常用机电接口技术 课件.ppt

,第7章常用机电接口技术,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,主要内容,7.1 单片机51的键盘显示接口,LED显示原理及接口电路设计键盘原理及接口电路设计,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.1.1 LED显示电路设计,（1）LED显示器原理及显示码,LED显示器（数码管）分类 常用的数码管可分为7段和“米”字段两种 从电气特性上可分为“共阴极”和“共阳极”两种,共阴极,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,为使LED显示不同的符号或数字，要为LED提供段码（或称字型码）。提供给LED显示器的段码（字型码）正好是一个字节（8段）。各段与字节中各位对应关系如下：,按上述格式，8段LED的段码如下表所示。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,LED段码表（8段）,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,注意：段码是相对的，它由各字段在字节中所处的位决定。例如前面表中8段LED段码是按格式：,而形成的，“0”的段码为3FH（共阴）。反之，如将格式改为下列格式：,则“0”的段码为7EH（共阴）。字型及段码由设计者自行设定，习惯上还是以“a”段对应段码的最低位。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.1.2 LED的静态显示,基本原理 多个数码管显示时，同时点亮显示，每一位数码管恒定的显示，不闪烁。 显示程序简单，但是要求较多的I/O口线 驱动电流较小,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,问题：同一个I/O口能否用以控制两个LED显示器？,当输入其中一个显示器的段码时，另一个显示器也同时有显示，因此一个I/O端口只能用于控制1个LED显示器，1台80C51单片机只能控制4个LED显示器。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,编程举例：分别用P0和P1口控制#0和#1两个共阴极LED显示器。设有两个9以内的无符号整数分别存放在片内RAM 30H和31H两个单元，编写程序显示这两个数。已知共阴极段码表为：,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,解：用查表程序,TAB: DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H ; 段码表 DB 6DH, 7DH, 07H, 7FH, 6FH,ORG 0100HMOV DPTR, #TABMOV A, 30HMOVC A, A+DPTR MOV P0, AMOV A, 31HMOVC A, A+DPTR MOV P1, ASJMP $,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.1.3 LED的动态显示,基本原理： 多个数码管显示时，依次循环点亮每一个数码管，利用人的视觉暂留看到整个显示内容，只有循环速度足够快，才不闪烁。 显示程序较复杂，但是节省I/O口线 驱动电流较大,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,例如，设#0和#1两个LED显示器均为共阴极显示器。MOV A, #0FEHMOV P3, AMOV P1, #0的段码RL AMOV P3, AMOV P1, #1的段码,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,原理：每个LED显示器的公共端各用一个端口位控制（控制字），用8个公共的端口位送数据（段码）。通过扫描的方式（逐个送），使n个LED显示器的公共端逐个有效，同时从公共的数据线（非公共端）送段码，从而使n个LED显示器逐个显示数字。,用两个端口可以使用8个LED显示器用三个端口可以使用16个LED显示器用四个端口可以使用24个LED显示器,LED显示器动态显示方式：各显示器逐个显示（不同时显示）一段时间(约500 us，扫描频率200Hz)，然后熄灭，在视觉上产生连续显示的错觉 。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,练习：设有4个10以内的数存放在片内RAM 首址为50H的数据块中，将该数据块的值显示出来 。设采用共阴极LED显示器，已有延时1ms的子程序DELAY。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,解：LED显示器程序一般采用查表的方法，将段码表放在ROM中,算法,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,LP : MOV A，R0 ；取数到A中 MOV P3，R2 ；送控制字 MOVC A，A+DPTR ；查相应的段码 MOV P1，A ；送出段码 LCALL DELAY ；调延时子程序 INC R0 ；数据块指针加1 MOV A，R2 RL A MOV R2，A ；控制字左移一位 DJNZ R3，LP ；若循环没结束，继续循环 SJMP $ ；若循环结束，停机,显示4个数的指令段：,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,MOV R0，#50H ；R0指向数据块MOV R2，#FEH ；设控制字初始值MOV R3，4 ；设循环次数MOV DPTR，#TAB ；设段码表的首地址,制段码表：,TAB ：DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DH DB 7DH, 07H, 7FH, 6FH, 77H, 7CH， DB 39H, 5EH, 79H, 71H,初始化：,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0100HMAIN: MOV R0，#50H ；R0指向数据块 MOV R2，#FEH ；设控制字初始值1111 1110B MOV R3，4 ；设循环次数 MOV DPTR，#TAB ；设段码表的首地址LP ：MOV A，R0 ；取数到A中 MOV P3，R2 ；送控制字 MOVC A，A+DPTR ；查相应的段码 MOV P1，A ；送出段码 LCALL DELAY ；调延时子程序，可延时1ms INC R0 ；数据块指针加1 MOV A，R2 RL A MOV R2，A ；控制字左移一位 DJNZ R3，LP ；若循环没结束，转下一次循环 SJMP $ ；若循环结束，停机 TAB ：DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H DB 7FH，6FH，77H，7CH，39H，5EH，79H，71H ；段码表，0F END,完整程序：,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,思考：1）用三个LED显示器显示十进制数3282）4*4键盘，键盘号0-15，用LED显示器显示闭合键的键号,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.1.2 键盘接口的设计,要点：,键盘的分类编码式：由专门的硬件（8279等）识别按下的键码。非编码式：依靠软件实现键码的识别。非编码键盘的结构独立式键盘矩阵式键盘软件实现按键识别的方法扫描法键盘使用中的注意事项键盘的抖动,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,键盘接口的工作原理,1.独立式键盘接口 各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可很容易判断那个键被按下。 此种接口适于键数较少或操作速度较高的场合。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,独立式键盘的检测方式,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,键盘的抖动问题,键盘的抖动抖动时间一般为510ms。为了保证CPU对键的闭合作一次，而且是仅作一次处理，必须消除抖动可采用软、硬件方法消除抖动。,*软件消抖原理1）判断是否有键按下；2）若有键按下，调用延时程序（延时时间大于10ms）；3）再次判断是否有键按下，并读入相应的键值.,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,(5) 键盘应用举例,a.硬件设计:,例1：用80C51 P1口构成一个3键的独立式键盘,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,IO51K8: MOV P1, #0FFH ; 置P1口为输入端口 MOV A, P1 ；查询P1口状态 JNB ACC.0, PROM0 JNB ACC.1, PROM1 JNB ACC.2, PROM2 SJMP IO51K/*以上均为键盘输入处理程序*/,键盘管理程序包括键输入处理程序和键操作程序,PROM0： LJMP IO51K8PROM1： LJMP IO51K8PROM2： LJMP IO51K8/*以上为键操作程序*/,b.软件设计（键盘管理程序）,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,IO51K8：MOV P1, #0FFHMOV A, P1 ;查询P1口状态CPL AJZ IO51K8LCALL D10MS ;调延时子程序，延时10ms MOV A, P1 ; 再次查询P1口状态 JNB ACC.0, PROM0JNB ACC.1, PROM1JNB ACC.2, PROM2SJMP IO51K8,练习：在上述程序的基础上增加按键的消抖处理。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,PGM0： LJMP IO51K8PGM1： LJMP IO51K8PGM2： LJMP IO51K8,D10MS： ；延时子程序RET,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,主要内容,7.2 单片机模拟量的输入与输出接口,概述ADC的基本原理及性能指标A/D转换的实现（ADC0809）A/D转换的实现（LM331）DAC的基本原理及性能指标D/A转换的实现（DAC0832）,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.2.1 概述,非电物理量（温度、压力、流量、速度等），须经传感器转换成模拟电信号（电压或电流），必须转换成数字量，才能在单片机中处理。,数字量，也常常需要转换为模拟信号。,A/D转换器（ADC）：模拟量数字量的器件，D/A转换器（DAC）：数字量模拟量的器件。 只需合理选用商品化的大规模ADC、DAC芯片，了解引脚及功能以及与单片机的接口设计。