《機(jī)電一體化》第3章

第三章接口技術(shù)一、概述二、人機(jī)接口三、機(jī)電接口人機(jī)對(duì)話輸出設(shè)備人機(jī)對(duì)話輸入設(shè)備人機(jī)接口人機(jī)接口控制微機(jī)控制輸出接口信息采集接口傳感器執(zhí)行元件機(jī)械分系統(tǒng)機(jī)電一體化產(chǎn)品基本組成及接口一、概述二、人機(jī)接口設(shè)計(jì)人機(jī)接口是指操作者（人）和計(jì)算機(jī)間的接口。包括人機(jī)輸入接口和人機(jī)輸出接口。人機(jī)輸入接口：輸入設(shè)備和計(jì)算機(jī)間的接口。其作用是通過輸入設(shè)備向計(jì)算機(jī)輸入限制參數(shù)或叮囑參數(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的限制。常用輸入設(shè)備：開關(guān)、撥碼盤、鍵盤等。（一）人機(jī)接口類型及特點(diǎn)人機(jī)輸出接口：輸出設(shè)備和計(jì)算機(jī)間的接口。作用：通過輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果顯示出來。常用輸出設(shè)備：顯示器（LED、LCD、CRT）、打印機(jī)、喇叭等。1、專用性：人機(jī)接口的設(shè)計(jì)方案依據(jù)產(chǎn)品的要求而定。2、低速性：與微機(jī)的工作速度相比，人機(jī)接口設(shè)備的工作速度很低。3、高性能價(jià)格比：滿足功能的前提下，輸入輸出設(shè)備配置以小型、微型、廉價(jià)型為原則。人機(jī)接口的特點(diǎn)（二）輸入接口設(shè)計(jì)1、開關(guān)（獨(dú)立式鍵盤）接口設(shè)計(jì)開關(guān)：只有2種狀態(tài)0和1。按鈕開關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān)開關(guān)或鍵抖動(dòng)：開關(guān)從斷開到閉合及從閉合到斷開時(shí)，其電平不是瞬時(shí)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，而是有一段大約1~10ms左右的抖動(dòng)時(shí)間，這種抖動(dòng)會(huì)使CPU讀數(shù)發(fā)生錯(cuò)誤，為了防止讀數(shù)錯(cuò)誤的發(fā)生，在進(jìn)行開關(guān)、鍵盤等的設(shè)計(jì)時(shí)必需消退抖動(dòng)。消退抖動(dòng)方法：軟件方法和硬件方法。軟件方法：編寫一個(gè)大約10ms左右的延時(shí)程序。實(shí)際中常用。硬件方法：硬件電路。開關(guān)數(shù)量少時(shí)用。2、撥盤接口設(shè)計(jì)撥盤：輸入的參數(shù)較少時(shí)接受。（1）撥盤內(nèi)部有一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，具有“0-9”十個(gè)位置。撥盤后面有五根引出線，分別定義為A，1，2，4，8。撥盤在不同位置通斷關(guān)系如表3-1（1）靜態(tài)接口方法BCD碼盤干脆與限制微機(jī)的并行口或擴(kuò)展并行口相連，以BCD碼形式輸入信息。（2）動(dòng)態(tài)接口方法10111110001111111111111113、鍵盤接口設(shè)計(jì)鍵盤：輸入的參數(shù)較多時(shí)接受?？煞譃楠?dú)立式鍵盤和矩陣式（行列式）鍵盤兩種。(1)、鍵盤的種類編碼鍵盤和非編碼鍵盤編碼鍵盤往往本身就是一個(gè)小的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，本身完成鍵盤掃描，鍵值識(shí)別等操作。對(duì)其上級(jí)應(yīng)用者來講，干脆得到鍵值。非編碼鍵盤僅僅是多個(gè)按鍵的組合，鍵盤掃描、鍵值識(shí)別等操作都依靠其運(yùn)用者的相應(yīng)接口電路和軟件程序來完成。矩陣式鍵盤：按鍵支配在一系列行線和列線的交叉點(diǎn)上。全部行線接在一個(gè)I/O接口上，全部列線接在一個(gè)I/O接口上。鍵盤掃描、鍵值識(shí)別的操作比較困難，但節(jié)約I/O口線。

