1、長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第三章第三章 接口設計接口設計 第一節 概述 第二節 人機接口設計 第三節 機電接口設計 長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第一節第一節 概述概述 接口設計的重要性接口設計的重要性接口的分類和特點接口的分類和特點 長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERS

2、ITY OF TECHNOLOGY一、接口設計的重要性一、接口設計的重要性 1、接口機電一體化系統由許多要素或子系統構成，各要素和各子系統之間必須能順利進行物質，能量和信息的傳遞與交換，為此各要素和各子系統相接處必須具備一定聯系條件，這些聯系條件就稱為接口。 2、接口設計的重要性： 在某種意義上講，機電一體化產品的設計，就是在根據功能要求選擇了各要素后，所進行的接口設計。從這一觀點出發，機電一體化產品的性能取決于接口的性能，即各要素和各子系統之間的接口性能是綜合系統性能好壞的決定性因素。因此接口設計是機電一體化產品設計的關鍵環節。 長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF

3、TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY二、接口的分類和特點二、接口的分類和特點 1、根據接口的交換、調整、功能： 零接口零接口不進行任何交換和調整、輸出即為輸入，僅起連接作用的接口。例：輸送管、插頭、插座、接線柱、傳動軸、導線、電纜等。 無源接口無源接口只用無源要素進行變換、調整的接口。例：齒輪減速器、進給絲杠、變壓器、可變電阻器、透鏡片。 有源接口有源接口含有有源要素，主動進行匹配的接口。例：電磁離合器、放大器、充電耦合器、D/A，A/D轉換器以及力矩變換器等。 智能接口智能接口含有微處理器，可進行程序編制或可適應性地改變接口條件地接口。例：

4、自動變速裝置、通用輸入/輸出LSI、（8255等通用I/O LSI）、GP-IB總線、STD總線等。 2、根據接口地輸入/輸出功能分： 機械接口機械接口由輸入/輸出部位的形狀、尺寸、精度、配合、規格等進行機械聯接的接口。例：聯軸器、管接頭、法蘭盤、萬能插口、接線柱、插頭與插座、音頻盒等。長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 物理接口物理接口 受通過接口部位的物質、能量與信息的具體形態和物理條件約束的接口。例：受V、f、I、C、傳遞扭矩T的大小、氣體成分等條件約束的接口等。 信息接口

5、信息接口受規格標準、法律、語言、符號等邏輯、軟件約束的接口。例：GB、ISO、ASCII碼、RS232C、FORTRAN、C、C+等。 環境接口環境接口對周圍環境條件（溫度、濕度、磁場、火、振動、放射能、水、氣、灰塵）有保護作用盒隔絕作用的接口。例：防塵過濾器、防火聯接器、防爆開關等。 3、按照接口所聯系的子系統不同：（以控制微機為出發點） 人機接口：包括輸入接口、輸出接口 機電接口：又分為信息采集接口（傳感器）、控制輸出接口。長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第二節第二節 人

6、機接口設計人機接口設計 人機接口類型及特點輸入接口設計輸出接口設計長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY一、人機接口類型及特點一、人機接口類型及特點 人機接口是操作者與機電系統（主要是控制微機）之間進行信息交換的接口。 特點：專用性；低速性；高性能價格比 類型：1）輸入設備：控制開關，BCD碼撥盤，鍵盤，多媒體（音、視頻） 2）輸出設備：狀態指示燈、LCD/LED、打印機、揚聲器等二、輸入接口設計二、輸入接口設計（一）開關輸入接口設計常用的開關有按鈕、轉換開關等，其表示符號與接口示例

7、如下圖所示：長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（二）撥盤輸入接口設計 1.結構：撥盤內部有一個可轉動圓盤，具有“09”十個位置，可以通過前面兩個“、”按鈕進行位置選擇，對應每個位置，前面窗口有數字提示，撥盤后面有五根引出線，分別定義為A、1、2、4、8。當撥盤在不同位置時，1、2、4、8線與A線的通斷關系如下表： 長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.接口設計方法長

8、春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（三）鍵盤輸入接口設計1.矩陣式鍵盤工作原理：2.鍵盤接口方法 如圖示，鍵盤設置在行、列線交叉點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端，當行線通過上拉電阻接+5V時，被嵌位在高電平狀態鍵盤中有無鍵按下是由列線送入全掃描字，行線讀入行線狀態來判斷的。其方法是：給列線的所有I/O線均置成低電平，然后將讀取行線電平狀態，若全為“1”（即為高電平），無鍵按下，不全為“1”，則有鍵閉合。 鍵盤中哪一個鍵按下是由列線逐列送低電平后，檢查行輸入狀態，其方法是：依次

9、給列線送低電平，然后查所有行線狀態，如果全為1，則所按下之鍵不在此列，如不全為1，則按下鍵必在此列。而且是在與O電平行線相交的交點上的那個鍵。鍵號為狀態低電平的鍵的行號加上其所在列的列首號。長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.鍵輸入程序設計方法 在設計鍵輸入程序時，應考慮下面四項功能：（1）判斷鍵盤上有無鍵閉合 全部全部.（2）判別閉合鍵的鍵號 依次依次.（3）去除鍵的機械抖動（4）使控制微機對鍵的一次閉合僅作一次處理三、輸出接口設計三、輸出接口設計 輸出接口是操作者對機電系統

