单片机输入电路设计.ppt

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1、博士学位论文答辩,单片机基础知识与科技创新,2010年 10月,主讲人：王福忠 教授 电 话：,河南理工大学,本章内容,第四章单片机在大学生科技创新活动中的应用,大赛典型竞赛题目分析,单片机基础知识与科技创新,电源电路设计,输入通道电路设计,输出通道电路设计,人机接口电路设计,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,一、数字量输入接口设计 二、模拟量输入输出接口技术,是单片机与测控对象相连的部分，是应用系统的数据采集的输入通道。来自被控对象的现场信息按物理量的特征可分为模拟量和数字量两种。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,一、

2、数字量输入接口设计,1、光电耦合隔离器,光电耦合隔离器按其输出级不同可分为三极管型、单向晶闸管型、双向晶闸管型等几种，如图1所示。它们的原理是相同的，即都是通过电-光=电这种信号转换，利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔离功能的。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,一、数字量输入接口设计,2、数字量输入通道,（1）开关输入电路,凡在电路中起到通、断作用的各种按钮、触点、开关，其端子引出均统称为开关信号。在开关输入电路中，要考虑一下问题：1）电平转换：如把现场的电流信号转换为电压信号。2）RC滤波：用RC滤波器滤出高频干扰。3）过电压保护：用稳压管和限流电

3、阻作过电压保护；用稳压管或压敏电阻把瞬态尖峰电压箝位在安全电平上。4）反电压保护：串联一个二极管防止反极性电压输入。5）光电隔离：用光耦隔离器实现计算机与外部的完全电隔离。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,一、数字量输入接口设计,2、数字量输入通道,（1）开关输入电路,典型的开关量输入信号调理电路如图4所示。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,一、数字量输入接口设计,2、数字量输入通道,（2）脉冲计数电路,有些用于检测流量、转速的传感器发出的是脉冲频率信号，对于大量程可以设计一种定时计数输入接口电路，即在一定的采样时间内

4、统计输入的脉冲个数，然后根据传感器的比例系数可换算出所检测的物理量。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,一、数字量输入接口设计,2、数字量输入通道,（2）脉冲计数电路,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,1、基本概念,（1）采样:（数字）数据采集包含模拟信号量化过程。数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离散的。类似于从总体中抽样研究分布，故称采样。,以一定时间间隔对连续信号进行采样，使连续信号转换成时间上离散的脉冲序列。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,

5、二、模拟量输入接口技术,1、基本概念,（2）采样频率。为了不丢失被采样信号所携带的信息，实时采样的采样频率应满足采样定理（香农定理）的要求，当采样频率不满足采样定理时将产生信号混迭现象，使采样后波形中增加了额外的低频成分，造成失真，引起误差。在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的K倍，通常K1020。还应在A/D转换之前加入抗混迭模拟滤波器AF，滤掉多余的高频分量。香农定理：为使采样信号能够复现原连续信号，采样频率s和连续信号e(t)最高频率max之间的关系必须满足：s2max 或：T/max,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,

6、1、基本概念,（2）采样频率(推荐)工业过程变量采样周期：流量 0.5s 压力 1s 液位 2s 温度 5s,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,1、基本概念,（3）数据采集通道:由两部分组成：一是信号的滤波、放大、采样、保持、转换部分；二是单片机及其接口部分；如图所示。接口程序的任务为:对接口初始化，确定采样通道、采样频率、中断方式,启动A/D,读取结果,作前期数据处理，存入指定单元等。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,1、基本概念,（3）数据采集通道:-各元件的作用,传感

7、器及变换器：采集现场的各种信号，并变换成电信号(电压信号或电流信号)，以满足单片机的输入要求。现场信号有各种各样，有电信号，如电压、电流、电磁量等；也有非电量信号，如温度、湿度、压力、流量、位移量等，对于不同物理量应选择相应的传感器。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,1、基本概念,（3）数据采集通道:-各元件的作用,放大器：对传感器输出的微弱信号，进行放大处理处理成满足A/D转换要求的输入信号。如果传感器输出的信号满足A/D转换要求，可以省略。滤波器：减少来自各种工业现场的干扰信号。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生

