1、第一篇:微機及接口技術(shù),概述 地址譯碼器、I / O口與CPU的接口 人機接口 機電接口 功率接口,概述,I / O 口是CPU輸入接口和輸出接口。最簡單的接口僅僅是連接二個設(shè)備的一組導(dǎo)線，或是一對標(biāo)準(zhǔn)連接件 I / O 口可分為簡單 I / O 口和可編程 I / O 口(又分為并行接口和串行接口) 。 常用的簡單輸入接口有 74 xx 244 、245 簡單輸出接口有 74 xx 273、373 可編程并行接口有 8255、8155 等，可編程串行接口有 8251。,機電一體化產(chǎn)品基本組成及接口,人機接口,機電接口,從上圖看出，人機對話輸入和輸出設(shè)備沒有和 CPU 直接連接，而是通過 I

2、/ O 口與 CPU 連接在一起 外設(shè)和 CPU 不能直接連接的原因有下面兩個： 人機對話設(shè)備和 CPU 的阻抗不匹配； CPU 不能直接控制人機對話設(shè)備（鍵盤、LED等）的接通和關(guān)閉。 CPU 通過地址譯碼器、RD和WR等控制 I / O 口的接通和關(guān)閉，從而控制外設(shè)的接通和關(guān)閉。,概述,138 和 139的引腳名稱,地址譯碼器、I / O口與CPU的接口 地址譯碼器與 CPU 的接口,地址譯碼器與 CPU 的接口,139 的功能表,138 的 功 能 表,控制微機8031、地址碼譯碼器、接口芯片與輸入、輸出設(shè)備的連線總圖,例一：,0 1 0 0 0 1,0,0,0,0,0,按鍵的 數(shù)據(jù),1

3、 0 0 0 0 1,0,0,0 0 1 0 0 1,0,0,+5V,1 1,1 1,0 0 0 0 0 0 0 1,D7 =1 特征位為1,D6D5 =00 A組工作方式為0,D4 =0 PA口作輸出,D3 =0 PC口高四位作輸出,D2 =0 B組工作方式為0,D1=0 PB口作輸出,D3 =0 PC口高四位作輸出,0,0,對8255 進行預(yù)定義,0 0 1 0 0 1,0,0,+5V,0 0,0 0,0 0 0 0 0 0 0 1,0,0,數(shù)據(jù),0 0 1 0 0 1,0,0,+5V,1 0,1 0,0 0 0 0 0 0 0 1,0,0,數(shù)據(jù),0 0 1 0 0 1,0,0,+5V,0

4、 1,0 1,0 0 0 0 0 0 0 1,0,0,數(shù)據(jù),人機接口,在機電一體化產(chǎn)品中，常用的輸入設(shè)備有開關(guān)、BCD二十進制碼撥盤、鍵盤等；常用的輸出設(shè)備有指示燈、LED（發(fā)光二極管）、液晶顯示器、微型打印機、CRT（陰極射線管）、揚聲器等。人機接口分為輸入接口和輸出接口。 人機接口有下述二個特點： 專用性。根據(jù)對人機接口的專門要求，人機接口的設(shè)計方案要根據(jù)產(chǎn)品的要求而定。 低速性。外設(shè)的工作速度是較低的，設(shè)計時要考慮微機與外設(shè)的速度配合，提高制微機的工作效率,采用8031做控制微機，通過簡單輸入口74LS245設(shè)計出四位十進制輸入、BCD碼輸出的撥盤，若輸入1357這個數(shù),試畫出接口電路.

