1、微型計算機控制技術微型計算機控制技術第第2 2章章 輸入輸入/ /輸出接口與過程通道輸出接口與過程通道 （五）（五）微型計算機控制技術微型計算機控制技術2.82.8 數字量輸入與輸出通道數字量輸入與輸出通道（掌握）（掌握） 在微機控制系統中，除了要處理模擬信號以外，在微機控制系統中，除了要處理模擬信號以外，還要處理另一類信號，即數字信號，包括編碼數還要處理另一類信號，即數字信號，包括編碼數字、脈沖信號和開關信號等。它們是以二進制的字、脈沖信號和開關信號等。它們是以二進制的邏輯邏輯“1”1”和和“0”0”或高、低電平出現的。或高、低電平出現的。 如儀器儀表的如儀器儀表的 BCD BCD 碼，脈沖

2、信號的計數，以及開碼，脈沖信號的計數，以及開關觸點的閉合和斷開、指示燈的亮和滅、繼電器關觸點的閉合和斷開、指示燈的亮和滅、繼電器或接觸器的吸合和釋放、馬達的啟動和停止、晶或接觸器的吸合和釋放、馬達的啟動和停止、晶閘管的通和斷、閥門的打開和關閉等等。閘管的通和斷、閥門的打開和關閉等等。 微型計算機控制技術微型計算機控制技術2.8.1 2.8.1 光電耦合隔離技術光電耦合隔離技術 在開關量控制中，最常用的器件是光電耦合隔離在開關量控制中，最常用的器件是光電耦合隔離器（簡稱器（簡稱“光電耦合器光電耦合器”或或“光耦光耦”）。光電耦）。光電耦合器以光電轉換原理傳輸信息，它不僅使信息發合器以光電轉換原理

3、傳輸信息，它不僅使信息發出端（一次側）與信息接收輸出端（二次側）是出端（一次側）與信息接收輸出端（二次側）是電絕緣的，從而對地電位差干擾有很強的抑制能電絕緣的，從而對地電位差干擾有很強的抑制能力，而且有很強的抑制電磁干擾的能力，且速度力，而且有很強的抑制電磁干擾的能力，且速度高、價格低、接口簡單，因而得到廣泛應用。高、價格低、接口簡單，因而得到廣泛應用。微型計算機控制技術微型計算機控制技術（a）二極管型 （b）三極管型 （c）雙向晶閘管型圖2-48 光電耦合器的幾種類型圖2-49光電耦合器應用電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術 典型的光電耦合隔離電路有數字量同相傳遞與數典型的光電耦合隔離

4、電路有數字量同相傳遞與數字量反相傳遞兩種，如圖字量反相傳遞兩種，如圖2-502-50所示。所示。（a）數字量同相傳輸 （b）數字量反相傳輸圖2-50 光電耦合隔離電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術2.8.2 2.8.2 數字量輸入通道數字量輸入通道 數字量輸入通道的任務是把外界生產過程數字量輸入通道的任務是把外界生產過程的開關狀態信號或數字信號送至計算機或的開關狀態信號或數字信號送至計算機或微處理器，簡稱微處理器，簡稱DIDI（Digital InputDigital Input）通道。）通道。微型計算機控制技術微型計算機控制技術一、數字量輸入通道的結構一、數字量輸入通道的結構 輸入數字

5、信號的類型不同，數字量輸入通道的結輸入數字信號的類型不同，數字量輸入通道的結構也不同。一般由輸入緩沖器、輸入調理電路、構也不同。一般由輸入緩沖器、輸入調理電路、輸入地址譯碼電路等組成輸入地址譯碼電路等組成 。圖2-51 數字量輸入通道結構微型計算機控制技術微型計算機控制技術 （1 1）TTLTTL電平編碼數字（二進制、十進制）。電平編碼數字（二進制、十進制）。可將編碼數字可將編碼數字直接接到并行接口電路的輸入端口上。對于可靠性要求很高直接接到并行接口電路的輸入端口上。對于可靠性要求很高的場合，輸入數字信號可經光電隔離后再接到接口上。的場合，輸入數字信號可經光電隔離后再接到接口上。 （2 2）脈

6、沖列。）脈沖列。若脈沖頻率不高，則可采用軟件計數的方法，若脈沖頻率不高，則可采用軟件計數的方法，將脈沖信號加到并行接口的一個輸入端，用查詢方式或中斷將脈沖信號加到并行接口的一個輸入端，用查詢方式或中斷方式對輸入脈沖計數；若脈沖頻率高，軟件計數來不及處理，方式對輸入脈沖計數；若脈沖頻率高，軟件計數來不及處理，則需外加硬件計數器，比如使用可編程計數器則需外加硬件計數器，比如使用可編程計數器/ /定時器定時器82538253就很方便。就很方便。 （3 3）若輸入的是來自操作臺的按鈕、轉換開關、繼電器或）若輸入的是來自操作臺的按鈕、轉換開關、繼電器或來自現場的行程開關等觸點接通或斷開的來自現場的行程開