8、科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,1、基本概念,（3）数据采集通道:-各元件的作用,采样保持器：在单片机的控制下，在某一个时刻采样模拟信号的值，并能保持该瞬时值，直到下一次重新采样。主要用于对一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换时，或对变化较快的信号。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,1、基本概念,（3）数据采集通道:-各元件的作用,多路转换开关：实现一个A/D转换器分时对多路模拟信号进行转换。如果是一个A/D转换器对用一个信号，可以省略。A/D转换器：实现模拟信号向数字转换，量化。,4.4 输入通道电路设计,第四

9、章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,（1）常用的温度传感器 1）热电偶温度传感器：是以热电效应为基础的，将任意两种不同的导体A-B组成一个闭合回路，只要它们的两个接点t1，t2的温度不同，在回路里就会产生热电动势，如图1所示：,在单片机应用中，常用的测量参数有温度，压力，湿度，液位，速度，位移等。我们对常用的传感器作一详细的介绍。,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,常用热电偶的代号，分度号及测量范围见表,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计

10、,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（1）常用的温度传感器 2）热电阻温度传感器：,它是利用铂电阻，铜电阻，热敏电阻的阻值随温度而变化的原理测量温度的，这一类传感器的适用范围在-200-+650C，有较高的灵敏度。常用的铂电阻传感器有Pt100，Pt100是指0C时铂电阻的电阻值为100。常用于-50-+650C范围。常用的铜电阻传感器有 Cu100和Cu50二种，是指0C时，铜电阻的电阻值为100和50。常用于-50-+150C范围。热敏电阻是一种利用一些金属氧化物按比例混合烧结成的电阻值随温度而变化的传感器。灵敏度高，体积小，反应快，使用寿命长。它适用的测

11、量范围为-50C-+300C。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入输出接口技术,（1）常用的温度传感器 2）热电阻温度传感器：,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（1）常用的温度传感器 3）半导体集成温度传感器,该传感器的线性度好，使用方便，可以直接输出电压信号，或电流信号，常用型号见下表,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟

12、量输入接口技术,（1）常用的温度传感器 3）半导体集成温度传感器,典型应用如图,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）常用的压力传感器 压力测量在工业、航空、航天、汽车、气象、海洋、医疗等方面有大量的应用，利用压力可以测量液体、水的高度和压力，可以测量血压、气体质量和重量等参数。压力（又称压强）的单位是帕（Pa），1帕=1牛/米2，常用千帕（KPa），兆帕（MPa）表示，工业上使用的压力单位有Kg/cm2和mmHg，mmHg几种。它们之间的关系见表1：,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,

13、4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）常用的压力传感器 各个压力（又称压强）的单位之间的关系见表1：,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）常用的压力传感器 1)压电传感器 在受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。根据这个效应研制出了压力传感器。压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况做不到.所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器中主要使用的压

14、电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）常用的压力传感器 1)压电传感器-主要应用 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。其结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等特点。在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力与真空度。可用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。既可测量大的压力，也可来测量微小的压

15、力。压电式传感器既可测量大的压力，也可测量微小的压力。在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）常用的压力传感器 2)其他压力传感器电容式压力传感器：利用被测压力使金属膜片之间的距离减少，电容量增加的原理制成的，可以测量液体和气体。硅压阻式压力传感器：硅压阻式压力传感器是利用的压阻效应制成的新型压力传感器，在一块单晶硅的基片上用扩散工艺制成的应变元件，在应变元件受到压力的作用，引起电阻值产生变化，在型硅品片上形成四个阻值相等的电阻条，构成一个惠斯电桥，特

16、点是体积小，系数度高，测量范围宽，精度高。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）常用的压力传感器 2)其他压力传感器电容式压力传感器：利用被测压力使金属膜片之间的距离减少，电容量增加的原理制成的，可以测量液体和气体。硅压阻式压力传感器：硅压阻式压力传感器是利用的压阻效应制成的新型压力传感器，在一块单晶硅的基片上用扩散工艺制成的应变元件，在应变元件受到压力的作用，引起电阻值产生变化，在型硅品片上形成四个阻值相等的电阻条，构成一个惠斯电桥，特点是体积小，系数度高，测量范围宽，精度高。,2、常用的

