第10章 80C51单片机的测控接口

1,3.7,第10章80C51单片机的测控接口,D/A转换接口技术,10.1,A/D转换接口技术,10.2,开关量的接口技术,10.3,00:35,2,单片机用于智能仪表和测控系统时，需要处理大量的外部信息，这些信息除包含数字量外，还可能包含模拟量与开关量信息。工程实践中经常遇到被测对象的一些物理参数，如温度、流量、压力、位移、速度等，这些参数均是模拟量。虽然这些模拟量已经由传感器、变送器变换成标准的电压或电流信号，但还需要通过模拟量/数字量(A/D)转换器，将其转换成为计算机能够处理的相应的数字信号。,00:35,3,同样，计算机对模拟量设备进行控制时，如控制电动调节阀、模拟调速系统、模拟记录仪等，就需要将计算机输出的数字信号通过数字量/模拟量(D/A)转换器，转换成外设能够接收的相应的模拟信号。另一类常见的信号是开关信号，它们来自开关类器件的输入，如拨盘开关、扳键开关、继电器的触点等。当计算机输出控制对象是具有开关状态的设备时，计算机的输出就应该为开关量。,00:35,4,模拟量I/O接口的作用：实际工业生产环境检测与控制的是连续变化的模拟量例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量计算机内部进行处理的是离散的数字量二进制数、十六进制数,00:35,5,模拟量I/O通道的组成,00:35,6,模拟量输入通道,传感器（Transducer）非电量电压、电流变送器（Transformer）转换成标准的电信号信号处理（SignalProcessing）放大、整形、滤波多路转换开关（Multiplexer）多选一采样保持电路（SampleHolder，S/H）保证变换时信号恒定不变A/D变换器（A/DConverter）模拟量转换为数字量,00:35,7,模拟量输出通道,D/A变换器（D/AConverter）数字量转换为模拟量低通滤波平滑输出波形驱动放大提供足够的驱动电压，电流,00:35,8,10.1D/A转换接口技术,数字量到模拟量的转换称为数/模转换。完成数/模转换的器件称为D/A转换器(DigitaltoAnalogConverter)，通常用DAC表示。DAC能够将数字量转换成与之成正比的电压或电流信号。,00:35,9,组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络基本结构如图：,1.D/A转换器的基本原理及分类,数字量是二进制代码的位组合，每一位数字代码都有一定的“权”，并对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量，应将每一位都转换为相应的模拟量，然后将其求和即可得到与该数字量成正比的模拟量。,00:35,10,D/A变换原理,运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电压Vin的关系为：,式中：Rf为反馈电阻R为输入电阻,Vin,Rf,Vo,R,00:35,11,若输入端有n个支路,则输出电压VO与输入电压Vi的关系为：,Vin,Rf,VO,R1,式中：Ri为第i支路的输入电阻,Rn,00:35,12,令每个支路的输入电阻为2iRf,并令Vin为一基准电压Vref，则有:,若Si=1,该项对VO有贡献若Si=0,该项对VO无贡献,如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为:,00:35,13,2Rf4Rf8Rf16Rf32Rf64Rf128Rf256Rf,Vref,Rf,VO,S8S7S6S5S4S3S2S1,D/A转换原理电路,运放,权电阻网络,模拟开关,00:35,14,如果用8位二进制代码来控制图中的S1S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。可以看出，当代码在0FFH之间变化时，VO相应地在0-(255/256)Vref之间变化。为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。,00:35,15,R-2RT型电阻网络,00:35,16,T型电阻网络D/A转换器的原理图,计算机输出的数字信号首先传送到数据锁存器(或寄存器)中，然后由模拟电子开关把数字信号的高低电平变成对应的电子开关状态。当数字量某位为1时，电子开关就将基准电压源VREF接入电阻网络的相应支路；若为0时，则将该支路接地。各支路的电流信号经过电阻网络加权后，由运算放大器求和并变换成电压信号，作为D/A转换器的输出。,00:35,17,T型电阻网络D/A转换器的原理图,VREF为外加基准电源，Rfb为外接运算放大器的反馈电阻。D7D0为控制电流开关的数据。由图可以得到：,输出电压VO的大小与数字量具有对应的关系。这样就完成了数字量到模拟量的转换。