1、單片機與控制技術單片機與控制技術本章討論的本章討論的的主要對象的主要對象人機接口等A/DD/A模擬輸入數(shù)字量輸入模擬輸出數(shù)字量輸出信號隔離信號隔離控制對象傳感器等檢測裝置單片機（MCU）控制方法 過程輸出通道的傳遞的特點及相應要解決的主要問題： 1）數(shù)字量的輸入、模擬量的輸出。（D/A模數(shù)轉換、F/V頻壓轉換等） 2）小信號的輸入，大功率的輸出。（輸出驅動） 3）過程輸出通道與接口靠近強電環(huán)境的大功率外部設備，干擾嚴重，須采用隔離等措施抑制干擾。（強弱電信號隔離） 4）微機處理速度快，而執(zhí)行機構動作緩慢，要決速度匹配問題。（速度匹配）第第08章：過程輸出通道（后向通道）與接口章：過程輸出通道（

2、后向通道）與接口本章主要內容：l 數(shù)字量輸出通道（輸出鎖存光電隔離輸出驅動）l 模擬量輸出通道，包括： D/A轉換（）、F/V轉換； 模擬信號光電隔離； 信號傳輸（V/I變換）電路； 執(zhí)行機構 等等1、數(shù)字量輸出通道l 數(shù)字量輸出通道主要由輸出鎖存器（含輸出地址譯碼電路） 、數(shù)字光電隔離器電路、輸出驅動電路等組成1、數(shù)字量輸出通道l （1）輸出信號信號鎖存與地址選通為什么要對輸出的數(shù)字信號進行鎖存？示例（左圖）： MOV DPTR，1000H MOVX DPTR，5AH？1、數(shù)字量輸出通道l （2）數(shù)字信號的光電隔離 a)為普通光電耦合器，它以發(fā)光二極管為輸入端，光敏三極管為輸出端。若要獲較大

3、驅動能力，可采用達林頓管輸出或晶閘管輸出的光電耦合器件，如b）、c）光電耦合器輸入控制和輸出形式1、數(shù)字量輸出通道l （3）輸出驅動電路（驅動大功率負載）1）功率晶體管輸出驅動繼電器電路2）達林頓陣列輸出驅動繼電器電路（MC1416內部電路原理圖及使用方法）2、模擬量輸出通道概述l （1）模擬量輸出通道的一般結構一個輸出通道占用一個D/A轉換器 I/O接口：接受來自CPU的數(shù)據(jù)、地址及控制信號，并向CPU送應答信號。常用器件如8155、8255等。 D/A轉換器：其作用是數(shù)字量轉換成相應的模擬量，下一節(jié)中將專門講述具體內容。 隔離級：將計算機與被控對象隔離開來，以防止來自現(xiàn)場的干擾。圖中所示為

4、模擬側隔離，另外可將隔離級到D/A轉換器之前，構成數(shù)字側隔離。 輸出級（信號的傳輸）：由運算放大器、V/I轉換器等組成，以提供不同形式的輸出信號。 執(zhí)行器：其作用是接受微機通過AO發(fā)來的控制信號，并轉換成調整機構的動作，使生產過程按照預先規(guī)定的要求正常進行 多個輸出通道共享D/A轉換器的方法（保持器）3、模擬量輸出通道的功能模塊（單元電路）介紹l （1）（模擬信號的）光電隔離電路 模擬信號的光電隔離比數(shù)字信號要復雜信號光電隔離模擬光電隔離極性轉換電路此電路圖主要由四部分組成: 以運算放大器K1為核心的輸入級，由于采用了同向輸入方式，因此既有輸入阻抗高及相當于電壓串聯(lián)負反饋的特性。 輸入輸出隔離