P1.7P1.6P1.5P1.48031P1.3P1.2P1.1P1.0+5V789A456B123C0FED&INT0矩陣式鍵盤接口電路鍵名和鍵值的確定鍵名：即鍵的名字，隨意取名，一般應(yīng)反映鍵的實(shí)際用途，是人為定義的，與電路無關(guān)。鍵值：是鍵的特征位置值，反映的是鍵處于什么位置，不是人為定義的，與具體的鍵盤接口電路有關(guān)。但確定鍵值的方法有多種，不管選用何種方法，只要使各個(gè)鍵的鍵值互不相同即可。矩陣鍵盤掃描原理：1、首先確定有無鍵閉合。從行線（掃描線）送出低電平0，然后讀取列線狀態(tài)，若列線狀態(tài)全部為1，則無鍵閉合，返回接著掃描；若有一列為0，說明該列有鍵閉合。2、去抖動(dòng)延時(shí)10ms去除鍵抖動(dòng)，再重新推斷一次以確定是否是真的有鍵按下。3、推斷哪個(gè)鍵閉合從第1行起先依次送出低電平，其余行線送出高電平，此時(shí)讀取列線的狀態(tài)。其方法是對(duì)鍵盤列線進(jìn)行掃描，依次從P1.4~P1.7送出低電平，并從其余行線送出高電平，相應(yīng)地讀取P1.0~P1.3的狀態(tài)，若P1.0~P1.3全為“1”，則列線輸出為“0”的這一行上無鍵閉合，若不全為“1”，則說明該行有鍵閉合，閉合的鍵位于行線為“0”和列線為“0”的交叉點(diǎn)上。逐行掃描始終到全部行都掃描完畢，即可確定所按按鍵所在的行號(hào)和列號(hào)。依據(jù)事先設(shè)計(jì)好的方法即可由行號(hào)和列號(hào)組合出其“關(guān)鍵字”，假如須要再查表確定其“鍵值”。鍵值求法：1、行線權(quán)值和列線權(quán)值干脆組合。行線高位，列線低位。

2、公式法：鍵值=行號(hào)×n+列號(hào)n——鍵盤列數(shù)。3、首號(hào)+行號(hào)000001111110A鍵值：7EH1111

P1.7P1.6P1.5P1.48051P1.3P1.2P1.1P1.0+5V789A456B123C0FED&INT0留意：（1）行列號(hào)按地址線由低到高的依次來排列。P1.4~P1.7依次為0~3行。P1.0~P1.3依次為0~3列。（2）鍵盤的行線（或列線）要接4.7K~10K的上拉電阻。（3）要去除鍵的抖動(dòng)。常用軟件延時(shí)10ms后，再讀取鍵盤狀態(tài)來推斷鍵的閉合是由抖動(dòng)引起的還是人為按鍵。（4）鍵盤既可工作于掃描方式，也可工作于中斷方式。鍵盤的識(shí)別流程測(cè)試有沒有鍵按下。從行/(列)線上輸出全掃描碼，看列/(行)回復(fù)值是否為全“1”，不是則有鍵。去抖動(dòng)。硬件延遲整形去抖或軟件延時(shí)去抖。按鍵是的機(jī)械抖動(dòng)約10ms。有鍵按下？鍵釋放？NY開始確定鍵所在的行列號(hào)去抖動(dòng)（延時(shí)）確定鍵值YY響應(yīng)各鍵功能NN有鍵按下？確定所按按鍵所在的行號(hào)和列號(hào)。逐行/(列)掃描法、線反轉(zhuǎn)法。確定所按按鍵的關(guān)鍵字和（或）鍵值。由按鍵所在的行列號(hào)為其確定一個(gè)預(yù)先支配好的唯一的數(shù)值。等待鍵釋放。必需等待按鍵釋放以后才能退出按鍵子程序并做進(jìn)一步處理。以處理多個(gè)按鍵同時(shí)按下等誤操作狀況和避開一次按鍵多次響應(yīng)。有鍵按下？鍵釋放？NY開始確定鍵所在的行列號(hào)去抖動(dòng)（延時(shí)）確定鍵值YY響應(yīng)各鍵功能NN有鍵按下？（三）輸出接口設(shè)計(jì)人機(jī)對(duì)話輸出設(shè)備LED（