,00:35,18,D/A转换器的分类：(1)依数字量的位数分：8位、10位、12位与16位D/A转换器；(2)依数字量的数码形式分：二进制码和BCD码D/A转换器；(3)按信号输入方式分：并行总线D/A转换器和串行总线D/A转换器；并行D/A转换器通过并行总线接收数据。串行D/A转换器通过I2C总线、SPI总线等串行总线接收数据。串行方式占用接口资源少，用于转换速度要求不高的系统。并行方式占用接口资源多，用于转换数据量大，转换速度高的系统。(4)按输出信号的形式：电压输出型和电流输出型。电压输出型D/A转换器可以直接从电阻阵列输出电压，常作为高速D/A转换器使用。电流输出型D/A转换器通常需要在其输出端接入一个反相输入的运算放大器，将其转换为电压输出。,00:35,19,早期的D/A转换芯片只具有电流输出型的，且不具有输入寄存器。所以在单片机应用系统中使用这种芯片必须外加数字输入锁存器、基准电压源以及输出电压转换电路。这一类芯片主要有DAC0800系列(美国NationalSemiconductor公司生产)、AD7520系列(美国AnalogDevices公司生产)等。中期的D/A转换芯片在芯片内增加了一些与计算机接口相关的电路及控制引脚，具有数字输入寄存器，能和CPU数据总线直接相连。通过控制端，CPU可直接控制数字量的输入和转换，并且可以采用与CPU相同的+5V电源供电。这类芯片特别适用于单片机应用系统的D/A转换接口。这类芯片有DAC0830系列、AD7524等。近期的D/A转换器将一些D/A转换外围器件集成到了芯片的内部，简化了接口逻辑，提高了芯片的可靠性及稳定性。如芯片内部集成有基准电压源、输出放大器及可实现模拟电压的单极性或双极性输出等。这类芯片有AD558、DAC82、DAC811等。,00:35,20,2.D/A转换器的主要技术指标,(1)分辨率,分辨率是指D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，在实际应用中往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。此外，D/A转换器也可以用能分辨的最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压(此时输入的数字代码各有效位全为1)之比给出。n位D/A转换器的分辨率为，表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。,00:35,21,(2)转换误差,表示D/A转换器实际输出的模拟量与理论输出模拟量之间的差别。转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的误差、基准电源不够稳定和运算放大器零漂的影响等。D/A转换器的绝对误差(或绝对精度)是指输入端加入最大数字量(全1)时，D/A转换器的理论值与实际值之差。该误差值应低于LSB/2(LSB指LeastSignificantBit，最低有效位)。,00:35,22,(3)建立时间指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的数字量从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围(LSB/2)时所需时间表示。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达0.1s以内。(4)线性度也称非线性误差，是实际转换特性曲线与理想直线特性之间的最大偏差。常以相对于满量程的百分数表示。如1%是指实际输出值与理论值之差在满刻度的1%之内。(5)温度系数指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1oC，输出电压变化的百分数作为温度系数。除上述各参数外，在使用D/A转换器时还应注意它的输出电压特性。由于输出电压事实上是一串离散的瞬时信号，要恢复信号原来的时域连续波形，还必须采用保持电路对离散输出进行波形复原。此外还应注意D/A的工作电压、输出方式、输出范围和逻辑电平等。,00:35,23,DAC0832是美国NationalSemiconductor生产的DAC0830系列产品中的一种，该系列芯片具有以下特点：并行D/A转换；分辨率8位；电流建立时间1s；片内二级数据锁存，提供数据输入双缓冲、单缓冲和直通三种工作方式；电流输出型芯片，通过外接一个运算放大器，可以很方便地提供电压输出。输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL兼容，与80C51单片机连接方便；单一电源供电(+5V+15V)。低功耗，20mW。,10.1.2DAC0832芯片及其与单片机的接口,00:35,24,1.DAC0832的结构,图10-2DAC0832的内部逻辑框图,00:35,25,2.DAC0832的引脚,00:35,26,2.DAC0832的引脚,00:35,27,00:35,28,3.DAC0832的工作方式,图10-4DAC0832单极性输出电路,D为数字输入量，VREF为基准电压。