单片机应用技术 （C语言版） 第10章 单片机测控接口

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1 单片机应用技术 （C语言版） 第10章 单片机测控接口
2019/5/25

2 第10章 单片机测控接口 目 录 10.1 AD转换器及与单片机的接口 10.2 ADC0809模数转换器
第10章 单片机测控接口 目 录 10.1 AD转换器及与单片机的接口 10.2 ADC0809模数转换器 10.3 DAC0832数模转换器 10.4 开关量功率接口技术 10.5 开关量输入接口 2019/5/25

3 单片机最小系统 概念：单片机最小系统是指能使单片机工作的、由最少器件构成的系统。
作用：作为核心模块使用在不同的设计中。针对设计的要求，在最小系统的基础上扩展多种功能单元就可以完成不同的设计。 构成：一般应该包括单片机、时钟电路、复位电路。 3

4 51系列单片机的最小系统： 滤除高频噪声 复位电路 晶振电路 4

5 最小系统作为应用的核心，可以为用户扩展提供三总线：
地址总线（AB）：输出,传送单片机要访问的外设或者接口的地址信息，决定了单片机的最大寻址能力。 如果单片机提供16位地址总线，可以访问的地址空间为216，即64KB。 数据总线（DB）:双向, 用来传送数据信息。通过数据总线，单片机可以和内存或其它总线器件之间传送数据。数据总线的宽度决定了一次可以操作的数据位数。 控制总线（CB）:用来传送控制信号。每一个控制线上信号的传输方向是确定的、单向的，输入或者输出。 5

6 51单片机的三总线分配： 数据总线： P0口作为8位的数据总线 地址总线： P2口作为高8位地址线， P0口作为低8位地址线 控制总线：
ALE、/RD、/WR 6

7 单片机测控系统 单 片 计 算 机 图10.1 单片机用于测控系统框图 模拟量 温度 压力 流量 位移 ··· 开关量 继电器 电磁阀
图10.1 单片机用于测控系统框图 模拟量 温度 压力 流量 位移 ··· 开关量 继电器 电磁阀 行程开关 模拟设备 调速系统 测控对象 传感器 (一次仪表) 信号调理 (二次仪表) A/D转换 功率驱动 驱动 光电隔离 D/A转换 单 片 计 算 机 2019/5/25

8 10.1 A/D转换器与单片机接口 A/D转换器概述 A/D转换器在单片机控制系统中主要用于数据采集，提供被控对象的各种实时参数，以便单片机对被控对象进行监视。 A/D转换器的输出方式：有串行、并行方式，并且有些增强型的单片机在片内也集成有A/D转换器。 2019/5/25

9 （Analog to Digital Converter）
A/D转换器概述 （Analog to Digital Converter） ADC：将模拟量转换为数字量的器件。 模拟量：信号的幅值随时间的变化而连续变化的量。常采用10进制表示 数字量：用一系列0或1组成的二进制代码表示某个信号大小的量。 2019/5/25

10 补充： A/D转换过程：通过采样保持、量化和编码三个步骤完成。 采样保持：对输入信号模拟电压信号采样，采样结束后进入保持时间； 量化：在保持时间内将采样的电压量转化为数字量； 编码：将数字量按一定的编码形式给出转换结果。 2019/5/25

11 A/D转换器的分类： 逐次比较型 速度高、精度高 双积分型 速度低、精度高、抗干扰强 ∑－△型 介于以上二者之间
逐次比较型 速度高、精度高 双积分型 速度低、精度高、抗干扰强 ∑－△型 介于以上二者之间 电压/频率变换型(V/F) 计数原理 按转换原理 高速 ns 中速 s 低速 ms 按转换速度 8位 12位 16位 ··· 按转换位数 3位 3位半 按结果输出形式 二进制 BCD码 按数字编码方式 并行 串行 按接口 2019/5/25

12 分辨率说明AD转换器对输入信号的分辨能力
ADC的主要性能指标 1、分辨率：最低一位数字量变化引起幅度的变化量。（1LSB）。一般用AD转换器输出位数表示。 AD转换器能分辨输入信号的最小电压为 满量程模拟量/2数字量位数 分辨率说明AD转换器对输入信号的分辨能力 2019/5/25

13 例：若满量程模拟量为5V电压。 则分辨率为： 0000 0V 5V/24=5V/16 =0.313V 数字量为4bit 1111 5V
则分辨率为: 5V/28=5V/256 =0.0195V V V 数字量为8bit 2019/5/25