7、關等觸點接通或斷開的開關量信號，開關量信號，則需則需要經過電平轉換電路，將觸點的通斷轉換成高電平或低電平，要經過電平轉換電路，將觸點的通斷轉換成高電平或低電平，同時考慮濾波、防觸點抖動以及采用光電隔離等措施。同時考慮濾波、防觸點抖動以及采用光電隔離等措施。 微型計算機控制技術微型計算機控制技術+5V+5V80C5180C51P0.0P0.0P0.7P0.7A A8 84 41 12 25.1K5.1K8 8A AA A8 4 2 18 4 2 18 4 2 18 4 2 1微型計算機控制技術微型計算機控制技術光電脈沖編碼器光電脈沖編碼器 通過光電轉換，可將輸出軸的角位移、角通過光電轉換，可將輸

8、出軸的角位移、角速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸速度等機械量轉換成相應的電脈沖以數字量輸出。可用于速度測量和定位。出。可用于速度測量和定位。 微型計算機控制技術微型計算機控制技術接近開關接近開關原理與用途：原理與用途： 利用電渦流原理制作，用于金屬的無接利用電渦流原理制作，用于金屬的無接觸檢測，具有無磨損、響應速度高、檢測精觸檢測，具有無磨損、響應速度高、檢測精度高等特點。度高等特點。 用于數控機床的自動控制及工件的位置用于數控機床的自動控制及工件的位置檢測。檢測。 響應速度快，定位精度高。響應速度快，定位精度高。 無接觸，防護等級高。無接觸，防護等級高。 微型計算機控制技術微型計算機

9、控制技術 在開關量輸入電路中，常用的信號調理技術有電平轉換、在開關量輸入電路中，常用的信號調理技術有電平轉換、RCRC濾波、過電壓保護、反電壓保護、光電隔離等。濾波、過電壓保護、反電壓保護、光電隔離等。 （1 1）電平轉換是用電阻分壓法把現場的電流信號轉換為）電平轉換是用電阻分壓法把現場的電流信號轉換為電壓信號。電壓信號。 （2 2）RCRC濾波是用濾波是用RCRC濾波器濾除高頻干擾。濾波器濾除高頻干擾。 （3 3）過電壓保護是用穩壓管和限流電阻作過電壓保護；）過電壓保護是用穩壓管和限流電阻作過電壓保護；用穩壓管或壓敏電阻把瞬態尖峰電壓箝位在安全電平上。用穩壓管或壓敏電阻把瞬態尖峰電壓箝位在安

10、全電平上。 （4 4）反電壓保護是串聯一個二極管防止反極性電壓輸入。）反電壓保護是串聯一個二極管防止反極性電壓輸入。 （5 5）光電隔離用光耦隔離器實現計算機與外部的完全電）光電隔離用光耦隔離器實現計算機與外部的完全電隔離。隔離。微型計算機控制技術微型計算機控制技術二、觸點抖動處理二、觸點抖動處理 在機械式開關觸點開始接觸或脫離接觸的在機械式開關觸點開始接觸或脫離接觸的瞬間，由于存在彈性使觸點產生彈跳，輸瞬間，由于存在彈性使觸點產生彈跳，輸出的電信號會有抖動現象。抖動持續時間出的電信號會有抖動現象。抖動持續時間在在101020ms20ms之間。之間。 為了消除由于觸點的機械抖動而產生的信為了消

11、除由于觸點的機械抖動而產生的信號振蕩，一般可采取軟件法或硬件法來消號振蕩，一般可采取軟件法或硬件法來消除這種抖動。除這種抖動。微型計算機控制技術微型計算機控制技術按鈕閉合和斷開過程示意圖按鈕閉合和斷開過程示意圖微型計算機控制技術微型計算機控制技術 軟件法即通過軟件延時，多次查詢去抖動。當連軟件法即通過軟件延時，多次查詢去抖動。當連續幾次檢測為同一電平時，才記入。續幾次檢測為同一電平時，才記入。 硬件法一般都采取電容濾波來消除抖動。硬件法一般都采取電容濾波來消除抖動。圖2-52 防抖動調理電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術 三、典型的開關量輸入信號調理電路三、典型的開關量輸入信號調理電路（