可见，单极性输出VOUT的正负极性由VREF的极性确定，当VREF的极性为正时，VOUT为负，当VREF的极性为负时，VOUT为正。,VOUT=-DVREF/2n,00:35,29,图10-5DAC0832双极性输出电路,将待转换的数字量的偏移二进制码代替上式中的D，可求出双极性VOUT。若VREF由正改为负，那么VOUT也反相。例如数字量D的十进制为+127，对应的带符号二进制为01111111B，偏移二进制代码则为11111111B，此时输出VOUT(假设VREF为正)：,00:35,30,图10-5DAC0832双极性输出电路,同理，当数字量D的十进制为-127，对应的带符号二进制数为11111111B，偏移二进制代码则为00000001B，此时输出OUT为：,在双极性输出中，1LSB=VREF/2n-1=VREF/128，而单极性输出中，1LSB=VREF/2n=VREF/256。可见双极性输出时的分辨率比单极性输出时降低了1/2，这是由于对双极性输出而言，最高位作为符号位，只有7位数值位。,00:35,31,4.DAC0832与80C51单片机的接口方式,(1)直通方式,两个锁存器都处于跟随状态，不对数据进行锁存，即控制信号CS、WR1、ILE、WR2和XFER都预先设置为有效状态，使LE1和LE2都为1。这样，D/A转换不受控制，一旦有数字量输入就立即进行D/A转换。因此DAC0832的输出随时跟随输入的数字量的变化而变化。,00:35,32,(2)单缓冲方式,单缓冲方式有两种实现方法，其一是令两个数据缓冲器一个处于直通方式，另一个处于受控方式，如图10-6所示；其二是将两级数据缓冲器的控制信号并联相接，使其同时受控，如图10-7所示。,00:35,33,(3)双缓冲方式,图10-8DAC0832双缓冲方式,1#DAC和2#DAC的片选信号分别接单片机的地址线P2.5和P2.6，2片DAC的传送控制信号XFER并接与单片机的地址线P2.7相连，故2片DAC的第一级数据锁存是分别受控的，而第二级数据锁存是同时受控的，才能实现2片DAC同步输出模拟量。因此数字量输入锁存和D/A转换输出分两步完成。首先，将数字量分别送入各路DAC的输入寄存器；然后，控制各路DAC将各自输入寄存器中的数据，同时送入DAC寄存器，进行D/A转换输出。,对于1片DAC来说，由于CS和XFER分别接单片机的地址线，因此占用两个I/O端口地址，输入寄存器和DAC寄存器各占一个，分别对应于两步完成D/A转换所需的地址。根据图10-8的接线，1#DAC和2#DAC的输入锁存器的地址分别为DFFFH和BFFFH，2片DAC的DAC寄存器的地址同为7FFFH。双级缓冲方式适用于多路D/A转换器接口，控制多路DAC同步输出不同模拟电压的单片机系统。,00:35,34,5.应用举例,例10-1设计DAC0832与AT89C52单片机连接的仿真电路，编写程序用DAC0832芯片生成三角波。,图10-9DAC0832与AT89C52单片机连接的仿真电路,00:35,35,/*用DAC0832生成三角波*/#include#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineDAC0832XBYTE0 x7fffvoidDelayMS(uintms)/延时程序uchari;while(ms-)for(i=0;i120;i+);,voidmain()/主程序uchari;uchark;k=0;/k为三角波上升和下降的标志位/i=0;while(1)/循环输出三角波if(k=0)/输出三角波的下降沿i+;DAC0832=i;if(i=255)k=k;DelayMS(1);Else/输出三角波的上升沿i-;DAC0832=i;if(i=0)k=k;DelayMS(1);,00:35,36,例10-2针对图10-8所示电路，设计使DAC0832(1)输出锯齿波、DAC0832(2)输出三角波的程序，并用proteus仿真验证。,图10-10DAC0832双缓冲方式proteus仿真电路,00:35,37,/*采用两片DAC0832同时生成三角波与锯齿波的程序*/#include#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharucharxdata*DAC0832;voidDelayMS(uintms)/延时程序uchari;while(ms-)for(i=0;i120;i+);voidmain()/主程序uchari,k,l;k=0,i=0,l=0;while(1)DAC0832=0 xDFFF;/指向(1)号DAC的第一级锁存器,if(k=0)/输出三角波i+;/数字量递增*DAC0832=i;if(i=255)k=k;DelayMS(1);elsei-;/数字量递减*DAC0832=i;if(i=0)k=k;DelayMS(1);DAC0832=0 xBFFF;/指向(2)号DAC的第一级锁存器*DAC0832=l;/输出锯齿波l+;DelayMS(1);DAC0832=0 x7FFF;/指向(1)号和(2)号的DAC锁存器地址*DAC0832=0 x00;/2个数据同时由第一级向第二级传送，,00:35,38,10.2A/D转换接口技术,模拟量到数字量的转换称为模/数转换，完成模/数转换的器件称为A/D转换器(AnalogtoDigitalConverter)，通常用ADC表示。