第18講：單片機系統(tǒng)的后向通道(過程輸出通道)與接口(1)

1、單片機與控制技術(shù)單片機與控制技術(shù)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(yīng)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(zhuǎn)換、F/V頻壓轉(zhuǎn)換等） 2）小信號的輸入，大功率的輸出。（輸出驅(qū)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(shè)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(gòu)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(nèi)容：l 數(shù)字量輸出通道（輸出鎖存光電隔離輸出驅(qū)動）l 模擬量輸出通道，包括： D/A轉(zhuǎn)換（）、F/V轉(zhuǎn)換； 模擬信號光電隔離； 信號傳輸（V/I變換）電路； 執(zhí)行機構(gòu) 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(qū)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(qū)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(qū)動電路（驅(qū)動大功率負載）1）功率晶體管輸出驅(qū)動繼電器電路2）達林頓陣列輸出驅(qū)動繼電器電路（MC1416內(nèi)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(jié)構(gòu)一個輸出通道占用一個D/A轉(zhuǎn)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(yīng)答信號。常用器件如8155、8255等。 D/A轉(zhuǎn)換器：其作用是數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，下一節(jié)中將專門講述具體內(nèi)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(cè)隔離，另外可將隔離級到D/A轉(zhuǎn)換器之前，構(gòu)成數(shù)字側(cè)隔離。 輸出級（信號的傳輸）：由運算放大器、V/I轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成調(diào)整機構(gòu)的動作，使生產(chǎn)過程按照預(yù)先規(guī)定的要求正常進行 多個輸出通道共享D/A轉(zhuǎn)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(fù)雜信號光電隔離模擬光電隔離極性轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)自由設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路 輸入電壓Vin經(jīng)R1進入運算放大器A，經(jīng)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(guān)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(zhuǎn)換器（ ZF2B20/21 ） ZF2B20/21電壓/電流轉(zhuǎn)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(nèi)，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(yīng)時間小于25ms。 利用2B20/21實現(xiàn)V/I轉(zhuǎn)換只需外接很少的調(diào)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(zhuǎn)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(gòu)執(zhí)行機構(gòu)（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(zhuǎn)換成調(diào)整機構(gòu)的動作,使生產(chǎn)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(chǎn)帶來許多困難,甚至造成嚴重的生產(chǎn)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(qū)動電路晶閘管a）晶閘管結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

9、符號。b）單片機驅(qū)動晶閘管接口）單片機驅(qū)動晶閘管接口由于SCR通常用來控制交流高電壓開關(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)。當施加觸發(fā)信號后其主回路呈導(dǎo)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(guān)系波形。 c） SSR輸入端的驅(qū)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(qū)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(yīng)在負載兩端并聯(lián)一只二極管。二極管電流應(yīng)等于工作電流，電壓應(yīng)大于工作電壓的4倍 。且SSR應(yīng)盡量靠近負載。 大功率的SSR應(yīng)加瞬間過電壓保護。，由于電源上電時RC回路的充放電會產(chǎn)生誤動作，大功率的SSR無RC吸收保護網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(yīng)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(wù)是將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的角位移和角速度的變化。伺服電動機應(yīng)具有的基本性能是：良好的可控性、運行穩(wěn)定和快速響應(yīng)。 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(zhuǎn)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(zhì)是利用改變正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁勢大小的比例，來改變正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩大小，從而達到改變合成電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。 伺服電動機單相交流伺服電動機的一個驅(qū)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(diào)節(jié)特性和對控制信號能作出快速響應(yīng)。 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(zhuǎn)換成相應(yīng)的直線位移或角位移的執(zhí)行元件。步進電機的轉(zhuǎn)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(qū)動電源 典型的步進電機驅(qū)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(guān)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(zhuǎn)。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(chǎn)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(zhì)及用途而標注名稱，如可在蒸氣介質(zhì)中使用的標為蒸汽電磁閥。不同結(jié)構(gòu)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(yīng)考慮工作介質(zhì)的溫度、年度、腐蝕度、壓力、壓差等因素外，還應(yīng)注意：每分鐘允許通斷的工作次數(shù)，以防止線圈燒壞；介質(zhì)進入導(dǎo)閥前，一般應(yīng)先經(jīng)過過濾器，以防止雜質(zhì)堵塞閥門；流體壓力應(yīng)大于電