LightEmittingDiode）LCD（

LiquidCrystalDisplay）CRT（

CathodeRayTube）打印機(jī)揚(yáng)聲器CPU

人機(jī)對(duì)話輸出設(shè)備是操作者對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的窗口，可以用它來顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)、運(yùn)行結(jié)果及故障報(bào)警等。1、發(fā)光二極管在機(jī)電產(chǎn)品中常用作狀態(tài)指示燈。發(fā)光條件：電流：2~20mA

電壓：1.2~2.5V留意：1、通常要加限流電阻以延長(zhǎng)壽命。2、用TTL電平即可與它接口。3、若負(fù)載較大，可考慮用非門（74LS06）、三極管、總線驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)以提高驅(qū)動(dòng)電流。2、LED數(shù)碼管簡(jiǎn)介L(zhǎng)ED是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱。LED數(shù)碼管一般由八只發(fā)光二極管組成，七只顯示字段、一只顯示小數(shù)點(diǎn)，有時(shí)也稱為七段式數(shù)碼顯示器。LED數(shù)碼管分為共陰和共陽兩類，如圖所示。

共陰型：八只LED的負(fù)極連在一起，稱為公共端；各自的正極分別有一條出線，稱為a~dp。對(duì)應(yīng)出線上為高電平“1”，LED亮。共陽型與之相反。LED數(shù)碼管的每個(gè)LED點(diǎn)亮是的電流一般為8~10mA左右，壓降為0.7~1.2V左右。不同廠家的LED數(shù)碼管的管腳定義和電流以及壓降各不相同，可查閱手冊(cè)?！帮@示字符”、“段選碼”和“字符序號(hào)”

“顯示字符”：七段LED數(shù)碼管上有的段亮，有的段不亮，由亮的那些段所組成的圖形，稱為“顯示字符”，即我們所看到的顯示值。

“段選碼”：為了得到某個(gè)“顯示字符”，就必須讓七段數(shù)碼管有的亮，有的不亮，即為其a~dp各引腳提供相應(yīng)的電平，將a上的電平狀態(tài)做為最低位，dp上的電平狀態(tài)做為最高位，就得到一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，稱為相應(yīng)于該“顯示字符”的“段選碼”。字符共陽極編碼共陰極編碼字符共陽極編碼共陰極編碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H7BH7F8H07H滅FFH00H880H7FH—BFH40H共陰型和共陽型數(shù)碼管的段選碼正好相反。如下表所示。譯碼：由“顯示字符”到“段選碼”的過程稱為譯碼。(h,J,L,n)

“字符序號(hào)”：在編寫顯示子程序時(shí)，一般是將段選碼表作為常數(shù)表存入程序存儲(chǔ)器中，而在存儲(chǔ)待顯示字符的顯示緩沖區(qū)中只存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)字符的段選碼在段選碼常數(shù)表中的序號(hào)（0~）。即顯示字符對(duì)應(yīng)的段選碼在段選碼常數(shù)表中的存儲(chǔ)位置相對(duì)于表首的偏移量。3、LED顯示接口方法

靜態(tài)顯示：即每一位LED數(shù)碼管上的顯示都是穩(wěn)定地持續(xù)顯示，顯示內(nèi)容無閃動(dòng)。見P118~P119圖5-17、5-18。特點(diǎn)：要求為每一位LED數(shù)碼管提供一個(gè)單獨(dú)的顯示接口產(chǎn)生并保存其段選碼。所有位LED數(shù)碼管在任意時(shí)刻都是同時(shí)亮，各自顯示自己的內(nèi)容。軟件編程相對(duì)簡(jiǎn)單，不需占用CPU的掃描機(jī)時(shí)，但硬件開銷大。8051P3.0/RXDP3.1/TXD

