單片機常用測控電路

第8章單片機常用測控電路本章主要內(nèi)容1、開關(guān)量輸入/輸出接口電路2、A/D轉(zhuǎn)換接口電路3、D/A轉(zhuǎn)換接口電路4、步進電機接口電路開關(guān)量輸入/輸出驅(qū)動接口電路在單片機的測控系統(tǒng)中，常常用到開關(guān)量的輸入輸出。所謂開關(guān)量，是指系統(tǒng)中某個測控對象相反的兩種狀態(tài)，輸入單片機時對應(yīng)輸入0和1，單片機輸出控制時分別輸出0和1來對應(yīng)。

下面介紹幾種常用的開關(guān)量的輸入輸出驅(qū)動接口電路。

一、光電隔離輸入/輸出接口電路

在工業(yè)控制領(lǐng)域的現(xiàn)場應(yīng)用中，對于單片機而言，往往有一些遠距離開關(guān)量信號的輸入和輸出，如果直接接入單片機的I/O口，會有以下一些問題：1)信號不匹配，輸入的信號可能是交流信號、高壓信號、按鍵接點等信號；2)比較長的連接線路容易引進干擾、雷擊、感應(yīng)電等；3)單片機的I/O口驅(qū)動能力有限，或者驅(qū)動的是交流強電回路。

對于這些問題的解決，最直接有效的辦法就是利用光電耦合器進行隔離。光電耦合器件是個什么樣的器件呢？圖8-1三極管型光電耦合器原理圖

光電耦合器件就是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極管）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光實現(xiàn)耦合，構(gòu)成電—光和光—電的轉(zhuǎn)換的器件。圖8-1所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。在利用光電耦合器實現(xiàn)隔離時應(yīng)注意：

（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立的電源，若兩端共用一個電源，則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號（包括數(shù)字量信號、控制量信號、狀態(tài)信號）全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。

二、繼電器驅(qū)動接口電路

繼電器是個什么樣的東西？

繼電器是一種當(dāng)輸入量（電、磁、聲、光、熱、時間）達到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。繼電器的種類很多

有電磁繼電器、固態(tài)繼電器

、時間繼電器、溫度繼電器、風(fēng)速繼電器、加速度繼電器、其它類型的繼電器（如光繼電器、聲繼電器、熱繼電器）等圖8-5常用繼電器驅(qū)動接口電路3三、可控硅驅(qū)動接口電路可控硅又稱晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個PN結(jié)，對外有三個電極〔圖8-6(a)〕：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。電路符號如圖8-6（b）。

圖8-6可控硅符號及內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)圖8-7雙向可控硅隔離驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換接口電路

一、A/D轉(zhuǎn)換的基本概念

在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，總是要對許多連續(xù)變化的模擬量（如溫度、壓力等）進行測量，而這些模擬量對于單片機來說是無法直接進行測量的，單片機能夠直接接受和處理的是數(shù)字信號，因此，必須將這些模擬量數(shù)字化才能為單片機所處理。我們把將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換。

本教材中主要介紹典型的并行A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809和串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC1549及其與單片機的接口技術(shù)。

A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)：

（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量最低位變化一個字所對應(yīng)的被轉(zhuǎn)換模擬電壓的變化量。通常會用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來表示分辨率。（2）轉(zhuǎn)換時間

轉(zhuǎn)換時間指的是A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。

A/D轉(zhuǎn)換器的種類：

根據(jù)內(nèi)部轉(zhuǎn)換原理的不同，主要可分為比較型和積分型兩種。

（1）比較型比較型A/D轉(zhuǎn)換屬于直接的A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過幾次的逐次比較逼近就可以直接得到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，轉(zhuǎn)換的速度快，精度較高，是目前使用最為廣泛的一種A/D轉(zhuǎn)換。

（2）積分型積分型的A/D轉(zhuǎn)換是一種間接的A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過兩次積分的過程得到A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，這種A/D轉(zhuǎn)換的時間長，但精度高，抗干擾能力強，適用于速度要求不高且有較多干擾但精度要求較高的場合。

二、并行A/D（ADC0809）及其接口電路

DAC0809是8通道8位CMOS逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用并行A/D芯片。如圖為該芯片內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)框圖。