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.2.2 ADC的基本原理及性能指标,模拟量转换成数字量，便于计算机进行处理。,随着超大规模集成电路制造技术的飞速发展，大量结构不同、性能各异的A/D转换芯片应运而生。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,1.A/D转换器的分类,根据转换原理可将A/D转换器分成两大类（1）直接型A/D转换器（2）间接型A/D转换器。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,常见的A/D转换器工作原理,逐次逼近式A/D转换器 将输入模拟信号与推测信号比较，调节推测信号逼近输入信号，直至两者相等双积分式A/D转换器 采用输入模拟信号与标准电压反向积分的方法，完成模拟信号的转换V/F变换式A/D转换器 将输入模拟信号转化为线性对应的频率信号，通过测量频率实现模拟信号的转化,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,应用特点,逐次比较型：精度、速度和价格都适中，是最常用的A/D转换器件。双积分型：精度高、抗干扰性好、价格低廉，但转换速度慢，得到广泛应用。V/F转换型：适于转换速度要求不太高，远距离信号传输。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,2. A/D转换器的主要技术指标,(1)转换时间和转换速率完成一次转换所需要的时间。转换时间的倒数为转换速率。 并行式：2050ns，速率为5020M次/s（1M=106）； 逐次比较式：0.4s，速率为2.5M次/s。,(2) 分辨率用输出二进制位数或BCD码位数表示。例如AD574，二进制12位，即用212个数进行量化，分辨率为1LSB，百分数表示1/212=0.24。又如双积分式A/D转换器MC14433, 分辨率为三位半。若满字位为1999，其分辨率为1/1999=0.05%。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,（3）转换精度定义为一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差值。可用绝对误差或相对误差表示。绝对精度在转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想电压值之差的最大值称为绝对精度相对精度用绝对精度的百分数表示,量化过程引起的误差为量化误差，是由于有限位数字对模拟量进行量化而引起的误差。量化误差理论上规定为1个单位分辨率，提高分辨率可减少量化误差。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,3 A/D转换器的选择,按输出代码的有效位数分:8位、10位、12位等。,按转换速度分为超高速（1ns）、高速（1s）、中速（1ms）、低速（1s）等。,A/D转换器的发展趋势：为适应系统集成需要，将多路转换开关、时钟电路、基准电压源、二/十进制译码器和转换电路集成在一个芯片内，为用户提供方便。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.2.3 MCS-51与ADC 0809的接口,逐次逼近式A/D转换器基本原理：,推测信号由D/A转换器输出获得比较器输出决定每一位的锁存状态完成所有位的比较后，D/A转换器输入即为A/D转换器的输出,逐次逼近式A/D转换器工作原理图,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ADC0809接口电路设计及软件编程,ADC0809芯片结构ADC0809功能及管脚ADC0809与8031接口电路设计1及软件编程ADC0809与8031接口电路设计2及软件编程,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ADC0809功能特点为:,分辨率为8位ADC0808最大不可调误差1/2LSB，ADC0809最大不可调误差1LSB模拟输入电压范围为05V，单电源供电锁存控制的8路模拟开关转换速度取决于芯片的时钟频率，其范围101280KHz，当频率为500KHz时，转换速度为128us,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ADC0809,逐次逼近式8路模拟输入（由A、B、C控制切换）、8位输出的A/D转换器。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,共28脚，双列直插式封装。主要引脚功能如下：,(1)IN0IN7：8路模拟信号输入端。(2) D0D7：8位数字量输出端。(3) C 、B 、A：控制8路模拟通道的切换，C、B、A=000111分别对应IN0IN7通道。(4) OE、START、CLK：控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。(5)VR(+)和VR(-)：参考电压输入端。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ADC0809结构框图,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ADC 0809操作时序,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ADC0809编程要点,选通模拟量输入通道发出启动信号 判断转换结束，发出OE信号 1. 用查询EOC状态 2.