傳感器與計(jì)算機(jī)接口參考PPT

1、機(jī)電系統(tǒng)及生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化,第一章 機(jī)電一體化概論 第二章 精密機(jī)械技術(shù) 第三章 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 第四章 基于單片機(jī)的控制器 第五章 可編程序控制器 第六章 傳感器與計(jì)算機(jī)接口 第七章 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)及其計(jì)算機(jī)控制 第八章 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與實(shí)例,控制器 (IPC/PLC/MCU等,輸入接口,輸出接口,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (電機(jī)、電磁閥等,被控對(duì)象 (各種機(jī)械參數(shù),傳感檢測(cè)裝置 (各類(lèi)傳感器等,反饋量,被控量,設(shè)定值,機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成,機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成,第六章 傳感器與計(jì)算機(jī)接口,概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)接口技術(shù),第六章 傳感器及其接口,概述 傳感檢測(cè)裝置在機(jī)電一體化

2、系統(tǒng)中的作用 傳感檢測(cè)裝置的組成 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)接口技術(shù),傳感檢測(cè)裝置在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用,傳感檢測(cè)裝置作為機(jī)電一體化系統(tǒng)的感覺(jué)器官，用來(lái)獲取兩方面信息： 系統(tǒng)內(nèi)部的信息：如力的大小，工件的位置、位移等。 系統(tǒng)外部即環(huán)境參數(shù)：如溫度、濕度等。 把信息作適當(dāng)處理（變換、放大、濾波），檢測(cè)出有用信息，送到顯示或處理裝置,傳感檢測(cè)裝置在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的作用,主 機(jī) (工控 機(jī)或 普通 計(jì)算 機(jī),輸入通道,被 控 對(duì) 象 (壓力 、速 度等 機(jī)械 參數(shù),傳感檢測(cè)裝置的組成,通常是各類(lèi)傳感器,非電量電測(cè)法：利用各種電子測(cè)量線路和儀器對(duì)非電物理量進(jìn)行測(cè)量的方法，相對(duì)于機(jī)

3、械測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法,第六章 傳感器及其接口,概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器的定義與分類(lèi) 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 智能傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)接口技術(shù),傳感器的定義,廣義：將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的，容易檢測(cè)、傳輸或處理的信號(hào)的裝置，稱之為傳感器，也叫變換器、換能器。 狹義：指工程中使用的各類(lèi)傳感器,傳感器的分類(lèi),傳感器的分類(lèi)方法有多種，主要有以下三種分類(lèi)： 按被測(cè)物理量： 位移、位置傳感器 力、力矩傳感器 速度、加速度傳感器 溫度、濕度、酸度傳感器 按工作原理： 電阻式、電容式、電感式 磁電式、光電式、壓電式、熱電式 諧振式 按輸出量： 模擬型 數(shù)字型,注意：在機(jī)械工程中使

4、用的傳感器有很多，一種傳感器可以測(cè)量多種物理量，一種物理量也可以由多種傳感器測(cè)量得到,第六章 傳感器及其接口,概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器的定義與分類(lèi) 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 智能傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)接口技術(shù),機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器,位置傳感器 位移傳感器 速度、加速度傳感器 力、壓力、力矩傳感器 溫度傳感器 視覺(jué)傳感器,位置傳感器,接觸式位置傳感器,位置傳感器,非接觸式位置傳感器,位置傳感器,電容式接近開(kāi)關(guān),電感式、霍爾式接近開(kāi)關(guān),位移傳感器,絕對(duì)式碼盤(pán)（格雷碼,增量式碼盤(pán)(ABZ,位移傳感器,位移傳感器,碼盤(pán)式位移傳感器,速度傳感器,非接觸式速度傳感器,速度傳感