ADC0809主要性能指標(biāo)：1）分辨率為8位。2）單電源+5V供電，參考電壓由外部提供，典型值為+5V。3）具有鎖存控制的8路模擬選通開關(guān)。4）具有可鎖存三態(tài)輸出，輸出電平與TTL電平兼容。5）功耗為15mW。6）轉(zhuǎn)換時間取決于芯片的時鐘，是芯片時鐘周期的64倍。時鐘的頻率范圍為10~1280KHz。ADC0809引腳圖、時序圖圖8-9ADC0809引腳圖、時序圖10μsALE地址信號STARTOEEOCDATA圖8-10為ADC0809與89S51的實用連接電路。

根據(jù)圖8-9中的時序圖，ADC0809轉(zhuǎn)換過程分為以下幾步：（1）通道選擇。用單片機I/O口輸出通道信息控制A、B、C。只有一路模擬信號需要轉(zhuǎn)換時，可以將通道地址A、B、C接固定的電平（高電平或低電平），選擇某一固定通道，如圖8-10選擇0通道。（2）所存通道地址（ALE）和啟動A/D轉(zhuǎn)換開始（START）?？梢园凑諘r序圖的順序，先控制地址所存，后啟動。也可以用一個信號同時控制，后一種用的較多。（3）檢測A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。A/D轉(zhuǎn)換開始后約10μs，EOC信號變低，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束再變高?？梢酝ㄟ^檢測EOC判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，也可以利用EOC信號的變化觸發(fā)中斷。（4）讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。檢測到轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，使OE有效，將數(shù)據(jù)讀入單片機內(nèi)部。ADC0809應(yīng)用示例程序

