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1,2.3开关量输入/输出通道,,,,微机测控技术,2,开关量的类型及状态,开关量信号的引入1、按键；2、继电器；3、无触点开关晶体管、可控硅等；开关量信号的状态1、开和关；2、高电平和低电平两个状态这些开关量的状态相当于二进制数码的1和0。,微机测控技术,3,开关量通道的功能及动作,1、测控系统通过开关量输入通道引入系统的开关量信息包括脉冲信号，进行必要处理和操作；2、开关量输出通道发出两个状态的驱动信号，去接通发光二极管、控制继电器或无触点开关的通断动作，以实现诸如越限声光报警、阀门的开启或关闭以及电动机的启动或停车等。,微机测控技术,4,,3、测控系统中常采用通用并行I/O芯片例如8155、8255、8279来输入输出开关量信息。4、对于简单的开关量引入，也可用三态门缓冲器和锁存器作为I/O接口电路。,微机测控技术,5,开关量电路的设计注意点,1、在单片机内部，由于已具有并行I/O口，故可直接与外界交换开关量信息小功率信号。注应注意开关量输入信号的电平幅度必须与I/O芯片的要求相符，若不相符合，则应经过电平转换后，方能输入微处理器。,微机测控技术,6,,2、对功率较大的开关设备，在输出通道中应设置功率放大电路，以使输出信号能驱动这些设备。3、工业现场存在电场、磁场、噪声等各种干扰，在输入输出通道中往往需要设置隔离器件，以抑制干扰的影响。,微机测控技术,7,开关量输入/输出通道的主要技术指标,1、抗干扰能力；2、可靠性；对于开关量输入/输出通道，设计重点不是精度，这一点务须在设计时予以注意。,微机测控技术,8,开关量通道设计涉及的问题,一、开关量输入通道二、开关量输入通道三、设计实例,微机测控技术,9,一、开关量输入通道,一开关量输入通道的结构开关量输入通道的组成1、输入缓冲器；2、输入调理电路；3、输入地址译码电路；,,微机测控技术,10,二输入调理电路,开关量输入通道的基本功能接收外部装置或生产过程的状态信号。状态信号的形式可能是电压、电流和开关的触点，因此引起瞬时高压、过电压、接触抖动等现象。,微机测控技术,11,信号调理的过程,针对上述开关量电路中出现的各种情况，电路必须将现场输入的状态信号经过转换、保护、滤波、隔离措施转换成计算机能够接收的逻辑信号，然后输入到计算机。这就称为信号调理。下面针对不同情况介绍相应的信号调理技术。1、小功率输入的调理电路2、大功率输入的调理电路,微机测控技术,12,1、小功率输入的调理电路,下图为从开关、继电器等接点输入信号的电路,,,a,b,微机测控技术,13,电路说明,1、电路中，将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与微处理器相连。2、为清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，一般都加入有较长时间常数的积分电路来消除这种振荡。滤波作用3、图a为一种简单的、采用积分电路消除开关抖动的方法。4、图b为R-S触发器消除开关两次反跳方法。5、在简单实用的场合，对于节点动作可加上拉电阻后直接与微处理器接口。,微机测控技术,14,2、大功率输入调理电路,大功率系统中，需从电磁离合等大功率器件的接点输入信号。为使接点工作可靠，接点两端至少要加24V以上的直流电压。因为直流电平响应快，不易产生干扰，电路又简单，因而被广泛采用。但由于所带电压高，所以高压与低压间，用光电耦合器进行隔离,,微机测控技术,15,大功率输入调理电路的说明,1、部分器件的控制电平较高，因此带来较高的输出电平；2、加入滤波电容可以避免开关的接触抖动而导致误操作；3、光电耦合电路可以实现真正的电气隔离，且由于光耦的转换速率较高，因此转换效率也较高。,微机测控技术,16,三、输入缓冲器,输入缓冲器通常采用三态门缓冲器74LS244，被测状态信息通过三态门缓冲器送到CPU数据总线74LS244有8个通道，可输入8个开关状态。便于读取指定信号。