第七章單片機(jī)測控

第七章單片機(jī)的測控接口

第一節(jié)A/D轉(zhuǎn)換接口的擴(kuò)展

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換接口的擴(kuò)展

第三節(jié)開關(guān)量接口的擴(kuò)展

第四節(jié)電壓/頻率轉(zhuǎn)換器件

第一節(jié)A/D轉(zhuǎn)換接口的擴(kuò)展

一、A/D轉(zhuǎn)換器概述

（一）雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

主要特點是：轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾能力好、價格便宜，但其轉(zhuǎn)換速度較慢。這種轉(zhuǎn)換器主要用于對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。雙積分A/D轉(zhuǎn)換器芯片有幾種：1．ICL7106/ICL7107/ICL7126系列

2．MCl4433Motorola公司產(chǎn)品3位半精度3．ICL7136Intersil公司產(chǎn)品4位半精度（二）逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種轉(zhuǎn)換速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間大約在幾微秒到幾百微秒之間。其典型芯片有以下幾種：1．ADC0801～ADC0805型8位MOS型A/D轉(zhuǎn)換器2．ADC0808/0809型8位CMOS型A/D轉(zhuǎn)換器3．ADC0816/0817（三）A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1．分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入量。

2．轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。3．量程量程是指A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍。4．精度精度是指與數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之間的差值。

（二）信號引腳

ADC0809芯片為28引腳雙列直插式封裝的芯片，其引腳排列如圖

二、典型A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809

ADC0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖

1．IN7～I(xiàn)N0——模擬量輸入通道。

2．A、B、C——地址線。

3．ALE——地址鎖存允許信號。

4．START——啟動轉(zhuǎn)換信號。

5．D7～D0——數(shù)據(jù)輸出線。

6．OE——輸出允許信號。

7．CLOCK——時鐘信號

8．EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號。

EOC＝0，正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1，轉(zhuǎn)換結(jié)束

9．VCC——+5V電源。

10．REF(+)、REF(-)——參考電壓

三、MCS-51單片機(jī)與ADC0809接口

ADC0809與8051單片機(jī)的連接如圖

電路連接主要涉及兩個問題：一是8路模擬信號通道選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。

（一）8路模擬通道選擇

ADDA、ADDB、ADDC分別接地址鎖存器提供的低3位地址，只要把3位地址寫入ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器，就實現(xiàn)了模擬通道選擇。

(二)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送1．定時傳送方式2．查詢方式3．中斷方式

第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換接口的擴(kuò)展

一、D/A轉(zhuǎn)換器概述

在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，許多場合會遇到被控對象需用模擬量來控制的情況。D/A轉(zhuǎn)換器就是將單片機(jī)輸入的數(shù)字量信號，轉(zhuǎn)換為模擬量輸出的器件。

1．分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器對輸入量變化敏感程度的描述，與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)

2．建立時間是描述D/A轉(zhuǎn)換器速度快慢的一個參數(shù)，指從輸入數(shù)字量到轉(zhuǎn)換為模擬量輸出所需的時間。通常以建立時間來表示轉(zhuǎn)換速度

3．接口形式一類是不帶鎖存器的（如DAC0808），另一類是帶鎖存器的(如DAC0832)

二、典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832

DAC0832是一個8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5V～+15V均可正常工作，基準(zhǔn)電壓范圍為10V，電流建立時間為1μs，CMOS工藝，低功耗20mWDAC0832轉(zhuǎn)換器芯片為20引腳，雙列直插式封裝，其引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖

DAC0832引腳特性如下：

1．DI7～DI0：轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸入線。2．片選信號(輸入)，低電平有效。3．ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許信號(輸入)，高電平有效。4．：數(shù)據(jù)輸入寄存器寫信號(輸入)，低電平有效。

5．：DAC寄存器寫信號(輸入)，低電平有效。6．：數(shù)據(jù)傳送控制信號(輸入)，低電平有效。

7．IOUT1：電流輸出1

8．IOUT2：電流輸出2。

DAC轉(zhuǎn)換器的特性之一是：IOUT1＋I(xiàn)OUT2＝常數(shù)