10、進行監測的窗口，通過輸出接口，機電系統向操作者顯示自身的運行狀態、關鍵參數及運行結果等，并進行故障報警。（一）發光二極管顯示器的接口設計 1. 七段發光二極管顯示器的基本結構（1）發光二極管 長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY （2）七段發光二極管顯示器的基本結構 2.七段LED顯示器的接口電路設計 1）靜態工作方式的接口電路設計 七段LED顯示器的接口電路設計有兩個任務：一是提供正確的驅動邏輯；二是提供LED顯示器的工作電流。 靜態工作方式的優點是顯示穩定，只有在需要更新顯示內

11、容時，微機才執行顯示更新子程序，因而大大節省了微機時間，提高了工作效率。缺點是當擴展顯示器位數較多時，需占用較多的I/O 口線。長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 2）動態工作方式的接口電路設計 與靜態工作方式相比，動態方式大大減少了所占用I/O 口線的數量，節省了硬件費用。但是，為得到穩定顯示，微機必須定期對顯示器進行刷新掃描，這

12、將占用CPU大量時間，故動態顯示方式主要適用于CPU相對并不繁忙的場合。長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.點陣式LED顯示器及接口設計 七段LED顯示器可以顯示數字及一些簡單符號、字母，當顯示信息比較復雜時，可以選用點陣式LED顯示器做輸出設備。 （1）結構：由發光二極管矩陣組成，常用的由7行5列和8行8列兩種。 （2）接口設計：長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOG

13、Y列掃描時由列線控制口輸出列選通信號，每次掃描只有一列信號有效，然后由行線控制口輸出被選中列的顯示信息。依次改變被選中列，就可完成對整個顯示器的驅動。例如：顯示字母“C”的列掃描點陣數據見下表長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第三節第三節 機電接口設計機電接口設計 機電接口類型及特點信號采集通道中的A/D轉換接口設計控制量輸出接口中的D/A轉換接口設計控制量輸出接口中的功率接口設計長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHU

14、N UNIVERSITY OF TECHNOLOGY一、機電接口類型及特點一、機電接口類型及特點 機電接口指機電一體化產品中的機械裝置與控制微機間的接口。 按照信息的傳遞方向可分為信息采集接口（傳感器接口）與控制器輸出接口。二、信號采集通道中的二、信號采集通道中的A/DA/D轉換接口設計轉換接口設計 （一）雙積分A/D轉換器及接口 1.工作原理：雙積分A/D轉換器是基于間接測量原理，將被測電壓值轉換成時間常數，由測量時間常數得到未知電壓值的。 2.MC14433轉換器主要技術性能和引腳（見教材P72圖326） 3.MC14433接口設計（教材P72圖328） （二）逐次逼近型（逐次比較型）A/

15、D轉換器及接口 1.工作原理： 2.ADC0809 A/D 轉換器主要性能及引腳(教材圖331和圖332) 3.ADC0809接口設計三、控制量輸出接口中的三、控制量輸出接口中的D/AD/A轉換接口設計轉換接口設計 1.D/A轉換原理 2.DAC0832結構及引腳（教材P75） 3.D/A 輸出接口設計xV長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY四、控制量輸出接口中功率接口設計四、控制量輸出接口中功率接口設計 (一)常用電力電子器件 1.單向晶閘管（SCR）： ：是指晶閘管從阻斷到導通

16、所需的條件。在晶閘管的陽極加上正向電壓，同時在控制極加上正向電壓。 ：是指晶閘管從導通到阻斷所需的條件，晶閘管一旦導通，控制極就不起控制作用了。只用當流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導通所需的電流即維持電流時，晶閘管才關斷。 長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 2.功率晶體管： （1）功率晶體管的特點：所謂功率晶體管就是指在大功率范圍應用的晶體管，有時也稱為電力晶體管，與晶閘管相比，功率晶體管有如下特點；不僅可以工作在開關狀態，也可以工作在模擬狀態。開關速度遠大于晶閘管。控制比晶閘

17、管容易。價格高于晶閘管。 （2）功率晶體管的結構 （3）功率晶體管的應用 長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(二)光電耦合器驅動接口設計1.光電耦合器的結構和特點：光電耦合器由發光源和受光器兩部分組成，并由不透明材料封裝在一起。.光電耦合器的特點：1）光電耦合器的信號傳遞采取電-光-電形式，發光部分和受光部分不接觸，被耦合的兩個部分可以自成系統不“共地”，能夠實現電控系統強電部分與弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機。2）光電耦合器的發光二極管是電流驅動部件，能夠吸收尖峰

18、干擾信號，所以具有很強的抑制噪聲干擾能力。3）光電耦合器作為開關應用時，具有耐用、可靠性高和高速等優點，響應時間快。3.晶體管輸出型光電耦合器驅動接口設計 （三）繼電器和接觸器驅動接口設計長春工業大學 CHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGYCHANGCHUN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY他設備的電磁干擾等。、來自其的電網沖擊、雷電干擾外部干擾：指現場以外工作。和電感影響系統的正常電源、地線、分布電容擾，通過的元器件本身產生的干內部干擾：指系統內部配電系統輸入輸出的傳輸通道空間的電磁感應合理的接地出通道串入系統防止干擾信號沿輸入輸抑制電源噪聲五、干擾問題五、干擾問題 在微機控制系統的設計中，抗干擾問題直接影響到整個系統的可靠性和穩定性，應引起足夠的注意，除了可以采用