17、传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（3）热释电型红外传感器,它在接收到红外光线时，会随红外光的功率大小而输出电压信号，用于人体，火焰的检测，传感器的外形及电路如图6所示：,如图所示，传感器元件感受到红外光线后，产生电荷，通过FET放大器，转换成电压输出，窗口用于红外光线的射入。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（4）红外光电传感器,光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在

18、一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。检测电路能滤出有效信号和应用该信号。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（4）红外光电传感器-分类,槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，

19、在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（4）红外光电传感器-分类,对射型光电传感器 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检

20、测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（4）红外光电传感器-分类,反光板型光电开关：把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。扩散反射型光电开关:它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发

21、出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（4）红外光电传感器-应用例子,本图是利用光电传感器测量电机转速的一个应用。光线每照射到接收器件一次，接收器件就产生一个脉冲，经放大整形后，可以通过频率计计算出每分钟产生的脉冲数，即电机转速。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（5）湿度传感器,湿度传感器指

22、空气中所含的水蒸汽量，工业上，气象上常用相对湿度这一概念。相对湿度是指空气中实际水蒸汽与相同温度下饱和水蒸气的比值，用百分比表示。目前用得较多的是电容式湿度传感器，利用空气中水蒸气量的多少影响传感器的电容量来测量的。,MHS1100，MHS1101电容式相对湿度传感器。可以直接输出线性电压，有顶端接触（MHS1100）和侧面接触（MHS101）两种封装，它们外形结构如图9.9所示：,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（7）传感器选择问题：,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精

23、确度、测量方式等六个方面的问题。除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（7）传感器选择问题：,1）灵敏度：一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。2）响应特性：传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们总希望延迟的时间越短越好。3）线性范围：任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出

24、与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（7）传感器选择问题：,4）稳定性：稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5）精确度：精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。6）测量方式：传感器在实际条件下的工作方式。例如，接触与非接触测量、破

25、坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。,2、常用的传感器（变换器）及选择问题：,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（1）A/D转换器的主要性能指标：,1）分辨率：分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压的变化量。转换器的分辨率定义为满刻度电压与2n之比值，其中n为A/D转换器的位数，例如一个8位A/D转换器其分辨率为满刻度1/28，若满刻度电压为5V，则能分辨率的最小电压值为5/28=20mv。2）量化误差：是由于A/D转换的有限数字对模拟数值进行离散取值（量化）而引起的误差。单位为LSB

26、（Least Significant Bit）是数字量的最小有效位所表示的模拟量，提高分辨率可减少量化误差。量化误差和分辨率是统一的,3、A/D转换器的选择,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（1）A/D转换器的主要性能指标：,3）转换精度：表示实际A/D转换在量化值上与理想A/D转换器进行模/数转换的差值，可以用两个方式来表示：绝对精度：用最低位（LSB）的倍数表示，如1/2LSB等。用绝对精度除以满量程值的百分数来表示。4）转换时间与转换速率：转换时间为完成一次A/D转换所需要的时间，即从输入端加入信号到输出端出现相应数码的时间转

27、换时间越短，适应输入信号快速变化能力越强。转换速度是转换时间的倒数，,3、A/D转换器的选择,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）A/D转换器的选用的依据：,1）A/D转换器用于什么系统、输出的数据位数、系统的精度、线性；2）输入的模拟信号类型，包括模拟输入信号的范围、极性（单、双极性）、信号的驱动能力、信号的变化快慢；3）后续电路对A/D转换器输出数字逻辑电平的要求、输出方式（平行、串行或是穿成字的）、是否需数据锁存、与哪种CPU接 口或数字电路（三态门逻辑、TTL还是CMOS）、驱动电路；,3、A/D转换器的选择,4.4 输入通道电路设计,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,二、模拟量输入接口技术,（2）A/D转换器的选用的依据：,4）系统工作在动态条件还是静态条件、带宽要求、要求A/D转换器的转换时间、采样速率，是高速应用还是低速应用等；5）基准电压源的来源。基准电压源的幅度、极性及稳定性、电压是固定的还是可调的，外部提供还是A/D转换芯片内提供等；6）成本及芯片来源等因数。,3、A/D转换器的选择,谢谢大家！,敬请批评指正！,第四章 单片机在大学生科技创新活动中的应用,