14 2、转换时间、转换速率 完成一次A/D转换所需要的时间， 它的倒数为转换速率(Hz)。 单位：KSPS，MSPS。 2019/5/25

15 3、量程误差:有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与理想AD的转移特性曲线之间的最大偏差。 理解：AD转换器位数固定后，并不会所有模拟电压都能用数字量精确表示。 举例：三位二进制AD转换器满量程值为7V，三位数字量有8种组合，若输入电压为0V，1V……7V，则三位数字量能精确表示，不出现量化误差； 如果输入电压为其它值，则会出现量化误差。如0.5,1.5等，此时量化误差为0.5V，为1/2LSB。 2019/5/25

16 量化误差通常为1LSB或0.5LSB，提高分辨率可减少量化误差。
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17 理解：由模拟误差和数字误差组成。模拟误差由器件质量决定，数字误差与ADC输出的数字量位数有关，位数越多，误差越小。
4、转换精度（Accuracy） 转换的输出值与理论值之差。 理解：由模拟误差和数字误差组成。模拟误差由器件质量决定，数字误差与ADC输出的数字量位数有关，位数越多，误差越小。 转换精度和分辨率有一定联系，但概念不同。位数多时，分辨率会提高。但温度漂移、线性不良等也对精度有影响。 2019/5/25

18 其它性能指标 线性度 通道数 采样保持 温度系数等 2019/5/25

19 Vin ------ 输入电压 Vref(+) Vref(-) ------参考电压
补充：A/D转换关系式(P189) A/D转换中， 输入模拟量与n位输出数字量的关系式： (Vin-Vref(-)) × (2n-1) Vref(+) - Vref(-) Do = INTEGER Vin 输入电压 Vref(+) Vref(-) 参考电压 2019/5/25

20 例：Vref(+) =5v， Vref(-) =0v, n=8，Vin=5v, 0v，2.5v
(5-0) × 255 5 - 0 Do= =255=FFH (0-0) × 255 5 - 0 Do= =00H (2.5-0) × 255 5 - 0 Do= =127.5=7FH 2019/5/25

21 AD0809输出的数为：D0=Vin*255/5=Vin*51
(Vin-Vref(-)) × (2n-1) Vref(+) - Vref(-) Do = INTEGER AD0809输出的数为：D0=Vin*255/5=Vin*51 当输入电压为5V 时，读得的数据为255 ;再乘以2，得510。 用510*98%得499,再将百位的小数点点亮，显示为４.99V， 显示值与输入值基本吻合。 用液晶或数码管显示的数为：Vin*51*2*98% =Vin*51*49/25 =D0*49/25 2019/5/25

22 10.2 ADC0809 1．ADC0809的片内结构及引脚功能 ADC0809是CMOS工艺，采用逐次比较法的8位A/D转换芯片。
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23 D0～D7：8位数字量输出端，与单片机直接连。 START：转换启动信号。上升沿时内部寄存器清0；下降沿时，开始AD转换。
引脚功能说明如下： IN0～IN7：8个通道的模拟输入端。 D0～D7：8位数字量输出端，与单片机直接连。 START：转换启动信号。上升沿时内部寄存器清0；下降沿时，开始AD转换。 A,B,C：地址线。用于对IN0～IN7通道上的一路模拟量选通输入。 ALE：地址锁存信号，高电平（上升沿）有效。 EOC：转换结束信号。（=0表示正在AD转换；=1表示AD转换结束。） OE：输出允许控制端。(=1，允许输出转换得到的信号。) CLOCK：时钟信号。（为640KHz的方波信号） VREF+和VREF-：A/D转换器的参考电压。 VCC 电源电压。 2019/5/25

24 ADC0809、ADC0808是8位逐次比较型，主要性能为： ▲ 分辨率为8位； ▲ 精度：ADC0809小于±1LSB
ADC0808小于1/2LSB，其余性能与ADC0809一样； ▲ 单+5V供电，模拟输入电压范围为0～+5V； ▲ 具有锁存控制的8路输入模拟开关； ▲ 可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容； ▲ 功耗为15mW； ▲ 不必进行零点和满刻度调整； ▲ 转换速度取决于芯片外接的时钟频率。 时钟频率范围：10～1280kHz。 典型值： 640kHz，转换时间约为100s。 2019/5/25