ADC能够将电压信号转换为与之成比例的数字量。,分类：按照转换原理A/D转换器可分为逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、计数式A/D转换器和并行式A/D转换器。其中常用的是逐次逼近式A/D转换器和双积分式A/D转换器。逐次逼近式A/D转换器的精度、速度和价格比较适中，是最常用的A/D转换器件。双积分式A/D转换器转换精度高、抗干扰性好、价格便宜，但转换速度较慢，在转换速度要求不高的场合应用较为广泛。,00:35,39,10.2.1A/D转换器原理与技术指标,1.A/D转换器的原理,逐次逼近型A/D转换器的原理是“逐位比较”，其过程与用砝码在天平上称物体质量类似。用砝码在天平上称物体质量的示意图如图10-12所示，当被测物体放入左面的盘中后，我们就按从大到小的顺序先将最大砝码放入右面的盘中进行称量，如果此时天平向右倾斜，则从盘子中取出这个砝码，换成比它小一点的砝码重新称量，如此反复地称量下去，最后盘中所装砝码的总重量就是物体重量的近似值。,图10-12用砝码在天平上称物体质量的示意图,00:35,40,逐次逼近型A/D转换器结构：由D/A转换器、比较器和逐次逼近寄存器SAR组成。,图10-13逐次比较型的A/D转换器原理图,1）ADC从高到低逐次给SAR的每一位“置1”（即加上不同权重的砝码），SAR相当于放法码的称盘；2）每次SAR中的数据经D/A转换为电压VN；3）VN与输入电压VIN比较，若VNVIN，保持当前位的1，否则当前位置0；4）从高到低逐次比较下去，直到SAR的每一位都尝试完；5）SAR内的数据就是与Vi相对应的2进制数。,00:35,41,2.A/D转换器的主要技术指标,(a)未偏移时(b)偏移后图10-14ADC的转换特性,00:35,42,(5)量程量程是指A/D能够转换的电压范围，如0+5V，-10+l0V等。,00:35,43,ADC0809是典型的逐次逼近式8位A/D转换器，有8个模拟量输入通道，可对8路模拟信号轮流进行A/D转换，特点如下：分辨率为8位。转换时间为100s(当外部时钟输入频率fc=640kHz时)。单一+5V电源供电，模拟输入电压范围为0+5V。具有锁存控制的8通道多路输入模拟开关。可锁存三态输出，输出与TTL电平兼容。功耗为I5mW。不必进行零点和满度调整。转换速度取决于芯片外接的时钟频率。时钟频率范围：10kHz1280kHz。典型值为：时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。,10.2.2ADC0809芯片及其与单片机的接口,00:35,44,1.ADC0809的内部结构,由8位A/D转换器、8路模拟量选择开关、通道地址锁存与译码电路和三态输出锁存器构成。8路模拟量受选择开关的控制，同一时刻只有1路可以进入A/D转换器，通道号由地址译码电路根据A、B、C的值给出，转换成8位数字量后经输出锁存器并行输出。改变A、B、C三位的值，就可以选择不同的模拟量输入通道。,图10-15ADC0809的内部结构,00:35,45,2.ADC0809的引脚功能,图10-16ADC0809的引脚,共28脚，双列直插式封装。主要引脚功能如下：,(1)IN0IN7：8路模拟信号输入端。,(2)D0D7：8位数字量输出端。,(3)C、B、A：控制8路模拟通道的切换，C、B、A=000111分别对应IN0IN7通道。,(4)OE、START、CLK：控制信号端，OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。,VR(+)和VR(-)：参考电压输入端。,00:35,46,3.ADC0809与单片机的接口,图10-17ADC0809与单片机的接线图,通常用单片机的地址线作为ADC0809的模拟量通道选择输入端C、B、A的输入信号，可以用低8位地址(P0.7P0.0)也可以用高8位地址(P2.7P2.0)，如果接口比较空闲，P1口或P3口也可以作为C、B、A的输入信号。,转换结束后，根据EOC的连接可以有三种方式读取转换结果：与I/O线相连时，可以采用查询方式；反相后与INT0或INT1引脚相连时，可以采用中断方式；悬空不接时，可以采用定时方式(只要保证定时的时间大于转换时间即可)。,CLK时钟输入信号频率的典型值为640kHz。由于640kHz频率的获取比较复杂，因此在实际应用中多是由单片机的ALE提供，当osc=6MHz时，ALE引脚的频率为1MHz，再经2分频后为500kHz，可用作CLK时钟信号。,由于ADC0809输出具有三态锁存，所以其数据输出端可以直接与单片机的各并行口相连。