5、,例二: 撥盤與微機接口電路圖,輸入“1”則 B1 B2 B3 B4 分別對應(yīng)為 0 0 0 1,輸入“3”則 B5 B6 B7 B8 分別對應(yīng)為 0 0 1 1,輸入“5”則 B1 B2 B3 B4 分別對應(yīng)為 0 1 0 1,輸入“7”則 B5 B6 B7 B8 分別對應(yīng)為 0 1 1 1,矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)及接口電路,（1）LED顯示器的接口設(shè)計 發(fā)光二極管的接口方法 發(fā)光二極管具有體積小、亮度高、壽命長、價格低、接口電路簡單可靠等優(yōu)點。下圖是二個實際接口電路。,人機接口,發(fā)光二極管的接口電路,八段LED顯示器的結(jié)構(gòu)圖及與I / O口的接口電路,人機接口 八段LED的接口設(shè)計,采用8031

6、做控制機，要求通過74LS164串行通訊芯片控制八位LED靜態(tài)顯示器,試畫出接口電路。,串行通訊、多位靜態(tài)顯示LED接口電路,共陽極,GP16與CPU的接口電路,人機接口,（2）與GP16微型打印機接口,蜂鳴器電路,蜂鳴器音量較小，在噪聲較大的環(huán)境中通常采用揚聲器做聲音輸出，揚聲器要求以音頻信號驅(qū)動。 以集成電路產(chǎn)生音頻信號，經(jīng)放大后驅(qū)動揚聲器工作。,人機接口,在機電一體化產(chǎn)品中，被控對象所需要的驅(qū)動功率一般都比較大，而計算機發(fā)出的數(shù)字控制信號或經(jīng)D / A轉(zhuǎn)換后得到的模擬控制信號的功率都很小，因而必須經(jīng)過功率放大后才能用來驅(qū)動被控對象。 實現(xiàn)功率放大的接口電路被稱為功率接口電路。在控制微機和

7、 功率放大電路之間，人們常常使用光電隔離技術(shù)，下面首先介紹光電隔離器件。,功率接口,1、光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理及其隔離電路； 2、數(shù)字量輸入通道中幾種典型電路； 3、數(shù)字量輸出通道幾種典型驅(qū)動電路；,學(xué)習(xí)要點,在微機控制系統(tǒng)中，除了要處理模擬量信號以外，還要處理另一類數(shù)字信號，包括開關(guān)信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“1”和“0”或電平的高和低出現(xiàn)的。如開關(guān)觸點的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器或接觸器的吸合和釋放，馬達(dá)的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關(guān)閉，儀器儀表的 BCD 碼，以及脈沖信號的計數(shù)和定時等等 。,引言,1 光電耦合隔離技術(shù),主要知識點,（1） 光電耦合隔離器

8、 （2） 光電耦合隔離電路,光電耦合隔離器按其輸出級不同可分為三極管型、單向晶閘管型、雙向晶閘管型等幾種，如圖1所示。它們的原理是相同的，即都是通過電光電這種信號轉(zhuǎn)換，利用光信號的傳送不受電磁場的干擾而完成隔離功能的。,現(xiàn)以最簡單的三極管型光電耦合隔離器為例來說明它的結(jié)構(gòu)原理，如圖 2 所示。,圖2 光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理,光電耦合隔離器的輸入輸出類似普通三極管的輸入輸出特性，即存在著截止區(qū)、飽和區(qū)與線性區(qū)三部分。利用光耦隔離器的開關(guān)特性（即光敏三極管工作在截止區(qū)、飽和區(qū)），可傳送數(shù)字信號而隔離電磁干擾，簡稱對數(shù)字信號進行隔離。例如在數(shù)字量輸入輸出通道中，以及在模擬量輸入輸出通道中的A/D轉(zhuǎn)

9、換器與CPU或CPU與D/A轉(zhuǎn)換器之間的數(shù)字信號的耦合傳送，都可用光耦的這種開關(guān)特性對數(shù)字信號進行隔離。,要注意的是，用于驅(qū)動發(fā)光管的電源與驅(qū)動光敏管的電源不應(yīng)是共地的同一個電源，必須分開單獨供電，才能有效避免輸出端與輸入端相互間的反饋和干擾.因此，利用光耦隔離器可用來傳遞信號而有效地隔離電磁場的電干擾。 為了適應(yīng)計算機控制系統(tǒng)的需求，目前已生產(chǎn)出各種集成的多路光耦隔離器，如TLP系列就是常用的一種。,數(shù)字量同相傳遞如圖3（a）所示，光耦的輸入正端接正電源，輸入負(fù)端接到與數(shù)據(jù)總線相連的數(shù)據(jù)緩沖器上，光耦的集電極c端通過電阻接另一個正電源，發(fā)射極e端直接接地，光耦輸出端即從集電極c端引出。當(dāng)數(shù)據(jù)