12、a）直流輸入電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術（b b）交流輸入電路）交流輸入電路圖圖2-53 2-53 開關量輸入信號調理電路開關量輸入信號調理電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術2.8.32.8.3數字量輸出通道數字量輸出通道 數字量輸出通道簡稱數字量輸出通道簡稱 DODO（Digital OutputDigital Output），），它的任務是輸出數字信號驅動生產現場的設備。它的任務是輸出數字信號驅動生產現場的設備。圖圖2-54 2-54 數字量輸出通道結構數字量輸出通道結構微型計算機控制技術微型計算機控制技術一、晶體管輸出驅動電路一、晶體管輸出驅動電路1. 1. 普通三極管

13、驅動電路普通三極管驅動電路 當驅動電流只有十幾當驅動電流只有十幾mAmA時，只要一個普通時，只要一個普通的功率三極管就能構成驅動電路。的功率三極管就能構成驅動電路。圖圖2-552-55小功率三極管驅動電路小功率三極管驅動電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術2. 2. 達林頓驅動電路達林頓驅動電路 當驅動電流需要達到幾百毫安時，如驅動當驅動電流需要達到幾百毫安時，如驅動中等功率繼電器，輸出電路必須采取多級中等功率繼電器，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣列驅動器是由多對兩個三極管組成的達林列驅動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復合管構

14、成，具有高輸入阻抗、高增益、頓復合管構成，具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點，同時輸出功率大及保護措施完善的特點，同時多對復合管也非常適用于計算機控制系統多對復合管也非常適用于計算機控制系統中的多路負荷。中的多路負荷。 微型計算機控制技術微型計算機控制技術 ULN2003 ULN2003 是高耐壓、大電流驅動陣列芯片，內部是高耐壓、大電流驅動陣列芯片，內部由由7 7個個NPNNPN型達林頓管組成。型達林頓管組成。ULN2003 ULN2003 的每一對達的每一對達林頓都串聯一個林頓都串聯一個2.7k 2.7k 的基極電阻，在的基極電阻，在5V 5V 的工的工作電壓下它能與作

15、電壓下它能與TTL TTL 和和CMOS CMOS 電路直接相連，可以電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003 ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA500mA，可用于驅動常見的小功率負載（如繼電器、，可用于驅動常見的小功率負載（如繼電器、電磁閥、小直流電機、步進電機等）。若實際應電磁閥、小直流電機、步進電機等）。若實際應用電路需要更大的驅動電流，可將多組單元驅動用電路需要更大的驅動電流，可將多組單元驅動電路并聯。電路并聯。微型計算機控制技術微型計算機控制技術

16、（a a）ULN2003ULN2003內部結構示意圖內部結構示意圖 （b b）一組驅動電路的原理圖）一組驅動電路的原理圖圖圖2-56 ULN20032-56 ULN2003內部結構內部結構 ULN2003 ULN2003芯片內部集成有一個續流二極管，芯片內部集成有一個續流二極管，9 9腳（腳（COMCOM端）端）便是內部續流二極管的共陰極。當用便是內部續流二極管的共陰極。當用20032003驅動繼電器時，可驅動繼電器時，可以省略掉保護繼電器線圈的二極管。使用時只需將以省略掉保護繼電器線圈的二極管。使用時只需將COMCOM接到接到繼電器電源端。如果負載是阻性的，繼電器電源端。如果負載是阻性的，9

17、 9腳可以懸空。腳可以懸空。 ULN2003ULN2003第第8 8腳是共地引腳，直接接地。腳是共地引腳，直接接地。微型計算機控制技術微型計算機控制技術圖圖2-57 ULN20032-57 ULN2003常用驅動電路常用驅動電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術二、繼電器輸出驅動電路二、繼電器輸出驅動電路 電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器。繼電器方式的開關量輸件組成，簡稱為繼電器。繼電器方式的開關量輸出是一種最常用輸出方式。出是一種最常用輸出方式。圖2-58 繼電器原理微型計算機控制技術微型計算機控制技術微型計算機控制技

18、術微型計算機控制技術 由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關斷由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關斷時，會出現較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅時，會出現較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅動器件，應在繼電器線圈兩端并聯一個續流二極動器件，應在繼電器線圈兩端并聯一個續流二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。 圖2-59 繼電器輸出驅動電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術l 接觸器和繼電器的原理是一樣的，本質區接觸器和繼電器的原理是一樣的，本質區別就是承受的載荷不同，電流容量大的是接觸別就是承受的載荷不同，電流容量大的是接觸器，小的是繼電器；器，小的是繼