5、級: 由二極管極管光電隔離耦合器（D1、T1）實現(xiàn)，起到抑制輸入級干擾的作用。 以運算放大器K2為核心的輸出級，它是一個反向器（放大倍數(shù)=-1）。 以T3為核心的恒流源及光電管D2、T2，起到穩(wěn)定工作點、抑制干擾及補償溫漂的作用。 輸入輸出不共地、各用了一套15V電源。圖中所示各點的電壓值為當輸入電壓 Vin=0V 時所對應的值。3、模擬量輸出通道的功能模塊（單元電路）介紹l （2）模擬信號的輸出信號變換（傳輸）用“V/I電壓電流轉換器”來實現(xiàn)?。ㄊ褂秒娏鱾鬏?shù)暮锰帲浚﹍ 1）采用F3080組成的V/I變換電路 F3080是電流輸出型運放，其輸入特性與通常運放是相同的，而輸出是電流的形式。 圖

6、中用F3080組成的基本V/I變換電路。圖中I為5腳注入電流，可在0.1500uA范圍內自由設置，可以是直流或交流控制信號。采用直流控制就成為可控制式V/I轉換器。W用作失流補償，使Vin=0V時輸出Io=0。l 2）運放V/I變換電路采用 采用通用運放實現(xiàn)V/I的方法很多，考慮實際電流信號多采用統(tǒng)一標值（010mA或420mA），故這里只介紹兩個實用電路。010V/010mA轉換電路 輸入電壓Vin經R1進入運算放大器A，經A放大后進入T1、T2。由于T2射極接有反饋電阻Rf，得到反饋電壓Vf加至輸入端，形成運放A的差動輸入信號。由于具有較強的電流反饋，所以有較好的橫流性能。 輸入電壓Vin

7、和輸出電流Io之間關系如下：15V/420mA變換電路工作原理：若R1=5k,R2=2K,R3=100,當Vin=15V時，輸出電流Io=420mA集成V/I轉換器（ ZF2B20/21 ） ZF2B20/21電壓/電流轉換器的外引腳圖如圖所示。 它的輸入電壓范圍為010V，輸出電流為4-20mA ，采用單正電源供電，電源電壓范圍為10-32V，其特點是低漂移，在工作溫度為-25+85范圍內，最大漂移為0.005%/。其輸入電阻為10K，非線性小于0.025%，動態(tài)響應時間小于25ms。 利用2B20/21實現(xiàn)V/I轉換只需外接很少的調節(jié)元件即可，圖示外接初始校準電位器即可實現(xiàn)0-10V/4-

8、20mA的轉換。 3、模擬量輸出通道的功能模塊（單元電路）介紹l （3）執(zhí)行機構執(zhí)行機構（繼電器、電機、電磁閥等） 執(zhí)行器是計算機控制系統(tǒng)中重要的組成部分,其作用是把微機發(fā)出的控制信號轉換成調整機構的動作,使生產過程按規(guī)定的要求進行。即,它是實現(xiàn)微機對被控對象實施控制的執(zhí)行者,前面各環(huán)節(jié)的作用最終要由它來體現(xiàn)。若選擇和運用不當,往往給生產帶來許多困難,甚至造成嚴重的生產事故。為此，要足夠重視執(zhí)行器的使用。繼電器a）繼電器的工作原理b）兩種繼電器觸點輸出的驅動電路晶閘管a）晶閘管結構及原理 晶閘管又稱可控硅（SCR），是一個三端器件。分為陽極A、陰極C、控制極（門極）G。右圖1為單向晶閘管的結構

9、符號。b）單片機驅動晶閘管接口）單片機驅動晶閘管接口由于SCR通常用來控制交流高電壓開關負載，故圖中采用了光電隔離措施固態(tài)繼電器a）固態(tài)繼電器結構及原理 通常是四端組件，兩個輸入端、兩個輸出端。b）固態(tài)繼電器分類 固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷功率型電子開關。當施加觸發(fā)信號后其主回路呈導通狀態(tài)，無信號時呈阻斷狀態(tài)。根據(jù)負載端所加電壓的不同，SSR可分為直流型和交流型兩種。下圖（a）、(b)、(c)分別為直流、交流型SSR輸入輸出的關系波形。 c） SSR輸入端的驅動及使用注意事項 SSR輸入510mA電流時SSR通，而小于1mA時SSR斷；輸入端工作電壓通態(tài)一般不低于3V，斷態(tài)一般小于1V。下圖為