25 ADC0809内部结构 输入 转换 输出 AD启动→ ←时钟 转换结束EOC=1 模拟输入 数 字 输 出 输入地址 选择 地址锁存 电源地
参考电压 输出允许控制 输入 输出 转换 ADC0809内部结构 2019/5/25

26 表1 8位模拟开关功能表 C B A 输入通道号 IN0 1 IN1 IN2 … IN7 2019/5/25

27 2．ADC0809与单片机接口 ADC0809与单片机连接可采用查询方式，也可采用中断方式。下图为中断方式连接电路图。由于ADC0809片内有三态输出锁存器，因此可直接与单片机接口。 2019/5/25

28 ADC0809与89C51的连接 2019/5/25

29 补充：ADC0809应用说明（步骤） 1、ADC0809内部带有输出锁存器，可以与单片机直接相连； 2、初始化时，使START和OE信号全为低电平； 3、送要转化的哪一通道地址到A,B,C端口上； 4、在START端给出一个至少100ns宽的正脉冲信号； 5、根据EOC信号判断是否转换完毕； 6、当EOC为高电平时，给OE高电平，转换的数据就输出给单片机。 ADC0809举例 2019/5/25

30 D/A转换器 D/A转换器概述 1.定义：把数字信号转换成模拟信号的器件。 2.D/A转换器可以直接从MCS-51输入数字量，并转换成模拟量而推动执行机构动作，以控制被控实体工作。 2019/5/25

31 3.分类： T型电阻型 电流 电容型 脉宽调制型 电压 …….. 8位 串行 并行 12位 …… 按数据输入形式 按分辨率 (数字位数)
按模拟信号输出形式 按转换原理 (解码网络) 按数据输入形式 串行 并行 按分辨率 (数字位数) 8位 …… 12位 2019/5/25

32 DAC的主要性能指标 分辨率 精度 DA转换结果与理论值的误差；可表示为绝对误差和相对误差 。
输入给DAC的最小数字量变化引起的模拟量输出的变化。可用DAC的二进制位数表达。 精度 DA转换结果与理论值的误差；可表示为绝对误差和相对误差 。 与A/D转换器一样，精度和分辨率有一定联系，但概念不同。DAC的位数多时，分辨率会提高。但温度漂移、线性不良等的影响仍会使DAC的精度变差。 2019/5/25

33 转换速度 其它 输入数字量转换为模拟量的速度. 用建立时间（输出模拟量达到规定精度所需要的时间） 来表示。
DAC的转换速度主要由转换网络的延迟时间和运放的 电压变化率来决定。 其它 输出形式（电流、电压）、通道数、线性、温度漂移等。 2019/5/25

34 10.3.1 并行D/A转换器DAC0832 1、主要的特性参数如下： 分辨率为8位。 可与所有的单片机或微处理器直接接口。
电流型输出，稳定时间为1μs。 需要输出电压时，外接运放 可双缓冲、单缓冲或直通数据输入。 功耗低，约为20mW。 逻辑电平输入与TTL兼容。 单电源供电（+5V～+15V）。 2019/5/25

35 2、DAC0832的引脚 2019/5/25

36 WR1：输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效。 WR2：DAC寄存器的“写”选通信号，低电平有效。 XFER：数据传送信号，低电平有效。
D0～D7：数字量数据输入线。 ILE：数据锁存允许信号，高电平有效。 CS：片选端，低电平有效。 WR1：输入寄存器的“写”选通信号，低电平有效。 WR2：DAC寄存器的“写”选通信号，低电平有效。 XFER：数据传送信号，低电平有效。 VREF：基准电压输入线。 2019/5/25

37 Rfb：反馈信号输入线，片内已有反馈电阻（15KΩ）
IOUT1和IOUT2：电流输出线。IOUT1与IOUT2的和为常数， DAC寄存器的内容线性变化。一般在单极性输出时，IOUT2接地。 VCC：工作电源。 DGND：数字地。 AGND：模拟信号地。 2019/5/25