QH……QAA74LS164BCLKPARALLELPORTQH……QAA74LS164BCLKPARALLELPORT由串入并出移位寄存器構(gòu)成LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示接口由串行口（或由兩位I/O口線）外加“串入并出”移位寄存器”164或4094等組成。一片移位寄存器對(duì)應(yīng)一位顯示。74××164當(dāng)須要遠(yuǎn)程顯示時(shí)，通過串入并出會(huì)削減數(shù)據(jù)線數(shù)量，提高傳輸牢靠性。由MC14495構(gòu)成LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示接口

MC14495為七段LED譯碼驅(qū)動(dòng)電路，由4位鎖存器、譯碼器和帶限流電阻的驅(qū)動(dòng)電路組成。輸入為4位二進(jìn)制碼（或BCD碼），輸出可直接接一個(gè)LED數(shù)碼管?？捎梢粋€(gè)4位并行輸出口，擴(kuò)展出多位LED數(shù)碼管顯示器，一片MC14495對(duì)應(yīng)一位顯示。

動(dòng)態(tài)顯示：即所有位LED數(shù)碼管共用一個(gè)段選碼接口，并分別配置自己的位選線，各位LED數(shù)碼管在位選接口的控制下輪流使用段選碼接口并顯示自己的字符，在任一時(shí)刻都是只有一位LED數(shù)碼管在亮，但由于人眼的視覺暫留效應(yīng)，看上去好象所有LED數(shù)碼管在同時(shí)顯示。特點(diǎn)：節(jié)省硬件開銷，但占用CPU動(dòng)態(tài)掃描機(jī)時(shí)，軟件編程稍復(fù)雜。但可配置外部的掃描控制電路芯片，解放CPU。位控線數(shù)目=顯示器位數(shù)共陰極PA0PA5A0A1CS8255PB0PB7PB1P2.5P2.6P2.7+5V…………100×8754527407并行接口六位動(dòng)態(tài)顯示接口電路abdp人機(jī)對(duì)話輸出設(shè)備人機(jī)對(duì)話輸入設(shè)備I/O口I/O口微機(jī)控制輸出接口信息采集接口傳感器執(zhí)行元件機(jī)械分系統(tǒng)機(jī)電一體化產(chǎn)品基本組成及接口信息采集接口三、機(jī)電接口設(shè)計(jì)控制輸出接口機(jī)電接口是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中機(jī)械裝置與限制微機(jī)之間的接口。按信息傳遞的方向可分為信息采集接口和限制輸出接口。1、A/D轉(zhuǎn)換接口及主要技術(shù)指標(biāo)