9．RBF：反饋信號輸入端，芯片內(nèi)帶有反饋電阻

10．VREF：基準(zhǔn)電壓，范圍為-10V～+10V。DGND：數(shù)字地AGND：模擬地

三、單緩沖工作方式的接口與應(yīng)用

1．單緩沖方式連接單緩沖方式連接如圖7-5所示。2．單緩沖工作方式應(yīng)用舉例

在許多控制系統(tǒng)應(yīng)用中，要求有一個線性增長的電壓(鋸齒波)來控制檢測過程，移動記錄筆或移動電子束等。這可通過在DAC0832的輸出端接運(yùn)算放大器，由運(yùn)算放大器產(chǎn)生鋸齒波來實現(xiàn)。其電路如圖7-6所示。圖中的DAC0832工作于單緩沖方式，其中輸入寄存器受控，而DAC寄存器直通。

用DAC0832單緩沖方式產(chǎn)生鋸齒波電路

圖7-5DAC0832與單片機(jī)的單緩沖方式接口

返回圖7-6DAC0832單緩沖方式產(chǎn)生鋸齒波電路

START：MOVDPTR,#FEFFH

MOVR0,#00HLOOP：MOVA,R0MOVX@DPTR,AINCR0NOP

AJMPLOOP執(zhí)行上述程序后，在運(yùn)算放大器的輸出端就能得到如圖7-7所示的鋸齒波圖7-6返回圖7-7D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的鋸齒波

返回四、雙緩沖及直通工作方式

1．雙緩沖工作方式

DAC0832工作于雙緩沖器工作方式時，數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉(zhuǎn)換是分兩步完成的。首先單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線分時地向各路D/A轉(zhuǎn)換器輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，并鎖存在各DAC0832的輸入鎖存器中，然后單片機(jī)對所有的D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)出控制信號，將各個D/A轉(zhuǎn)換器輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)送入DAC寄存器，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。

如圖7-8所示為一個二路同步輸出的D/A轉(zhuǎn)換接口電路

圖中，單片機(jī)的P2.5和P2.6分別選擇兩路D/A轉(zhuǎn)換器的輸入鎖存器，P2.7連接到兩路D/A轉(zhuǎn)換器的端控制同步轉(zhuǎn)換輸出。這樣連接，DAC0832（1）的輸入鎖存器地址為DFFFH；DAC0832（2）的輸入鎖存器地址為BFFFH；兩個D/A轉(zhuǎn)換器的DAC寄存器地址為同一個地址，為7FFFH。MOVDPTR,#0DFFFHMOVA,#datalMOVX@DPTR,A MOVDPTR,#0BFFFH MOVA,#data2MOVX@DPTR,A MOVDPTR,#7FFFH MOVX@DPTR,A 2．直通工作方式

DAC0832芯片的片選信號、寫信號和及傳送控制信號的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號ILE引腳接+5V時，DAC0832芯片就處于直通工作方式。在這種工作方式時，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換

第三節(jié)

開并量接口的擴(kuò)展

一、開關(guān)量輸入接口

1．扳鍵開關(guān)與單片機(jī)的接口

圖7-9所示是扳鍵類開關(guān)應(yīng)用的示例

2．撥盤開關(guān)與單片機(jī)的接口(1)撥盤開關(guān)撥動正面的撥盤，可設(shè)定一個十進(jìn)制數(shù).而輸入計算機(jī)撥盤開關(guān)用于參數(shù)設(shè)定，非常直觀、方便。在BCD碼撥盤開關(guān)中，引腳A一般接高電平，8、4、2、1四個引腳原來是低電平；當(dāng)設(shè)定某十進(jìn)制數(shù)時，撥盤的轉(zhuǎn)動將使引腳A與8、4、2、1四個引腳有一定的接通關(guān)系，與引腳A接通的將輸出高電平，不與引腳A接通的仍輸出低電平，從而轉(zhuǎn)換成與該十進(jìn)制數(shù)相當(dāng)?shù)腂CD碼(8421碼)。例如，撥置數(shù)字5，則8、4、2、1腳輸出數(shù)字編碼為0101，其它類推。