38 3、DAC0832的逻辑结构 2019/5/25

39 4、工作方式： 两个输入寄存器构成两级数据输入锁存。 两级锁存 单级锁存（一级锁存、一级直通） 直通（两级直通） 2019/5/25

40 D/A转换器输出计算公式 Vo 2N =Vref- + n( -Vref- Vref+ ) VO ------ 输出量
N-----DA转换位数 n-----输入数字量 例： Vref-=0v， Vref+=5v，N=8， Vo 28 = 0 + 128( -0 5 )=2.5v n=80H=128 Vo 28 = 0 + 255( -0 5 )=4.98v n=FFH=255 2019/5/25

41 10.3.2．DAC0832与单片机的接口 1、单缓冲器方式接口。 2019/5/25

42 2、双缓冲器同步方式接口 2019/5/25

43 直通方式举例 3、直通工作方式 数据一旦输入，就直接进行DA转换。 特点：两个输入寄存器不受控制。 D7 CS XFER WR1 WR2
DGND I OUT2 R FB LE Vcc V REF 5V AGND Vo P1 89C51 D0 DAC0832 OUT1 直通方式举例 特点：两个输入寄存器不受控制。 2019/5/25

44 10.4 开关量功率接口技术 在单片机控制系统中，单片机总要对被控对象实现控制操作。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对被控对象的输出通道接口。 后向通道的特点是弱电控制强电，即小信号输出实现大功率控制。常见的被控对象有电机、电磁开关等。 2019/5/25

45 1．继电器及接口 （1）单片机与继电器的接口。 2019/5/25

46 继电器是利用电磁原理、机电原理或其他方法（热电、光电等）实现电路中联结点的闭合或切断的控制元件。 继电器是用小电流或低电压去控制大电流或高电压的自动开关。
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47 一、继电器的特征 继电器不同于一般的开关，它具有自动控制的功能，继电器的动作是依靠输入的各种物理量（包括电量），当输入量达到规定值时，继电器的输出就会发生变化。
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48 二、继电器的分类 1、按动作原理或结构特征进行分类 （1）电磁式继电器：由控制电流通过线圈产生的电磁吸力驱动磁路中的可动部分来实现触点的通断或转换的一类继电器。
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49 （2）热继电器：利用热效应驱动执行机件动作。是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护的保护电器。
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50 （3）固态继电器（SSR）：用固态元件组装而成的新颖的无触点开关器件，它可以实现用微弱的控制信号对大电流的负载进行无触点的接通或断开。
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51 （4）时间继电器：是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。它的种类很多，有空气阻尼型、电磁型和电子型等。 此外，还有光电继电器，声继电器、压电陶瓷继电器、霍尔效应继电器等。
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52 2、按触点负载功率的大小分：微功率继电器（0. 1A、0. 2A）、小功率继电器（0
2、按触点负载功率的大小分：微功率继电器（0.1A、0.2A）、小功率继电器（0.5A、1A） 、中功率继电器（2A、5A） 、大功率继电器（>10A） 。 2019/5/25

53 3、按继电器的外形尺寸分： 微型继电器（最长边尺寸<10mm） 超小型继电器（10mm<最长边尺寸<25mm） 小型继电器（25mm<最长边尺寸<50mm） 大型继电器（最长边尺寸>50mm） 2019/5/25

54 2．光电耦合器（隔离器）件及驱动接口 光电耦合器，用以实现信号的传输，同时又可将系统与现场隔离开。 2019/5/25

55 光耦合器的种类很多，列出了几种常用的光耦合器。
光电二极管型光耦合器 达林顿型光耦合器 光电三极管型光耦合器 光隔离器 2019/5/25

56 补充：直流电机 2019/5/25

57 1、直流电机：把直流电能转变为机械能 2、直流电机的驱动：用单片机控制直流电机，需要加驱动电路，为直流电机提供足够大的驱动电流。 （1）三极管电流放大驱动电路（P199 图10.14） （2）达林顿驱动电路（ULN2003A，P200 图10.15） （3）电机专用驱动模块(L298) 2019/5/25

58 2019/5/25

59 2019/5/25

60 3、PWM信号：Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制信号），按一定规律改变脉冲序列的宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。 最常用的是矩形波PWM调制波
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61 当用单片机I/O口输出PWM信号时，可以采用以下三种方法： （1）利用软件延时 （2）利用定时器 （3）利用单片机自带的PWM调制器
直流电机举例 2019/5/25

62 本章小结 本章介绍了单片机应用系统配置中最常使用的A/D转换器、D/A转换器和开关器件的工作原理及其接口技术，并且详细说明每类接口的编程方法。 2019/5/25