信息采集接口中模擬模擬放大電路與CPU的接口。由A/D芯片完成。常用的有雙積分式和逐次比較式兩種。雙積分式的轉(zhuǎn)換速度慢，精度高；逐次比較式的轉(zhuǎn)換速度快。主要技術(shù)性能（1）、辨別率：即A/D轉(zhuǎn)換器能夠供應(yīng)的數(shù)字量的多少。一般用輸出數(shù)字量的位數(shù)多少來表示。二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器由二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器由BCD碼的位數(shù)來表示。例如：MC14433為3位半的BCD碼輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809為8位二進(jìn)制輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。（2）精度：例如滿量程10v，8位的AD轉(zhuǎn)換器確定精度：1/2*1/28*10=+-19.5mv相對(duì)精度：1/28*100%=0.39%辨別率：1/28精度高辨別率高，辨別率高精度不確定高。例如尺子辨別率最小刻度是1mm，精度可能小于1mm（3）、轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所須要的時(shí)間。（采樣定理）（4）、量程：可以輸入的模擬電壓的大小范圍。0~5V、0~10V等。（5）、極性：?jiǎn)螛O性或雙極性。0~10V、-5V~+5V。在設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換接口時(shí)，一般將辨別率和轉(zhuǎn)換時(shí)間作為最重要的參數(shù)。典型A/D轉(zhuǎn)換芯片的應(yīng)用:研華公司://advantech/系統(tǒng)中模擬量測(cè)試信號(hào)有壓力、溫度和振動(dòng)總共有16路，故選用ADVANTECHCORPORATION的32通道單端隔離A/D卡PCL-813，端子板pcl-818◆32路單端12位模擬輸入通道◆12位連續(xù)近似A/D轉(zhuǎn)換器◆采樣保持◆模擬輸入范圍雙極性：±5V，±2.5V，±1.25V，±0.625V單極性：0—10V,0—5V,0—2.5V,0—1.25V◆軟件可編程增益限制◆觸發(fā)模式為軟件觸發(fā)2、D/A轉(zhuǎn)換接口在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，很多被控對(duì)象要求用模擬量做限制信號(hào)，如溝通電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速器等，而計(jì)算機(jī)只能輸出數(shù)字量，這就要求將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量通過D/A轉(zhuǎn)換接口（D/A轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成模擬量。常用的D/A器件有DAC0832（8位）、DAC1210（12位）、AD7520（10位）等。DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有數(shù)據(jù)鎖存器，輸出量為電流，在實(shí)際中須要外接運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換成模擬電壓，具有單緩沖、雙緩沖、直通三種工作方式，依據(jù)輸出電壓的范圍可分為單極性（只輸出正電壓或負(fù)電壓）和雙極性（輸出電壓從正到負(fù)）。DAC0832D0~D7：數(shù)據(jù)線。CS：片選線。WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通信號(hào)線。WR2：寄存器寫選通信號(hào)線。XFRE：DAC寄存器輸入控制信號(hào)線。Iout1、Iout2：差動(dòng)電流輸出端。Iout1+Iout2=常數(shù)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為“0FFH”時(shí)最大。Vref：參考電壓輸入端。運(yùn)用時(shí)接電源電壓或基準(zhǔn)電源。Rfb：反饋信號(hào)輸入線。用于外接D/A的輸出增益調(diào)整電位器。8位DAC寄存器8位數(shù)據(jù)鎖存器&ILE&CSWR18位D/A轉(zhuǎn)換器WR2XFER&VrefIout2Iout1RfbD0D7片選條件：（1）ILE=1、CS=0、WR1=0

（2）WR2=XFER=0。單緩沖方式：先將數(shù)據(jù)送入鎖存器（只要使片選條件1有效即可），然后再送入寄存器（只要使片選條件2有效即可）。適用場(chǎng)合：系統(tǒng)中只有一路模擬量輸出或有多路模擬量輸出但不要求同步輸出的狀況。雙緩沖方式：同時(shí)使兩個(gè)片選條件有效，數(shù)據(jù)干脆送入寄存器。適用場(chǎng)合：系統(tǒng)中有多路模擬量輸出且要求同步輸出的狀況。直通方式：通過硬件電路來滿足兩個(gè)片選條件，使一上電就起先轉(zhuǎn)換。實(shí)際中一般不用。3、功率接口在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，被控對(duì)象所須要的驅(qū)動(dòng)功率一般比較大，而計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字限制信號(hào)或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的模擬限制信號(hào)的功率都很小，因而必需經(jīng)過功率放大后才能夠驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。實(shí)現(xiàn)功率放大的接口電路稱為功率接口電路。假如被控對(duì)象是電感性負(fù)載，會(huì)引起電磁干擾，它會(huì)竄入限制系統(tǒng)影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常工作，為了避開這種狀況發(fā)生，通常在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與負(fù)載間接受光電耦合器來隔離。常用電力電子器件1.單向晶閘管（SCR）：<導(dǎo)通條件>：是指晶閘管從阻斷到導(dǎo)通所需的條件。在晶閘管的陽極加上正向電壓，同時(shí)在限制極加上正向電壓。<截止條件>：是指晶閘管懂導(dǎo)通到阻斷所需的條件，晶閘管一旦導(dǎo)通，限制極就不起限制作用了。使流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的電流即維持電流時(shí)，晶閘管關(guān)斷。<限制角>：從零電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間的這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電度角。<導(dǎo)通角>：從被觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間起先到電壓為零這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電度角。對(duì)純阻性負(fù)載有：限制角+導(dǎo)通角=180度（1）功率晶體管的特點(diǎn)：所謂功率晶體管就是指在大功率范圍應(yīng)用的晶