5、器,非接觸式速度傳感器,接觸式速度傳感器測(cè)速電機(jī),加速度傳感器,加速度傳感器,普通加速度傳感器,集成半導(dǎo)體式加速度傳感器,力傳感器,柱式,梁式,輪輻式,應(yīng)變片式力傳感器,力傳感器,壓力傳感器,應(yīng)變片式,壓電式,壓阻式,力矩傳感器,溫度傳感器,熱電阻、熱敏電阻,熱電偶,視覺(jué)傳感器,視覺(jué)傳感器,圖6-29 視覺(jué)傳感器在藥品生產(chǎn)中的應(yīng)用,圖6-30 視覺(jué)傳感器在PCB生產(chǎn)中的應(yīng)用,視覺(jué)傳感器,第六章 傳感器及其接口,概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器的定義與分類(lèi) 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 智能傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)接口技術(shù),智能傳感器的概念與特點(diǎn),一般傳感器只具備信息采集、轉(zhuǎn)換功能，智能

6、化傳感器是一種帶微處理器的傳感器，是微型計(jì)算機(jī)和傳感器的結(jié)合，它兼有信息采集、轉(zhuǎn)換、檢測(cè)、判斷和處理功能，與傳統(tǒng)傳感器相比有很多特點(diǎn)： 有信息判斷和處理功能； 能對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正、誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度； 可實(shí)現(xiàn)多傳感器多參數(shù)測(cè)量； 有自診斷和自校準(zhǔn)功能，提高可靠性； 測(cè)量數(shù)據(jù)可存取，使用方便； 通信功能：有數(shù)據(jù)通信接口，能與微型計(jì)算機(jī)通信,智能傳感器的結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)傳感器相同的部分,與傳統(tǒng)傳感器不同的部分,第六章 傳感器及其接口,概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)的接口 傳感器的信號(hào)輸出形式 數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)接口及實(shí)例 模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口及實(shí)例,傳感器的信號(hào)輸出形式

7、,第六章 傳感器及其接口,概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)的接口 傳感器的信號(hào)輸出形式 數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)接口及實(shí)例 模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口及實(shí)例,數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,被測(cè)信號(hào),計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線,接口實(shí)例,M/T法測(cè)速,光敏二極管輸出,整形后輸出,接口實(shí)例,接口實(shí)例,M/T法測(cè)速原理：同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，從而得到被測(cè)轉(zhuǎn)速,其中： m1：檢測(cè)時(shí)間內(nèi)得到的測(cè)速脈沖數(shù) m2：檢測(cè)時(shí)間內(nèi)得到的時(shí)鐘脈沖數(shù) fc：時(shí)鐘頻率 p：編碼盤(pán)每轉(zhuǎn)送出的脈沖數(shù),接口實(shí)例,接口實(shí)例,8253：下降沿有效的十六位減法計(jì)數(shù)器，3個(gè)計(jì)數(shù)通道都工作方式0計(jì)數(shù)終止時(shí)中斷，其方

8、式字分別為0 x30、0 x70、0 xB0(方式0，先低后高讀寫(xiě)，十六進(jìn)制,LM339：過(guò)零比較器，將來(lái)自編碼器的正弦信號(hào)整形成0-5V的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)速脈沖,工作過(guò)程：8253通道0的方式字寫(xiě)完后，OUT0(=J)由高變低，等待測(cè)速脈沖的到來(lái)。測(cè)速脈沖的第一個(gè)上升沿使JK邊沿觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q置高，GATE0、1、2打開(kāi)，8253的3個(gè)計(jì)數(shù)通道開(kāi)始下降沿減法計(jì)數(shù)，其中，通道0用于設(shè)定檢測(cè)時(shí)間，在設(shè)定的檢測(cè)時(shí)間到達(dá)后，通道0計(jì)數(shù)結(jié)束，OUT0由低變高，由于此時(shí)GATE1、2仍打開(kāi)，計(jì)時(shí)脈沖和測(cè)速脈沖仍在計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)測(cè)速脈沖的上升沿使JK邊沿觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q變低，關(guān)閉GATE0、1、2，計(jì)數(shù)結(jié)束，同時(shí)產(chǎn)