10、幾種基本的SSR輸入端驅動方式。 使用SSR注意事項： 對于直流型SSR，當負載為感性時（如直流電磁閥或電磁鐵），應在負載兩端并聯(lián)一只二極管。二極管電流應等于工作電流，電壓應大于工作電壓的4倍 。且SSR應盡量靠近負載。 大功率的SSR應加瞬間過電壓保護。，由于電源上電時RC回路的充放電會產生誤動作，大功率的SSR無RC吸收保護網絡環(huán)節(jié)。為此，可采用壓敏電阻保護。 過電流保護。由于負載斷路、浪涌電流等易造成SSR器件損壞，因此，一般應按額定電流的10倍以上浪涌電流值來選擇合適的SSR。保護措施最好采用快速熔斷器或電源中串接限流電抗器。 SSR的負載能力受工作環(huán)境溫度影響較大，溫度升高，負載能力

11、隨之下降。故在選用時應留有一定余量，并注意散熱處理。d）單片機對固態(tài)繼電器的控制接口小功率交流電機的控制大功率交流電機的控制 常用的伺服電機由交流和直流兩大類。 a）交流伺服電動機 這種電動機的任務是將電信號轉換為軸上的角位移和角速度的變化。伺服電動機應具有的基本性能是：良好的可控性、運行穩(wěn)定和快速響應。 它的輸出功率一般是0.1100W，最常用的是30W以下的。其電源頻率為50Hz時，電壓為36V、110V、220V、380V；電源頻率為400Hz時，電壓為20V、26V、36V、115V。 伺服電動機不僅需具有啟、停的伺服性，而且還需具有對轉速大小和方向的可控性。根據(jù)不同的用途，可采用以下

12、三種控制方法： 第一種為幅值控制，即保持控制電壓的相位不變，僅僅通過改變其幅值來進行控制。第二種為相位控制，即保持控制電壓的幅值不變，僅僅改變其相位來進行控制。第三種為幅相控制，即同時改變控制電壓的幅值和相位來進行控制。 三種控制方法的實質是利用改變正轉與反轉旋轉磁勢大小的比例，來改變正轉與反轉電磁轉矩大小，從而達到改變合成電磁轉矩和轉速的目的。 伺服電動機單相交流伺服電動機的一個驅動電路b）直流伺服電動機 直流伺服電動機作為執(zhí)行元件，系統(tǒng)對其主要要求是下垂的機械特性、線性調節(jié)特性和對控制信號能作出快速響應。 直流伺服電動機有兩種控制方法，一是由勵磁繞組勵磁，用電樞繞組來進行控制；另一個是電樞

13、繞組勵磁，而用勵磁繞組來進行控制。 信號轉換成相應的直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的轉子做成多極的，定子上嵌裝有多相不同連接的控制繞組，由專用電源供給電脈沖。每輸入一個脈沖，步進電機就前進一步，所以也叫脈沖電機。 a）步進電機的工作原理 （略）步進電機b）步進電機的驅動電源 典型的步進電機驅動電路組成如圖所示。圖中變頻信號源是一個從每秒數(shù)十步到每秒兩萬左右步的連續(xù)可變信號發(fā)生器，它為脈沖分配器提供脈沖序列。脈沖分配器則根據(jù)方向控制信號把脈沖信號按一定的邏輯關系加到脈沖放大器上進行放大，以使步進電機按一定的運行方式運轉。典型的微機控制步進電機系統(tǒng)原理圖（軟件分配脈沖）如何編程？ 電磁閥是常用的二位式電動執(zhí)行器，它是依靠電磁力而工作的。它有電開型（通電閥打開）和電閉型（通電閥閉合）兩種，當產品樣本未標注時，一般均為電開型。 a）電磁閥的選用 電磁閥一般按使用介質及用途而標注名稱，如可在蒸氣介質中使用的標為蒸汽電磁閥。不同結構的電磁法適合用于不同壓力（壓差）場合。 b）使用時幾點注意事項 除一般應考慮工作介質的溫度、年度、腐蝕度、壓力、壓差等因素外，還應注意：每分鐘允許通斷的工作次數(shù)，以防止線圈燒壞；介質進入導閥前，一般應先經過過濾器，以防止雜質堵塞閥門；流體壓力應大于電