10、線為低電平“0”時，發(fā)光管導(dǎo)通且發(fā)光，使得光敏管導(dǎo)通，輸出c端接地而獲得低電平“0”；當(dāng)數(shù)據(jù)線為高電平“1”時，發(fā)光管截止不發(fā)光，則光敏管也截止使輸出c端從電源處獲得高電平“1”。如此，完成了數(shù)字信號的同相傳遞。,2 光電耦合隔離電路,數(shù)字量反相傳遞如圖3（b）所示，與（a）不同的是光耦的集電極 c 端直接接另一個正電源，而發(fā)射極 e 端通過電阻接地，則光耦輸出端從發(fā)射極 e 端引出。從而完成了數(shù)字信號的反相傳遞。,3 數(shù)字量輸入通道,主要知識點,（1） 開關(guān)輸入電路 （2） 脈沖計數(shù)電路,凡在電路中起到通、斷作用的各種按鈕、觸點、開關(guān)，其端子引出均統(tǒng)稱為開關(guān)信號。在開關(guān)輸入電路中，主要是考慮

11、信號調(diào)理技術(shù)，如電平轉(zhuǎn)換，RC濾波，過電壓保護，反電壓保護，光電隔離等。 （1）電平轉(zhuǎn)換是用電阻分壓法把現(xiàn)場的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。 （2）RC濾波是用RC濾波器濾出高頻干擾。 （3）過電壓保護是用穩(wěn)壓管和限流電阻作過電壓保護；用穩(wěn)壓管或壓敏電阻把瞬態(tài)尖峰電壓箝位在安全電平上。 （4）反電壓保護是串聯(lián)一個二極管防止反極性電壓輸入。 （5）光電隔離用光耦隔離器實現(xiàn)計算機與外部的完全電隔離。,（1） 開關(guān)輸入電路,典型的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路如圖4所示。點劃線右邊是由開關(guān)S與電源組成的外部電路，（a）是直流輸入電路，（b）是交流輸入電路。交流輸入電路比直流輸入電路多一個降壓電容和整流橋塊，可把高

12、壓交流(如380VAC)變換為低壓直流(如5VDC)。開關(guān)S的狀態(tài)經(jīng)RC濾波、穩(wěn)壓管D1箝位保護、電阻R2限流、二極管D2防止反極性電壓輸入以及光耦隔離等措施處理后送至輸入緩沖器，主機通過執(zhí)行輸入指令便可讀取開關(guān)S的狀態(tài)。比如,當(dāng)開關(guān)S閉合時，輸入回路有電流流過，光耦中的發(fā)光管發(fā)光，光敏管導(dǎo)通，數(shù)據(jù)線上為低電平，即輸入信號為“0”對應(yīng)外電路開關(guān)S的閉合；反之，開關(guān)S斷開，光耦中的發(fā)光管無電流流過，光敏管截止，數(shù)據(jù)線上為高電平，即輸入信號為“1”對應(yīng)外電路開關(guān)S的斷開。,（2 ） 脈沖計數(shù)電路,有些用于檢測流量、轉(zhuǎn)速的傳感器發(fā)出的是脈沖頻率信號，對于大量程可以設(shè)計一種定時計數(shù)輸入接口電路，即在一