START与ALE信号连在一起，这样在START端加上高电平启动信号的同时，将通道号进行锁存。START与ALE信号一起作为WR与P2.7经或非后的输出，这样当对P2.7进行写操作时，会在或非门的输出端形成脉冲，脉冲的上升沿使ALE信号有效，将通道地址进行锁存，由此选通IN0IN7中的一路模拟量进行转换，紧接着在脉冲的下降沿启动A/D转换。RD与P2.7经或非后与OE相连，因此对P2.7进行读操作时，OE信号有效，将输出三态锁存器打开，输出转换后的结果。注意，只有在EOC信号有效后，读P2.7才有意义。,00:35,47,4.应用举例,例10-3以AT89C51单片机作为控制核心，用ADC0809作为A/D转换器对电位器上在05V范围内变化的电压进行测量，用数码管显示测量结果，实现数字电压表的功能。设计数字电压表的Proteus仿真电路与相应的软件程序。,图10-18用ADC0809作为A/D转换器进行电压测量的电路,图10-18用ADC0809作为A/D转换器进行电压测量的电路,00:35,48,4.应用举例,(1)ADC0809的数据输出直接接单片机P1口。(2)用单片机的定时器0在P3.3引脚输出方波，以此方波作为CLOCK时钟信号。(3)转换结束信号可以使用查询方式，也可以使用中断方式，本题中将EOC接P3.1，准备采用查询方式检测转换结束信号。(4)ADC0809转换器的转换结果显示在4位七段共阳数码显示电路上，七段码的段选信号接单片机的P0口，位选信号的后三位接P2口的P2.5、P2.6、P2.7。电位器输入电压信号接于ADC0809的IN1端。,00:35,49,程序设计如下：/*用ADC0809进行电压测量*/#include#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitdp=P00;ucharcodeLEDData=0 x03,0 x9f,0 x25,0 x0d,0 x99,0 x49,0 x41,0 x1f,0 x01,0 x09;/09的字符编码sbitOE=P30;sbitEOC=P31;sbitSTART=P32;sbitCLK=P33;/P3.3引脚输出时钟信号voidDelayMS(uintms)uchari;while(ms-)for(i=0;i1.1V)就会发光。光信号作用在光敏三极管基极，产生基极光电流，使三极管导通，输出电信号，如图10-20所示。,图10-20光电耦合器的内部结构,00:35,54,光电耦合器的输入电路与输出电路是绝缘的。一个光电耦合器可以完成一路开关量的隔离，如果将光电耦合器8个或16个一起使用，就能实现8位数据或16位数据的隔离。,光电耦合器的输入侧都是发光二极管，但是输出侧有多种结构，如光敏晶体管、达林顿型晶体管、TTL逻辑电路以及光敏晶闸管等。光电耦合器的具体参数可查阅有关的产品手册，其主要特性参数有以下几个方面：,图10-20光电耦合器的内部结构,00:35,55,(1)导通电流和截止电流：对于开关量输出场合，光电隔离主要用其非线性输出特性。当发光二极管端通以一定电流时，光电耦合器输出端处于导通状态。当流过发光二极管的电流小于某一值时，光电耦合器输出端截止。不同的光电耦合器通常有不同的导通电流，一般典型值为10mA量级。,(2)频率响应：由于受发光二极管和光敏三极管响应时间的影响，开关信号传输速度和频率受光电耦合器频率特性的影响。因此，在高频信号传输中要考虑其频率特性。在开关量输出通道中，输出开关信号频率一般较低，不会受光电耦合器频率特性影响。,图10-20光电耦合器的内部结构,(3)输出端工作电流：是指光电耦合器导通时，流过光敏三极管的额定电流。该值表示了光电耦合器的驱动能力，一般为mA量级,(4)输出端暗电流：是指光电耦合器处于截止状态时输出端流过的电流。对光电耦合器来说，此值越小越好，以防止输出端的误触发。(5)输入输出压降：分别指发光二极管和光敏三极管的导通压降。(6)隔离电压：表示了光电耦合器对电压的隔离能力。,00:35,56,2.继电器输出接口,继电器方式的开关量输出，是目前最常用的一种输出方式。在驱动大型设备时，往往利用继电器作为测控系统输出至输出驱动级之间的第一级执行机构。通过该级继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。,继电器输出接口如图10-21所示，在经光电耦合器光电隔离后，直流部分给继电器控制线圈供电，而其输出触点则可直接与220V市电相接。由于继电器的控制线圈有一定的电感，在关断瞬间会产生较大的反电势，因此在继电器的线圈上常常反向并联一个二极管用于电感反向放电，以保护驱动晶体管不被击穿。不同的继电器，允许驱动电流也不一样。对于需要较大驱动电流的继电器，可以采用达林顿输出的光耦直接驱动。也可以在光耦与继电器之间再加一级三极管驱动。,图10-21继电器输出接口,00:35,57,3.双向晶闸管输出接口,双向晶闸管具有双向导通功能，能在交流、大电流场合使用，且开关无触点。因此在工业控制领域有着极为广泛的应用。传统的双向晶闸管隔离驱动电路的设计，是采用一般的