,微机测控技术,17,二、开关量输出通道,测控系统中，对被控设备的驱动方式1、模拟量输出驱动；2、数字量开关量输出驱动；模拟量输出驱动指其输出信号电压、电流可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间运行，在一定的时间T内输出所需的能量P；如前述,微机测控技术,18,数字量开关量输出驱动,开关量输出驱动的方式通过控制设备处于开或关状态的时间来达到运行控制目的。如根据控制算法，同样要在T时间内输出能量P，则可控制设备满负荷工作时间t，即采用脉宽调制的方法，同样可以达到要求。模拟量输出驱动的缺陷1、输出受模拟器件的漂移等影响；2、很难达到较高的控制精度。在测控系统中，以前常采用模拟量输出的方法；,微机测控技术,19,开关量输出控制的特点,1、在测控系统中引入微处理器后后，数字量输出控制已越来越广泛地被应用。2、对时间控制可以达到很高精度。因此，在许多场合开关量输出控制精度比一般的模拟量输出控制高；,微机测控技术,20,,3、采用开关量输出控制往往无须改动硬件，而只需改变程序就可用于不同的控制场合；如在DDCDirectDigitalControl直接数字控制系统中，利用微机代替模拟调节器，实现多路PID调节，只需在软件中每一路使用不同的参数运算输出即可。4、除某些特殊场合，数字控制方式已逐渐取代模拟量输出的控制方式。,微机测控技术,21,1、开关量输出通道的结构,开关量输出通道的组成主要包括1、输出锁存器；2、输出驱动电路；3、输出口地址译码电路；如下图所示,,微机测控技术,22,输出通道各组成部分的功能,输出锁存电路在对生产过程进行控制时，一般控制状态需进行保持，直到下次给出新的值。常用74LS273373等锁存器对开关量输出信号进行锁存。74LS273有8个通道，可输出锁存8个开关状态。,微机测控技术,23,,驱动电路1、由于驱动被控制的执行装置不但需要一定的电压，而且需要一定的电流，而主机的I/O口或上图中的锁存器驱动能力很有限，因此，开关量输出通道末端必须配接能提供足够驱动功率的输出驱动电路。2、输出驱动电路种类较多，要根据不同需要加以选择。,微机测控技术,24,2、直流负载驱动电路,下图为常见的直流负载驱动电路,,,a,b,c,,,微机测控技术,25,功率晶体管驱动电路,适用场合负载所需的电流不太大约几百mA的场合。图a中开关晶体管的驱动电流必须足够大，否则晶体管会增加其管压降来限制其负载电流，从而有可能使晶体管超过允许功耗而损坏；图中晶体管驱动电流采用TTL集电极开路门来提供。可提供几十mA的驱动电流,微机测控技术,26,达林顿管驱动电路,图b中方框内的两个晶体管接成复合型做成一只管子叫达林顿管。达林顿驱动器的特点1、高输入阻抗；2、极高的增益；3、驱动电流很小，可直接用单片机的I/O口驱动。图中，I/O口低电平有效，外电路加上拉电阻。使用时应加散热板。可获得较大的输出电流。,,微机测控技术,27,功率场效应管驱动电路,功率场效应晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简称为VMOS场效应晶体管。图c功率场效应晶体管的特点1、只要求微安级输入驱动电流；2、控制的输出电流却可以很大；3、满足中、大功率控制的场合；,,微机测控技术,28,3、晶闸管交流负载驱动电路,交流负载通常属大功率电路，其功率驱动电路采用晶闸管来构成。晶闸管的分类1、单向晶闸管也称单向可控硅2、双向晶闸管也称双向可控硅。晶闸管的特点1、只工作在导通或截止状态，2、驱动电流极小，输出负载电流与输入驱动电流之比大于1000，是较理想的大功率开关器件；3、通常用来控制交流大电压开关负载；,微机测控技术,29,晶闸管驱动电路,由于交流电属强电，为防止交流电干扰，晶闸管驱动电路不宜直接与数字逻辑电路相连，通常采用光电耦合器进行隔离，如下图,,微机测控技术,30,电路工作过程,1、图中P1.0输出锁存开关量，三态缓冲门74LS244接成直通式；2、当P1.0＝0时，光电耦合器中的发光二极管导通，外接三极管T截止，双向晶闸管导通，交流电源给负载加电。