中断方法 3.初学阶段可以采用延时的方法读取转换结果,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,接口示例1,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,ADC0809与80C51的连接。8路模拟通道选择信号A、B、C分别接最低3位地址A0、A1、A2（即P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为FEF8HFEFFH,接线示例2,D触发器二分频原理,*启动AD接口设计*转换完成判断*转换时钟的提供，51单片机晶振6M*模拟通道的选择,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,例：用接口2，编程采集ADC0809上8个通道的模拟电压一遍数字量，并送入内部RAM以30H为始址的输入缓冲区。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,主程序：ORG 0000HAJMP MAIN ORG 0013HAJMP CINT1ORG 0100HMAIN:SETB EASETB EX1SETB IT1 ; 设置INT1为边沿触发方式MOV R1, #30H ; 设指向片内缓冲区的指针MOV R7, #8; 设循环次数MOV R2, #00H ; 设IN0地址MOV R0, #0F0H; 设端口地址MOV A, R2；MOVX R0, A ; 启动转换SJMP $,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,子程序：ORG 0200HCINT1：MOVX A, R0 ; 数字量取入单片机 MOV R1, A ; 数字量送入缓冲区 INC R1 ; R1指向下一个存储单元 INC R2 ; R2指向下一个模拟量 MOV A, R2 MOVX R0, A ; 启动下一路转换,DJNZ R7, LOOP CLR EX1LOOP: RETI END,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,DA转换的实现,DA转换的基础知识DAC0832芯片结构DAC0832功能及管脚DAC0832与8031双缓冲接口电路设计及软件编程DAC0832与8031单缓冲接口电路设计及软件编程,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,7.2.3 DAC的基本原理及性能指标,概述 输入：数字量，输出：模拟量。 转换过程：送到DAC的各位二进制数按其权的大小转换为相应的模拟分量，再把各模拟分量叠加，其和就是D/A转换的结果。 使用D/A转换器时，要注意区分: * D/A转换器的输出形式; * 内部是否带有锁存器。输出形式 两种输出形式：电压输出形式与电流输出形式。电流输出的D/A转换器，如需模拟电压输出，可在其输出端加一个I-V转换电路。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,（2）D/A转换器内部是否带有锁存器 D/A转换需要一定时间，这段时间内输入端的数字量应稳定，为此应在数字量输入端之前设置锁存器，以提供数据锁存功能。根据芯片内是否带有锁存器，可分为内部无锁存器的和内部有锁存器的两类。* 内部无锁存器的D/A转换器 可与P1、P2口直接相接（因P1口和P2口的输出有锁存功能）。但与P0口相接，需增加锁存器。* 内部带有锁存器的D/A转换器 可与MCS-51的P0口直接相接。目前有的D/A转换器内部不但有锁存器，还包括地址译码电路，有的还有双重或多重的数据缓冲电路,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,2.主要技术指标,(1)分辨率 输入给DAC的单位数字量变化引起的模拟量输出的变化，通常定义为输出满刻度时的模拟量值与2n之比。显然，二进制位数越多，分辨率越高。 例如，若满量程为10V，根据定义则分辨率为10V/2n。 设8位D/A转换，即n=8，分辨率为10V/2n=39.1mV，该值占满量程的0.391%，用1LSB表示。同理：10位D/A：1 LSB=9.77mV=0.1% 满量程 12位D/A：1 LSB=2.44mV=0.024% 满量程 根据对DAC分辨率的需要,来选定DAC的位数。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,(2)建立时间描述DAC转换快慢的参数,表明转换速度。定义：为从输入数字量到输出达到终值误差(1/2)LSB(最低有效位)时所需的时间。电流输出时间较短，电压输出的，还要加上I-V转换的时间，因此建立时间要长一些。快速DAC可达1s以下。（3）精度 理想情况，精度与分辨率基本一致，位数越多精度越高。但由于电源电压、参考电压、电阻等各种因素存在着误差，精度与分辨率并不完全一致。 位数相同，分辨率则相同，但相同位数的不同转换器精度会有所不同。例如，某型号的8位DAC精度为0.19%，另一型号的8位DAC精度为0.05%。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,D/A转换的基本原理,D/A转换器可分为两大类 直接D/A转换器 间接D/A转换器，例如PWM输出,权电流D/A转换器（直接D/A转换器）,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,MCS-51与DAC0832的接口,1. DAC0832芯片介绍,(1)DAC0832的特性,美国国家半导体公司产品，具有两个输入数据寄存器的8位DAC,能直接与MCS-51单片机相连。