19、電器；l 繼電器工作的電流比較小，主要使用在控繼電器工作的電流比較小，主要使用在控制回路（二次回路），繼電器的觸點較多，種制回路（二次回路），繼電器的觸點較多，種類也很多，有時間繼電器，交流繼電器，中間類也很多，有時間繼電器，交流繼電器，中間繼電器等；繼電器等；l接觸器工作的電流比較大、電壓比較高，一接觸器工作的電流比較大、電壓比較高，一般用于主回路（一次回路）控制。般用于主回路（一次回路）控制。增加了滅弧增加了滅弧裝置裝置。分為交流接觸器和直流接觸器。分為交流接觸器和直流接觸器。微型計算機控制技術微型計算機控制技術低壓接觸器低壓接觸器真空接觸器真空接觸器微型計算機控制技術微型計算機控制技術三

20、、固態繼電器（三、固態繼電器（SSRSSR）驅動電路）驅動電路 固態繼電器（固態繼電器（Solid State RelaySolid State Relay，SSRSSR）是一種）是一種新型的無觸點開關電子繼電器，它利用電子技術新型的無觸點開關電子繼電器，它利用電子技術實現了控制回路與負載回路之間的電隔離和信號實現了控制回路與負載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現電磁繼電器的功能，故稱為固態繼電器。它具有電磁繼電器的功能，故稱為固態繼電器。它具有體積小、開關速度快、無機械噪聲、無抖動和回體積小、開關速度快、無機械噪聲、無抖

21、動和回跳、壽命長等傳統繼電器無法比擬的優點，在計跳、壽命長等傳統繼電器無法比擬的優點，在計算機控制系統中得到廣泛的應用。算機控制系統中得到廣泛的應用。微型計算機控制技術微型計算機控制技術微型計算機控制技術微型計算機控制技術圖圖2-60 2-60 固態繼電器結構原理圖固態繼電器結構原理圖SSR的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電路兼容，輸出端利用器件內的電子開關來接通和斷開負載。工作時只要在輸入端施加一定的弱電信號，就可以控制輸出側大電流負載的通斷。微型計算機控制技術微型計算機控制技術 SSRSSR的輸出端可以是直流也可以是交流，分的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱為直流型別稱為直流型SSR

22、SSR和交流型和交流型SSRSSR。 直流型直流型SSRSSR內部的開關組件為內部的開關組件為功率三極管功率三極管，交流型交流型SSRSSR內部的開關組件為內部的開關組件為雙向晶閘管雙向晶閘管。 交流型交流型SSRSSR按控制觸發方式不同又可分為過按控制觸發方式不同又可分為過零型和移相型（非過零型）兩種，零型和移相型（非過零型）兩種， 微型計算機控制技術微型計算機控制技術（a）過零型 （b）非過零型圖2-61 交流型SSR類型微型計算機控制技術微型計算機控制技術圖圖2-62 2-62 固態繼電器驅動電路固態繼電器驅動電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術五、晶閘管驅動電路五、晶閘管驅動電路

23、晶閘管又稱可控硅（晶閘管又稱可控硅（SCRSCR），是一種大功率），是一種大功率的半導體器件，具有用小功率控制大功率、的半導體器件，具有用小功率控制大功率、開關無觸點等特點，在交直流電機調速系開關無觸點等特點，在交直流電機調速系統、調功系統、隨動系統中應用廣泛。統、調功系統、隨動系統中應用廣泛。微型計算機控制技術微型計算機控制技術 晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖2-632-63所示，（所示，（a a）為單向晶閘管，有陽極為單向晶閘管，有陽極A A、陰極、陰極K K、控制極（門極）、控制極（門極）G G三個三個極。當陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端

24、也施加極。當陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發電流值時，晶閘管由截止轉正壓使控制極電流增大到觸發電流值時，晶閘管由截止轉為導通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小為導通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導通變為截止。到維持電流以下，晶閘管才由導通變為截止。（a）單向晶閘管 （b）雙向晶閘管圖2-63 晶閘管的結構符號微型計算機控制技術微型計算機控制技術圖2-64 雙向晶閘管輸出驅動電路微型計算機控制技術微型計算機控制技術2.9 I/O2.9 I/O通道的抗干擾技術通道的抗干擾技術（掌握）（掌握） 微機控制系統的工作