13、定的采樣時間內(nèi)統(tǒng)計輸入的脈沖個數(shù)，然后根據(jù)傳感器的比例系數(shù)可換算出所檢測的物理量。,圖5為一種定時計數(shù)輸入接口電路，傳感器發(fā)出的脈沖頻率信號，經(jīng)過簡單的信號調(diào)理，引到8254芯片的計數(shù)通道1的CLK1口。8254是具有3個16位計數(shù)器通道的可編程計數(shù)器/定時器。圖中，計數(shù)通道0工作于模式3，CLK0用于接收系統(tǒng)時鐘脈沖，OUT0輸出一個周期為系統(tǒng)時鐘脈沖N倍（N為通道0的計數(shù)初值）的連續(xù)方波脈沖，其高、低電平時段是計數(shù)通道1的采樣時間和采樣間隔時間，分別記為TS、TW；計數(shù)通道1和2均選為工作模式2，且OUT1串接到CLK2，使兩者構(gòu)成一個計數(shù)長度為232的脈沖計數(shù)器，以對TS內(nèi)的輸入脈沖計數(shù)

14、。 如果獲得TS時間內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)為n，則單位時間內(nèi)的脈沖個數(shù)即脈沖頻率為n/TS，從而可換算出介質(zhì)的流量或電機的轉(zhuǎn)速值。比如，發(fā)出脈沖頻率信號的是渦輪流量計或磁電式速度傳感器，它們的脈沖當(dāng)量(即一個脈沖相當(dāng)?shù)牧髁炕蜣D(zhuǎn)數(shù))為K，則介質(zhì)的流量或電機的轉(zhuǎn)數(shù)就為n/TSK。,4 數(shù)字量輸出通道,主要知識點,引言 （1） 三極管驅(qū)動電路 （2） 繼電器驅(qū)動電路 （3） 晶閘管驅(qū)動電路 （4） 固態(tài)繼電器驅(qū)動電路,引言,數(shù)字量輸出通道簡稱 DO 通道，它的任務(wù)是把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進行控制的數(shù)字驅(qū)動信號。根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等，可以選用不同的

15、功率放大器件構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。,對于低壓情況下的小電流開關(guān)量，用功率三極管就可作開關(guān)驅(qū)動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。,（1） 三極管驅(qū)動電路,1 .普通三極管驅(qū)動電路,當(dāng)驅(qū)動電流只有十幾 mA或幾十 mA時，只要采用一個普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動電路，如圖 6所示。,2. 達(dá)林頓驅(qū)動電路,當(dāng)驅(qū)動電流需要達(dá)到幾百毫安時，如驅(qū)動中功率繼電器、電磁開關(guān)等裝置，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達(dá)林頓陣列驅(qū)動器是由多對兩個三極管組成的達(dá)林頓復(fù)合管構(gòu)成，它具有高輸

16、入阻抗、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點，同時多對復(fù)合管也非常適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負(fù)荷。,圖7給出達(dá)林頓陣列驅(qū)動器MC1416的結(jié)構(gòu)圖與每對復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MC1416內(nèi)含7對達(dá)林頓復(fù)合管，每個復(fù)合管的集電極電流可達(dá)500mA，截止時能承受100V電壓，其輸入輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制高電位上發(fā)生的正向過沖，D1、D3可抑制低電平上的負(fù)向過沖。,圖 8為達(dá)林頓陣列驅(qū)動中的一路驅(qū)動電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di 輸出數(shù)字“0”即低電平時，經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?，使達(dá)林頓復(fù)合管導(dǎo)通，產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅(qū)動負(fù)載線圈，而且利用復(fù)合管內(nèi)的保護二極管構(gòu)成了負(fù)荷

17、線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。,3. 繼電器驅(qū)動電路,電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備。,繼電器原理圖,繼電器驅(qū)動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。,常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。由于繼電器線圈需要一定的電流才能動作，所以必須采取措施加以驅(qū)動。,繼電器的驅(qū)動電路 驅(qū)動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和

18、電流而定，一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。,圖9為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”即高電平時，經(jīng)7406反相驅(qū)動器變?yōu)榈碗娖?，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，動合觸點閉合，從而驅(qū)動大型負(fù)荷設(shè)備。 由于繼電器線圈是電感性負(fù)載，當(dāng)電路突然關(guān)斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅(qū)動器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。,4 晶閘管驅(qū)動電路,晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導(dǎo)體器件，具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、