[例8-1]將圖3-14共陽型數(shù)碼管動態(tài)掃描電路和圖8-10結(jié)合起來，設(shè)計一路A/D測量和顯示電路。如圖8-11所示。

初始化和主程序如下：ORG0000HLJMPSETUPORG0030HSETUP：MOV70H，#0；MOV71H，#0；MOV72H，#0；70H~73H作為顯示緩沖區(qū)MOV73H，#0；并分別付初值CLRP1.0；鎖存和啟動初始狀態(tài)CLRP1.2；輸出控制初始狀態(tài)MAIN：LCALLDIS；調(diào)用顯示子程序LCALLATOD；調(diào)A/D轉(zhuǎn)換子程序LJMPMAINA/D轉(zhuǎn)換的子程序如下：ATOD：SETBP1.0；通道地址已固定CLRP1.0；輸出地址鎖存與啟動信號NOPNOPNOPNOPNOP；延時10μsSETBP1.1；P1.1置為輸入狀態(tài)JNBP1.1，$；等待轉(zhuǎn)換結(jié)束SETBP1.2；數(shù)據(jù)信號輸出，準備讀MOVP0，#0FFH；P0口置為輸入口MOV昨A，P微0勻；讀殺轉(zhuǎn)換結(jié)滿果CLR宿P1.鋪2只；關(guān)躺閉A/陪D輸出MOV銳B，#攻100施；下腎面將結(jié)怖果轉(zhuǎn)換躬位BC稀D碼，;并餃送顯示DIV探A精BMOV癥72H這，A藝；百位MOV拘A，BMOV蓋B妹，#1睛0DIV撿ABMOV很71H怕，A推；十位MOV獨70H貼，B猾；個位RET[例8-恨2]手將圖8-敢11的E疼OC輸出索通過圖8洗-12所藥示的三極貝管反向器飾送給單片瞎機的中斷連引腳，作螞為中斷觸帖發(fā)信號，使用定時器么定時每0環(huán).1S控同制一次A質(zhì)/D轉(zhuǎn)換培，用中斷棕的方法檢銷測A/D適轉(zhuǎn)換結(jié)果包。程序如下毯：ORG屬000煮0HLJMP悶SE雙TUPORG篩000翅3HLJMP告IN裁EX0P愉；戲外中斷0亡入口地址ORG剪000臺BHLJMP全IN迅ET0P懇；于T0入口破地址ORG抄0喬030秤HSET念UP：皆MO陶V悠70H伴，#0釘；MOV資71H玻，#0威；MOV菠7爽2H，姿#0橡；竟70H述~73傅H作為容顯示緩暑沖區(qū)MOV鈔73H躍，#0典；并分漆別付初值MOV盒T位MOD剛，#0子1H帥；T0降方式1羊定時MOV串TH0鍛，#60MOV饒TL0驅(qū)，#17桐6株；6MH漂z晶振，況0.1S稻初值SET姜B月TR0涉；啟動勇定時器仙運行SET捎B甩ET0獨；開定比時器中閥斷SET市B零IT0餡；外橡中斷0唇設(shè)為下圖降沿觸退發(fā)SET舉B嗽EX0沙；開通鬧中斷SET賭B曬EA她；CLR懷P1優(yōu).0繡；鎖存和牌啟動初始衣狀態(tài)CLR容P1.重2繪；輸聰出控制典初始狀柄態(tài)MAI清N：坦LCA暑LL齡DI堡S倒；調(diào)糊用顯示妙子程序LJM率P洋MAI粘NDIS燦：允；顯示錘子程序資略…RETDELA沙Y：甩；延脈時子程序通略…RETINE臉T0P婆：MOV胃TH0欲，#60MOV擴TL0堪，#17蛇6餅；重裝，賀0.1S令初值SET辮B啞P1攤.0充；通按道地址燭已固定CLR毅P1介.0乎；輸莖出地址師鎖存與蹲啟動信睛號RETIINEX亮0P：泡PU饅SH捉ACC爸；保護雖現(xiàn)場SET紐奉B涉P1路.2咬；數(shù)述據(jù)信號防輸出，顏準備讀MOV趁P0，倡#0F翅FH簡；P瓣0口置生為輸入欲口MOV色A，散P0劉；讀轉(zhuǎn)換月結(jié)果CLR溝P1濁.2卷；辯關(guān)閉A/尿D輸出MOV枯B，贊#100妻；下面將轟結(jié)果轉(zhuǎn)換娛位BCD量碼，并送廁顯示DIV情A畏BMOV擁7羽2H，虛A唐；百尖位MOV盆A，BMOV箏B范，#1復(fù)0DIV茶ABMOV味71H歪，A徹；十位MOV圍70H半，B且；個位POP口ACC閘；恢復(fù)江現(xiàn)場RETIEND傳統(tǒng)的A喂DC08桌09與單嘆片機的接手口電路如神圖8-1址3所示。三、串行奶A/D（傷TLC1耀549）攝及其接口譜電路TLC1洗549是案一個十位盤的串行A柄/D轉(zhuǎn)換煌芯片。其顏內(nèi)部原理如框圖如圖婦8-14幣所示。引剩腳圖如圖失8-15針?biāo)?。圖8-14TLC1549內(nèi)部原理框圖圖8-15TLC1549引腳圖引腳功鼓能說明給如下：ANA疊LOG眠I害N：模背擬信號查輸入端封。DAT昂A：轉(zhuǎn)皮換結(jié)果碗串行輸廉出端。CS：許片選端起。I/O作C邪LOC遞K：芯觀片工作穗驅(qū)動脈慮沖輸入諷端。REF凍+、R簡EF-逗：正負營電壓基趨準輸入暈端。通堆常與芯河片電源輪并接，剃REF要+接+最5V，濾REF辱-接G嬸ND。VCC、籮GND：撇芯片工作鈴電源，4講.5V~沾5.5V生。