9、生計(jì)數(shù)結(jié)束中斷給8031。8031在中斷服務(wù)程序中根據(jù)計(jì)數(shù)器的設(shè)定值和當(dāng)前值計(jì)算出m1和m2，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)速n,接口實(shí)例,第六章 傳感器及其接口,概述 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的常用傳感器 傳感器與計(jì)算機(jī)的接口 傳感器的信號(hào)輸出形式 數(shù)字型傳感器與計(jì)算機(jī)接口及實(shí)例 模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口及實(shí)例,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口的一般形式 多通道模擬信號(hào)輸入 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 信號(hào)的采樣與保持 量化與編碼 A/D轉(zhuǎn)換器,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,典型的多通道模擬信號(hào)輸入接口,此外還有單通道式、同步式和并行式等多種形式,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口

10、的一般形式 多通道模擬信號(hào)輸入 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 信號(hào)的采樣與保持 量化與編碼 A/D轉(zhuǎn)換器,多通道模擬信號(hào)輸入,以多通道模擬開(kāi)關(guān)（數(shù)據(jù)選擇器，MUX）AD7501為例：CMOS型8選1多路模擬開(kāi)關(guān)，每次從8個(gè)輸入端中選擇一路與公共端相聯(lián)，選擇的通道號(hào)由輸入的地址編碼確定，與TTL電平兼容,對(duì)多路模擬開(kāi)關(guān)的選擇要求是：導(dǎo)通電阻小、開(kāi)路電阻大、交叉干擾小、速度適應(yīng),多通道模擬信號(hào)輸入,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口的一般形式 多通道模擬信號(hào)輸入 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 信號(hào)的采樣與保持 量化與編碼 A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程,A/D轉(zhuǎn)換是將模

11、擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)程一般分為四個(gè)步驟：采樣、保持、量化和編碼,A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程,保持,信號(hào),采樣/保持,采樣后的信號(hào),量化,采樣,香農(nóng)采樣定理：對(duì)于一個(gè)有限頻率的連續(xù)信號(hào)，當(dāng)采樣頻率fs2f信MAX時(shí)，采樣函數(shù)才能不失真地恢復(fù)原來(lái)的連續(xù)信號(hào)。 采樣定理給出是采樣的最低頻率，為了保證精度，工程上通常fs(4-10)f信MAX,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口的一般形式 多通道模擬信號(hào)輸入 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 信號(hào)的采樣與保持 量化與編碼 A/D轉(zhuǎn)換器,信號(hào)的采樣與保持,采樣/保持電路的作用 因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，為了保證轉(zhuǎn)換精度，在A/D轉(zhuǎn)換

12、的過(guò)程中，要求信號(hào)的電壓保持不變，在A/D轉(zhuǎn)換完成后，又要能跟蹤信號(hào)電壓的變化。能完成這個(gè)功能的電路叫采樣/保持電路（或稱為采樣/保持器，簡(jiǎn)稱S/H，Sample/Hold,信號(hào)的采樣與保持,采樣/保持電路 采樣/保持電路由存儲(chǔ)電容CH、模擬開(kāi)關(guān)T(N溝道增強(qiáng)型MOS管)、輸入電阻RI (限流)、反饋電阻RF和運(yùn)算放大器A組成，有兩種工作模式： 采樣模式：控制信號(hào)S為高電平，T導(dǎo)通，輸入信號(hào)vI通過(guò)RI、T向電容CH充電，若RI=RF，充電結(jié)束后，vO=vC=-vI ； 保持模式：控制信號(hào)S為低電平，T截止，輸出電壓vO由電容CH兩端電壓保持,集成采樣/保持器：AD582、AD583(一般)、

13、HTS-0025(高速)、SHA1144(高分辨率)等,信號(hào)的采樣與保持,對(duì)采樣/保持電路的要求 在采樣階段，存儲(chǔ)電容要盡快充電，以快速跟蹤信號(hào)電壓； 在保持階段，存儲(chǔ)電容漏電流必須接近于零，以保持信號(hào)電壓（相當(dāng)于一個(gè)模擬信號(hào)存儲(chǔ)器,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口的一般形式 多通道模擬信號(hào)輸入 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 信號(hào)的采樣與保持 量化與編碼 A/D轉(zhuǎn)換器,量化與編碼,量化 輸入信號(hào)經(jīng)采樣/保持后，得到一個(gè)階梯波（模擬量）。 將階梯波離散化，把采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平。 量化就是將樣值電壓表示成量化單位電