25、環境往往比較復雜、惡劣，微機控制系統的工作環境往往比較復雜、惡劣，存在大量的電磁信號，如電網的波動、強電設備存在大量的電磁信號，如電網的波動、強電設備的啟停、高壓設備和開關的電磁輻射等，當它們的啟停、高壓設備和開關的電磁輻射等，當它們在系統中產生電磁感應和干擾沖擊時，往往就會在系統中產生電磁感應和干擾沖擊時，往往就會擾亂系統的正常運行，輕者造成系統的不穩定，擾亂系統的正常運行，輕者造成系統的不穩定，降低了系統的精度；重者會引起控制系統死機或降低了系統的精度；重者會引起控制系統死機或誤動作，造成設備損壞或人身傷亡。這對系統的誤動作，造成設備損壞或人身傷亡。這對系統的可靠性與安全性構成了極大的威脅

26、。可靠性與安全性構成了極大的威脅。微型計算機控制技術微型計算機控制技術 影響計算機控制系統可靠、安全運行的主影響計算機控制系統可靠、安全運行的主要因素是來自系統內部和外部的各種干擾。要因素是來自系統內部和外部的各種干擾。 進入進入I/OI/O通道的干擾按照其對電路的作用形通道的干擾按照其對電路的作用形式，通常分為有串模干擾和共模干擾。下式，通常分為有串模干擾和共模干擾。下面分別說明其性質及其抑制方法。面分別說明其性質及其抑制方法。微型計算機控制技術微型計算機控制技術2.9.1 2.9.1 串模干擾及抑制方法串模干擾及抑制方法 串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾信串模干擾是指疊加在被測信號上的干

27、擾信號，也稱橫向干擾或正態干擾。產生串模號，也稱橫向干擾或正態干擾。產生串模干擾的原因有分布電容的靜電耦合，長線干擾的原因有分布電容的靜電耦合，長線傳輸的互感，空間電磁場引起的磁場耦合，傳輸的互感，空間電磁場引起的磁場耦合，以及以及50Hz50Hz的工頻干擾等。的工頻干擾等。微型計算機控制技術微型計算機控制技術圖2-65 串模干擾示意圖微型計算機控制技術微型計算機控制技術串模干擾的抑制方法：串模干擾的抑制方法： （1 1）加入輸入濾波器。）加入輸入濾波器。 （2 2）對被測信號盡可能早地進行信號放大，以提高電路）對被測信號盡可能早地進行信號放大，以提高電路中的信號噪聲比；或者盡可能早地完成中的

28、信號噪聲比；或者盡可能早地完成A/DA/D轉換再進行長轉換再進行長線傳輸；或者采用隔離和屏蔽等措施。線傳輸；或者采用隔離和屏蔽等措施。 （3 3）從選擇元器件人手，利用邏輯器件的特性來抑制串）從選擇元器件人手，利用邏輯器件的特性來抑制串模干擾。模干擾。 （4 4）可采用屏蔽雙絞線或同軸電纜連接一次儀表和轉換）可采用屏蔽雙絞線或同軸電纜連接一次儀表和轉換設備減少電磁感應。設備減少電磁感應。 （5 5）利用數字濾波技術對已進入計算機的串模干擾進行）利用數字濾波技術對已進入計算機的串模干擾進行數據處理，如可采用平均值法、中值法、一階滯后濾波算數據處理，如可采用平均值法、中值法、一階滯后濾波算法等濾除

29、干擾信號。法等濾除干擾信號。微型計算機控制技術微型計算機控制技術2.9.2 2.9.2 共模干擾及抑制方法共模干擾及抑制方法 共模干擾是指共模干擾是指A/DA/D轉換器兩個輸入端上共有的干擾轉換器兩個輸入端上共有的干擾電壓。因為在計算機控制系統中，被控制和被測電壓。因為在計算機控制系統中，被控制和被測試的參量可能很多，并且分散在生產現場的各個試的參量可能很多，并且分散在生產現場的各個地方，計算機接收的信號或發出的控制信號與現地方，計算機接收的信號或發出的控制信號與現場設備或對象之間一般用很長的導線連接，而導場設備或對象之間一般用很長的導線連接，而導線上存在阻抗。因此，被測信號的參考接地點和線上存在阻抗。因此，被測信號的參考接地點和計算機控制信號的接地點之間往往存在一定的電計算機控制信號的接地點之間往往存在一定的電位差位差 。微型計算機控制技術微型計算機控制技術圖2-67 共模干擾示意圖 圖2-68 輸入隔離微型計算機控制技術微型計算機控制技術 共模干擾常用的抑制方法：共模干擾常用的抑制方法： （1 1）利用雙端輸入的放大器作前置放大）利用雙端輸入的放大器作前置放大器，如器，如AD521AD521等。等。 （2 2）利用變壓器或光電耦合器把各種模）利用變壓器或光電耦合器把各種模擬負載和數字信號隔離，即擬負載和數字信號隔離，即“模擬地模擬地”與與“數字地數字