19、隨動系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。,晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖4-10所示，（a）為單向晶閘管，有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。當(dāng)陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。單向晶閘管具有單向?qū)щ姽δ?，在控制系統(tǒng)中多用于直流大電流場合，也可在交流系統(tǒng)中用于大功率整流回路。,圖4-10晶閘管的結(jié)構(gòu)符號,雙向晶閘管也叫三端雙向可控硅，在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但共享一個控制極，結(jié)構(gòu)如圖（b）所示。當(dāng)兩個電極T1、T2之間的電壓大于1.5V時

20、，不論極性如何，便可利用控制極G觸發(fā)電流控制其導(dǎo)通。雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ埽虼颂貏e適用于交流大電流場合。,晶閘管常用于高電壓大電流的負(fù)載，不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施。圖4-11為經(jīng)光耦隔離的雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路，當(dāng)CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”時，經(jīng)7406反相變?yōu)榈碗娖?，光耦二極管導(dǎo)通，使光敏晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而驅(qū)動大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。,5. 固態(tài)繼電器驅(qū)動電路,固態(tài)繼電器SSR Solid State Relay是一種新型的無觸點開關(guān)的電子繼電器，它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制回路與負(fù)載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或

21、觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢。,固態(tài)繼電器SSR是一個四端組件，有兩個輸入端、兩個輸出端，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于圖11中的晶閘管輸出驅(qū)動電路。圖12所示為其結(jié)構(gòu)原理圖，共由五部分組成。光耦隔離電路的作用是在輸入與輸出之間起信號傳遞作用，同時使兩端在電氣上完全隔離；控制觸發(fā)電路是為后級提供一個觸發(fā)信號，使電子開關(guān)（三極管或晶閘管）能可靠地導(dǎo)通；電子開關(guān)電路用來接通或關(guān)斷直流或交流負(fù)載電源；吸收保護電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關(guān)電

22、路產(chǎn)生干擾造成開關(guān)的誤動作或損害，一般由RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和壓敏電阻組成；零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設(shè)置的。,圖12 SSR結(jié)構(gòu)原理及符號,SSR的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電路兼容，輸出端利用器件內(nèi)的電子開關(guān)來接通和斷開負(fù)載。工作時只要在輸入端施加一定的弱電信號，就可以控制輸出端大電流負(fù)載的通斷。 SSR的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱為直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為功率三極管，交流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為雙向晶閘管。而交流型SSR按控制觸發(fā)方式不同又可分為過零型和移相型兩種，其中應(yīng)用最廣泛的是過零型。,過零型交流SSR是指當(dāng)輸入端加入控制信號后，

23、需等待負(fù)載電源電壓過零時，SSR才為導(dǎo)通狀態(tài)；而斷開控制信號后，也要等待交流電壓過零時，SSR才為斷開狀態(tài)。移相型交流SSR的斷開條件同過零型交流SSR，但其導(dǎo)通條件簡單，只要加入控制信號，不管負(fù)載電流相位如何，立即導(dǎo)通。 直流型SSR的輸入控制信號與輸出完全同步。直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般取輸入電壓為4-32V，輸入電流5-10mA。它的輸出端為晶體管輸出，輸出工作電壓為30-180 V。,交流型SSR主要用于交流大功率控制。一般取輸入電壓為4-32V，輸入電流小于500mA。它的輸出端為雙向晶閘管，一般額定電流在1A-10A范圍內(nèi)，電壓多為380V或220V。圖13為一種常用的固態(tài)繼電器驅(qū)動電路，當(dāng)數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“0”時，經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?，使NPN型三極管導(dǎo)通, SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負(fù)荷設(shè)備RL。,當(dāng)然，在實際使用中，要特別注意固態(tài)繼電器的過電流與過電壓保護以及浪涌電流的承受等工程問