主要特性如下：,电流输出，稳定时间为1s；分辨率为8位；可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；单一电源供电（+5+15V）；,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,（2）DAC0832的引脚及逻辑结构,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,DAC0832的逻辑结构：,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,引脚功能：,DI0DI7：8位数字信号输入端CS*：片选端ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效。WR1*：输入寄存器写选通控制端。当CS*=0、ILE=1、WR1*=0时，数据信号被锁存在输入寄存器中XFER*：数据传送控制WR2* ：DAC寄存器写选通控制端。当XFER*=0，WR2* =0时，输入寄存器的数据锁存入DAC寄存器中。IOUT1：电流输出1端，输入数字量全“1”时，IOUT1最大，输入数字量全为“0”时，IOUT1最小。,IOUT2：D/A转换器电流输出2端，IOUT2+IOUT1=常数。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,Rfb：外部反馈信号输入端，内部已有反馈电阻Rfb，根据需要也可外接反馈电阻。VREF：基准电源输入Vcc：电源输入端，可在+5V+15V范围内。DGND：数字信号地。AGND：模拟信号地。,“8位输入寄存器”用于存放CPU送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由LE1*控制；“8位DAC寄存器”存放待转换的数字量，由LE2*控制；“8位D/A转换电路”由T型电阻网络和电子开关组成，T型电阻网络输出和数字量成正比的模拟电流。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,2.DAC的应用,采取何种形式接口与DAC的具体应用有关。,单极性电压输出 单极性模拟电压输出，具体例子,输出电压Vout与输入数字量B的关系:,Vout= （B/256）*VRFE,输入数字量B为0时，Vout也为0，输入数字量B为255时，Vout为最大值,单极性。,式中，B=b727+ b626+ b121+ b020；,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,（2）双极性电压输出,Vout=（B128）*（VREF/128）,在选用+VREF时，（1）若输入数字量b71，则Vout为正；（2）若输入数字量b70，则Vout为负。在选用-VREF时，Vout与+VREF时极性相反。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,缓冲2：WR2(平)、XFER(平)有效，则数字量从输入寄存器进入8位DAC寄存器，同时输入8位D/A转换电路转换。,1.4 单片机与DAC0832接线1.4.1 单缓冲方式,单缓冲方式接线,调零电路,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,应用举例：按照上图的单缓冲方式的接线图，编程实现下图(a)所示的锯齿波，设VREF=5V。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,解：分析：电压由0V逐渐增大到5V，这个过程循环。 而,算法：数字量由0逐渐增大到溢出，这个过程循环。,若输出数字量B由0逐渐增大到最大值，则输出电压Vout由0逐渐减小到绝对值最大的负值。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,DAC0832的地址分析： 由硬件电路接线图可知，WR2、XFER、ILE一直有效，WR1用单片机的WR信号控制，CS用单片机的地址选择，则使CS有效的地址就是DAC0832的地址。地址高8位为任意值，图中已标明高地址低8位为FEH，则地址不唯一，00FEH为其中一个地址，选用该地址。 又因为WR1用单片机的WR信号控制，则用写片外RAM的指令将数字量输出到DAC0832。（将外设当作片外RAM处理）,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,程序： ORG 1000H MOV A, #00H; 数字量赋初值START: MOV R0, #0FEH; 设置DAC0832的地址 MOVX R0, A; 输出电压 INC A; 数字量递增 SJMP START; 循环 END,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,讨论：1）+5V时的实际输出电压为 相对误差为0.4%； 2）锯齿波的下降斜线实际为256个小台阶； 3）该程序产生的锯齿波的频率由循环体执 行时间决定； 4）若在循环体内增加一条INC A指令，则 锯齿波频率会增大；若在循环体内增加 一条NOP指令，则锯齿波频率会减小。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,练习：条件如上例，要求编程生成图(b)所示的三角波。,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,1.4.2 双缓冲方式,单片机及接口技术 第七章 机电接口技术,END,