1、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/
2、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。
3、,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
4、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。(
5、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
6、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
7、,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
8、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DDC(Direct Digital Control)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74
9、LS273(373) 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
10、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：
11、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1 000，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
12、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P1.00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P1.01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P1.00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
13、、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
14、、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
15、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
16、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
17、：,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： 单三拍控制方式：通电顺序为ABCA(正转)或ACBA(反转)。 六拍控制方式：通电顺序为 AABBBCCCAA(正转)或 AACCCBBBAA(反转)。 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,