串行A/逐D（TL航C154碌9）轉(zhuǎn)換擠時序圖如歷圖8-1寇6所示：TLC1今549操山作時序高聾位在前，夸共計10轟位，操作袖時需要先杏預(yù)讀一次季，啟動轉(zhuǎn)婦換，等待故一段時間朽后再輸入溜十個移位雷脈沖，輸光出10位牲的A/D糠結(jié)果。圖喪8-17蛛為TLC逐1549律的應(yīng)用電繼路。四、常用深的V/F勺轉(zhuǎn)換接口剪電路在單片機虧應(yīng)用系統(tǒng)飛中，有時芳根據(jù)實際址的需要，獻比如缺少虹A/D轉(zhuǎn)染換器，或漠者轉(zhuǎn)換的殊數(shù)字量要組經(jīng)過較遠帝距離的傳判輸?shù)鹊?，鐵可以采用潛V/F轉(zhuǎn)芽換來實現(xiàn)扎測量。常用的化V/F亭轉(zhuǎn)換元攻器件是原LM3厘31、盜VFC餡32等。LM33劣1的性能羨特點：1.最撥大線性度詢?yōu)?.0除1%；2.雙做電源或單慚電源工作勻。單電源縱可工作于潑5V；3.脈腦沖輸出為害集電極開沫路形式；圖8-1姻8是LM恩331典掙型應(yīng)用電陰路。圖8-18基本V/F轉(zhuǎn)換電路D/A掙轉(zhuǎn)換接被口電路一、D以/A轉(zhuǎn)抓換的基負本概念D/A詠轉(zhuǎn)換是洞單片機亭測控系皇統(tǒng)控制抄量輸出章的典型答的接口脅，如果嘩實際被愈控對象反要求的旗控制量悄是模擬槍量，而述單片機線本身不茂可能直觸接輸出哲模擬量娃，則由昆單片機質(zhì)根據(jù)具撤體的要資求，輸滲出一定勝的數(shù)字闊量，再僵轉(zhuǎn)換成策對應(yīng)的濤模擬量秩。這種熊將數(shù)字榮量轉(zhuǎn)換況成模擬群量的過趨程稱之順為D/干A轉(zhuǎn)換氏，實現(xiàn)羊D/A卷轉(zhuǎn)換的置器件稱渴之為D教/A轉(zhuǎn)蹄換器。本節(jié)主要煩介紹并行桐的D/A爬轉(zhuǎn)換芯片項DAC0依832和尚串行D/貢A芯片T租LC56遲15及其裹應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)蹈換器的主驢要性能指產(chǎn)標(biāo)有：（1）籍分辨率振D/性A轉(zhuǎn)換漁器的分辣辨率是榆指當(dāng)D愚/A轉(zhuǎn)斯換器輸茶入的數(shù)絲式字量變射化一個腰字的時封候，對備應(yīng)轉(zhuǎn)換芒輸出的孫模擬量赤的變化罷量。（2）磁線性度為指的是慢在轉(zhuǎn)換享量程范德圍內(nèi)對緒應(yīng)于一死定比例獎的數(shù)字轎量轉(zhuǎn)換陷輸出的隱模擬量傘不成比鑼例的非穴線性的淡程度。（3）扣轉(zhuǎn)換精侍度同指的黃是轉(zhuǎn)換妄后得到袍的實際弟值對于群理想值正得接近伏程度。敏通常用罰綜合誤垮差的形趣式來表侮示。（4）建獨立時間滲指的銳是D/A掀轉(zhuǎn)換器的界輸入數(shù)字樸量發(fā)生變啟化后，轉(zhuǎn)畏換輸出的們模擬量達垃到穩(wěn)定數(shù)烏值所需要嬸的時間。（5）溫偷度系數(shù)敘指的是溫旅度對轉(zhuǎn)換請精度的影固響力的大虎小.二、并行邁D/A（縮慧DAC0儲832）造及其接口顫電路DAC沒083濾2是8周位的并起行D/泳A轉(zhuǎn)換寫器，是脾目前應(yīng)饅用最為祖廣泛的陜一種D壁/A芯征片。圖且8-1掠9為該賠芯片內(nèi)諷部原理疑結(jié)構(gòu)框陶圖。DAC永083得2工作命方式：（1）徑直通工吹作方式腐:將攜兩個寄露存器的熄5個控辜制信號衫都預(yù)先半置為有術(shù)效，兩霞個寄存助器都開尊通，處砌于數(shù)據(jù)宮接收狀屬態(tài)，用堤于沒有夢單片機覽的電路晝中。（2）區(qū)單緩沖撇工作方卸式:成只有一嚷路D/望A轉(zhuǎn)換另或雖然縣有多路青但不要起求同步算輸出，償這時則姐可以采昂用單緩霉沖方式鈔接口。（3）雙錫緩沖工作恩方式:逼多路D/可A轉(zhuǎn)換，探并要求同貸步輸出是購，必須采棄用雙緩沖所工作方式夸。4、D醬AC0維832急應(yīng)用實父例三、串浮行D/偷A(chǔ)（憶TLC蠶561捕5）及膠其接口棋電路TLC貨561笛5是一標(biāo)個十位籍的串行旬D/A費轉(zhuǎn)換芯瞇片，其先內(nèi)部原切理框圖瞞如圖8汪-26攤所示。圖8-24TLC5615內(nèi)部原理框圖

圖8-2背8是TL筍C561躬5轉(zhuǎn)換工盡作時序。圖8-2抹9為TL簡C561甘5應(yīng)用電洋路，分別帽用P1.俱0、P1話.1、P缺1.2作鳴為芯片的立片選、串愈行時鐘和批串行數(shù)據(jù)帥輸入控制惜。圖8-29TLC5615電路連接步進電機蛇接口電路一、步型進電機鈴工作原肉理步進電陷機是工級業(yè)過程條控制及僑儀器儀增表中常持用的控嚼制元件河之一。步進電福機轉(zhuǎn)子禍均勻分渾布著很木多小齒寧，定子劑齒有三趨個勵磁督繞阻，盯其幾何恢軸線依碧次分別塔與轉(zhuǎn)子較齒軸線鞏錯開0聰、1/矛3T、軍2