，各开关信号的输入通过74LS244作为输入缓冲通道送入单片机，单片机采用P0口数据总线读取外部开关信号。 当开关合上时，向P0口的相应引脚送入低电平；当开关打开时，
4、向P0口送入高电平。,图例,读取扳键开关状态程序如下：,KEYRD： CLR P1.7 ；选通读入外部开关信号 MOVX A，R ；产生RD信号，从P0口读取数据 RLC A ；用左移的方法移出第一个开关量 JC KP1 ；高电平表明未接通，转到第二个开关量 LJMP KBS1 ；低电平接通，转入第一个开关处理程序 KP1： RLC A JC KP2 LJMP KBS2 KP2： KP7： RLC A JC ESC LJMP KBS8 ESC： RET ；结束返回,5.2.3 光敏器件开关与单片机的接口,光敏器件是一种将光信号转换成电信号的器件，主要有光敏二极管、光敏晶体管和光敏电阻等，具有亮
5、阻低、暗阻高的特点。 在光的照射下，光敏器件吸收光子能量产生电流和电压。光敏器件广泛用于自动控制、广播电视等领域，也常用于亮、暗的检测，控制灯光开关。 例如在航标灯或路灯中，用光敏器件检测是白天还是黑夜来控制航标灯或路灯的自动开启或关闭；在某些计数系统中可以用它来产生计数脉冲；如图4-5所示为脉冲电表计数电路。,脉冲电表计数电路,5.2.4 温度超限检测开关接口,温度是与人类的生活、工作关系最密切的物理量。从工业炉温、环境温度到人体温度；从空间、海洋到家用电器，处处都存在对温度的测量和控制。 测量温度的器件种类很多，常用热敏电阻或集成温度传感器来测量温度，以确定是否高于或低于某一临界值，从而实
6、现温度电子开关的方法。如图4-6所示。,图例,原理：,LM35是集成温度传感器，可提供正比于温度的电流，这样在R2两端可以产生约3.2V电压，该电压随温度的升、降而改变。调节R4电位器到某一特定值时。就可以检测到温度高于或低于对应于R4的临界温度信号。信号经过LM339比较器比较，即可输出TTL电平开关信号。将这个信号输送到单片机的I/O口或外部中断引脚处理，即可实现温度超限控制。,5.3 开关量信号的输出,开关量输出是数字化驱动输出的一种方式，可通过控制外部对象处于“开”或“关”状态的时间来达到运行控制的目的。 开关量输出通道主要由锁存器、输出驱动器和地址译码器等电路组成。如图4-7所示。
7、当对外部设备进行控制时，控制状态一般需要保持到下一个新状态值给出为止。可以采用集成电路器件作开关量信号的锁存器。由于被控设备需要一定的电压和电流，锁存器的驱动能力有限，不能直接驱动被控设备。因此，在锁存器后级必须配接有足够驱动能力的输出驱动电路。,图例,5.3.1 输出驱动接口的隔离,在单片机应用系统中，常常会遇到外界强电磁的干扰和工频电压信号的串扰，导致系统工作不稳定。为了消除干扰，使系统工作稳定可靠，一般需要采用通道隔离技术，把单片机系统与干扰源隔开。输出通道的这种隔离常用光电耦合器件来实现，电路如图4-8所示。,图例,光电耦合器,光电耦合器是以光为媒介传输信号的器件，内部集成了一个发光二
8、极管和一个光敏三极管。发光二极管作输入电路；输出电路采用光敏三极管，有的采用达林顿晶体管、TTL逻辑电路或光敏晶闸管。输入与输出电路之间相互绝缘，形成光电发射和接收电路。当在发光二极管输入端加上电压信号时，发光二极管就会发光，光信号照射到输出端的光敏三极管上产生光电流，使三极管导通并输出电信号。每个光电耦合器只能完成一路开关量的隔离。,5.3.2 小功率直流负载驱动接电路,小功率直流负载主要有发光二极管、LED数码显示器、小功率继电器和晶闸管等器件，要求提供540mA的驱动电流。通常采用小功率三极管（如9012、9013）、集成电路作驱动电路。图4-9所示为常见的小功率直流驱动接口电路，图中9
9、013三极管作开关用，驱动电流在100mA以下，适用于驱动要求负载电流不大的场合。图4-10中75451作驱动器，当单片机的Pl.0、P1.1输出低电平时，LED指示灯被点亮。,图例,图例,5.3.3 中功率直流负载驱动接口电路,这类电路常用于驱动功率较大的继电器和电磁开关等控制对象，要求能提供50500mA的电流驱动能力，可以采用达林顿管、中功率三极管来驱动。 对于达林顿管，其特点是高输入阻抗、极高的增益和大功率输出，只需要较小的输入电流就能获得较大的输出功率。 如图412所示,图例,5.3.4 固态继电器输出接口电路,固态继电器（SSR）是一种采用固体元件组装而成的新型电子继电器，其输入端
10、输入控制电流较小，只要用TTL、HTL或CMOS集成器件或晶体三极管就可以直接驱动，比较适合应用在微机测控系统中作为输出通道的控制元件。 固态继电器（SSR）内含晶体管或晶闸管输出驱动，具有直流和交流固态继电器之分。固态继电器与普通电磁式继电器相比，具有无机械触点噪声，不会产生抖动和回跳，开关速度快，体积小，质量轻，寿命长，工作可靠等优点，特别适用于控制大功率设备的场合。,图例,直流型固态继电器主要用于直流大功率控制场合。其输入端为光电耦合电路，可以采用逻辑门电路或三极管直接驱动，驱动电流一般为330mA，输人电压为530V。其输出控制为晶体管型，输出控制电压为30180V。当控制感性负载时，
11、要加保护二极管，以防止DC-SSR因突然截止产生的高电压而损坏继电器。,直流型固态继电器（DC-SSR）,交流型固态继电器（AC-SSR）,主要用于交流大功率控制场合，分过零型和非过零型。对于过零型AC-SSR，对交流负载的通/断控制与负载电源电压的相位有关，当输入控制信号有效后，必须在负载电源电压过零时才能接通输出端的负载电源；当输入端控制信号撤销后，必须等到交流负载电流的过零时刻才能关断输出端的负载电源。过零型AC-SSR可以抑制射频干扰。 对于非过零型AC-SSR，对交流负载的通/断控制与负载电源电压的相位无关，在输入信号有效时，负载端电源就立即接通。,单片机与SSR接口电路,单片机,220V,P1.2,+,5V,电加热器,SSR,