(2)撥盤開關(guān)應(yīng)用實例

通過撥盤開關(guān)將二位十進(jìn)制數(shù)置入單片機(jī)，其十位數(shù)與個位數(shù)讀入后將分別暫存于片內(nèi)RAM的21H、20H單元。其應(yīng)用參考程序如下:BCD：CLR P1.0 MOVXA,@R0 ANL A,#0FH MOV 20H,A MOVX A,@R0 ANL A,#0FOH SWAP A MOV 21H,A RET二、開關(guān)量輸出接口

1．輸出口的隔離

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，為防止現(xiàn)場強(qiáng)電磁的干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統(tǒng)中，一般采用通道隔離技術(shù)。在輸出通道的隔離中，最常用的隔離元件是光電耦合器

光電耦合器的具體參數(shù)可查閱有關(guān)的產(chǎn)品手冊，其主要特性參數(shù)有以下幾個方面：(1)導(dǎo)通電流和截止電流

(2)頻率響應(yīng)

(3)輸出端工作電流

(4)輸出端暗電流

(5)輸入輸出壓降

(6)隔離電壓

2．繼電器輸出接口

繼電器方式的開關(guān)量輸出，是目前最常用的一種輸出方式，一般在驅(qū)動大型設(shè)備時，往往利用繼電器作為測控系統(tǒng)輸出到輸出驅(qū)動級之間的第一級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過第一級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡

3．雙向晶閘管輸出接口雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ?，能在交流、大電流場合使用，且開關(guān)無觸點，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的雙向晶閘管隔離驅(qū)動電路的設(shè)計，是采用一般的光電隔離器和三極管驅(qū)動電路.現(xiàn)在已有與之配套的光電隔離器產(chǎn)品，這種器件稱為光耦合雙向晶閘管驅(qū)動器。與一般的光電隔離器不同，其輸出部分是一個硅光敏雙向晶閘管，有的還帶有過零觸發(fā)檢測器，以保證在電壓接近0V觸發(fā)晶閘管圖7-14所示為MOC3041與雙向晶閘管的接線圖4.固態(tài)繼電器輸出接口固態(tài)繼電器(SSR)是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器，其輸入控制電流小，用TTL、HTL、COMS等集成電路或加簡單的輔助電路就可直接驅(qū)動，因此適宜于在微機(jī)測控系統(tǒng)中作為輸出通道的控制元件；其輸出利用晶體管或晶閘管驅(qū)動，無觸點。圖7-15所示為固態(tài)繼電器的結(jié)構(gòu)框圖固態(tài)繼電器按其負(fù)載類型分類，可分為直流型和交流型兩類：(1)直流型固態(tài)繼電器直流型固態(tài)繼電器主要用于直流大功率控制場合(2)交流型固態(tài)繼電器直流型固態(tài)繼電器主要用于直流大功率控制場合。第四節(jié)電壓/頻率轉(zhuǎn)換器件

V/F轉(zhuǎn)換器用于計算機(jī)接口有以下特點：(1)接口簡單、占用計算機(jī)硬件資源少(2)抗干擾性好。(3)便于遠(yuǎn)距離傳輸。一、V/F轉(zhuǎn)換原理

(1)積分復(fù)原型圖7-19所示電路為積分復(fù)原型電路的結(jié)構(gòu)及輸出波形圖電路包括積分器，電平檢測器和積分復(fù)原開關(guān)。電平檢測器是電壓比較器，具有雙限閾值電平，當(dāng)積分電容充電到下限值電平時，電平檢測器使積分復(fù)原開關(guān)導(dǎo)通，使電容迅速放電，積分器輸出復(fù)原到上限閾值電壓，復(fù)原開關(guān)重新截止，積分器再次積分。這種電路精度低，因此使用于精度要求不高的場合(2)電荷平衡式V/F轉(zhuǎn)換器由圖中可以看出，輸出頻率與輸入電壓V02成正比，當(dāng)RIN和COS精度較高時，輸出頻率較嚴(yán)格地與輸入電壓成比例。二、用V/F轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的方法

三、LM331-V/F轉(zhuǎn)換器

LM331屬于LMX31系列，該