3、当P1.0＝1时，负载断电。4、接发光二极管LD用做开关指示；5、如果将图中双向晶闸管换成单向晶闸管，则在P1.0＝0期间负载得到的不再是双向交流电压而是单向脉动电压。,微机测控技术,31,说明,1、光电耦合器的延时时间在微秒级，所以整个驱动电路的响应较快；2、光电耦合器所需的驱动电流较小，在10mA左右，因此采用一般的三态门即可驱动，如74LS244等3、光电耦合器的驱动能力弱，所以要增加晶体管驱动电路；4、图中，D1-D4构成的整流桥给触发电路供电，电容为滤波用5、由晶闸管单向也可构成直流负载驱动电路,微机测控技术,32,4、继电器驱动电路,开关量输出电路常常控制着动力设备的启停。如果设备的启停负荷不太大，而且启停操作的响应速度也要求不高，则适合于采用继电器隔离的开关量输出电路。,微机测控技术,33,,1、Pl口的每一位经一个反相驱动器7406控制一个继电器线圈。2、当Pl口某一位输出“1”时，继电器线圈上有电流流过，则继电器动作；3、当输出为“0”时，继电器线圈上无电流流过，开关恢复到原始状态。,微机测控技术,34,,4、对需用直流电源励磁的继电器也可用前述的直流负载驱动电路，对需用交流电源励磁的继电器可以用前述的交流负载驱动电路。5、在没有特殊要求时，为了便利和简化电路可通过直流继电器来间接控制交流继电器。,微机测控技术,35,继电器驱动电路的特点,1、继电器线圈是感性负载。电路开断时，会出现电感性浪涌电压。在继电器两端要并联一个泄流二极管以保护驱动器不被浪涌电压所损坏。2、由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以，必须在微机的输出I/O口或外接输出锁存器74LS273与继电器线圈之间接7406反相器或75452P等驱动器。75452P的输出电流约300mA，可驱动任意信号的小继电器；,,微机测控技术,36,,3、继电器触点的负载能力较光电耦合器强，能直接控制动力电路；4、继电器的响应时间约在几十ms，因此不适合快速响应系统。,微机测控技术,37,5、固态继电器驱动电路,固态继电器SSR的特点固态继电器SSR是采用固体元件组装而成的一种新型无触点开关器件，两个输入端用以引入控制电流，两个输出端用以接通或切断负载电流。器件内部有一个光电耦合器将输入与输出隔离。输入端1、2脚与光电耦合器的发光二极管相连，因此，需要的控制电流很小，用TTL、CMOS等集成电路或晶体管就可直接驱动。,微机测控技术,38,直流固态继电器,输出端用功率晶体管做开关元件的固态继电器称为直流固态继电器DC-SSR如下图所示，主要用于直流大功率控制场合。,,微机测控技术,39,交流固态继电器,输出端用双向可控硅做开关元件的固态继电器称为交流固态继电器AC-SSR，如上图所示，主要用于交流大功率驱动场合。,,微机测控技术,40,开关量输出电路设计的注意点,1、负载所需驱动电流决定选择的驱动方式，功率放大电路2、控制器输出功率3、电路的动态响应性能4、抗干扰的设计,微机测控技术,41,三、开关量输入／输出通道设计举例,1、步进电机正反转控制步进电机是控制系统中常用的执行部件，以三相电机为例加以说明控制步进电机正反转的开关量输入输出电路，如下图所示,,微机测控技术,42,三相步进电机的工作方式,步进电机三个绕组按不同顺序向绕组通以电脉冲时，步进电机以不同的方向转动，转速取决于通电脉冲的频率①单三拍控制方式通电顺序为ABCA正转或ACBA反转。②六拍控制方式通电顺序为AABBBCCCAA正转或AACCCBBBAA反转。③双三拍控制方式通电顺序为ABBCCAAB正转或ABCABCAB反转。,微机测控技术,43,步进电机的转向控制,1、假定S1闭合时，电机正转；S2闭合时，电机反转；S1、S2断开时停转；2、A、B、C是电机的三个绕组，由功放电路1、2、3通以驱动脉冲。,,微机测控技术,44,六拍控制方式，,输出控制代码和相应的通电绕组如下表,微机测控技术,45,单三拍控制方式,,微机测控技术,46,小结,,