14、壓的某一整數(shù)倍，因此，量化必然存在誤差（系統(tǒng)誤差）。 量化一般有兩種方法，只舍不入（類(lèi)似于取整運(yùn)算）和有舍有入（類(lèi)似于四舍五入），前一種量化誤差（1LSB）是后一種量化誤差（0.5LSB）的兩倍,量化與編碼,編碼 用二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示各個(gè)量化電平的過(guò)程稱為編碼。量化單位電壓就是兩個(gè)量化電平之間的差值，二進(jìn)制數(shù)碼位數(shù)越多，量化單位電壓就越小，量化誤差就越小，精度就越高。 在A/D轉(zhuǎn)換中，模擬電壓的輸入范圍一般有05V、010V、-5V5V等等，其中05V、010V的稱為單極性輸入，-5V5V稱為雙極性輸入。在輸入范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換前后的模擬電壓與數(shù)字碼之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼，一般有二進(jìn)制

15、碼和BCD碼兩種。BCD碼常用于直接數(shù)字顯示，二進(jìn)制碼用于與計(jì)算機(jī)接口，有8、10、12、16位等等，位數(shù)越多，精度越高。對(duì)于雙極性輸入，一般給出二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式或雙極性偏移碼的形式,量化與編碼,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口,模擬型傳感器與計(jì)算機(jī)接口的一般形式 多通道模擬信號(hào)輸入 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程 信號(hào)的采樣與保持 量化與編碼 A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器,直接轉(zhuǎn)換型,間接轉(zhuǎn)換型,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換原理 以8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器章解A/D轉(zhuǎn)換工作原理：（類(lèi)似于天平稱重,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換過(guò)程舉例：8位、單極性、輸入范圍010V、VX6.6（V,最后輸出：（10

16、101000）2（A8）16（168）10,近似值，有誤差,相對(duì)誤差,等價(jià)于,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D技術(shù)參數(shù),分辨率：指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。 分辨力 滿刻度值1LSB 分辨率一般用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示，例如8位（256），10位（1024），12位（4096），位數(shù)越多，分辨率越高,相對(duì)精度（誤差）：轉(zhuǎn)換值和實(shí)際值間的偏差，一般用最低有效位來(lái)表示。 例如，10 位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器AD571，在室溫（+25）和標(biāo)準(zhǔn)電源電壓（U+=+5V，U-=-5V）的條件下，轉(zhuǎn)換誤差 。 當(dāng)使用環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)換誤差也將發(fā)生變化，實(shí)際使用中應(yīng)加以注意,例如：8位、單

17、極性、輸入范圍05V的A/D轉(zhuǎn)換器 分辨力 51LSB19.5mv 分辨率為8位（256） 最大相對(duì)精度（誤差） 9.75mv,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D技術(shù)參數(shù),轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換頻率 轉(zhuǎn)換時(shí)間：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。(從AD啟動(dòng)到數(shù)字輸出穩(wěn)定) 轉(zhuǎn)換頻率：A/D轉(zhuǎn)換器在單位時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換的次數(shù)。與轉(zhuǎn)換時(shí)間互為倒數(shù)。 例如：轉(zhuǎn)換頻率10KHz，則轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型，不同類(lèi)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換速度在幾十微秒；并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時(shí)間,常見(jiàn)的A/D轉(zhuǎn)換器有：ADC0809（8位）、AD574（12位）、AD578（16位）等,接口實(shí)例,數(shù)據(jù)采集(ADC0809+8031,ADC0809介紹 ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝。片內(nèi)帶有8路模擬開(kāi)關(guān)和地址譯碼器，ADC0809輸出的數(shù)字信號(hào)有TTL三態(tài)緩沖器控制，可直接連至計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)總線。轉(zhuǎn)換時(shí)間100s,接口實(shí)例,接口實(shí)例,A/D轉(zhuǎn)換使用,接口實(shí)例,ADC0809與8031接口電路及程序（程序啟動(dòng)、軟件延時(shí)方式讀數(shù)據(jù)，8通道循環(huán)采集,數(shù)據(jù)采集程序： ma