山东大学单片机原理与应用07信号的输入输出技术

第七章第七章 信号的输入输出技术信号的输入输出技术 7.1 7.1 单片机应用系统的结构单片机应用系统的结构7.2 7.2 模拟信号的输入模拟信号的输入传感器技术传感器技术7.3 7.3 模拟信号的输入模拟信号的输入-A/D-A/D转换转换7.4 7.4 模拟信号的输出模拟信号的输出-D/A-D/A转换转换7.5 7.5 开关量的输入输出开关量的输入输出7.6 7.6 信号输入输出实验信号输入输出实验 7.1 7.1 单片机应用系统的结构单片机应用系统的结构图图7.17.1单片机应用系统的基本结构单片机应用系统的基本结构 单片机应用系统的核心任务：单片机应用系统的核心任务： 根据一定的输入（前向通道），结合一定的处理算根据一定的输入（前向通道），结合一定的处理算法，然后作出一定的输出响应（后向通道）。法，然后作出一定的输出响应（后向通道）。输入：输入： 包括包括模拟输入模拟输入和和数字输入数字输入，电量信号输入电量信号输入和和非电量非电量信号输入信号输入。对于非电量输入需要通过传感器将非电物。对于非电量输入需要通过传感器将非电物理量转换为模拟电信号。理量转换为模拟电信号。 预处理：预处理：一般包括一般包括放大器放大器和和滤波器滤波器两部分：两部分： 信号经过放大器的放大变为具有一定幅值的模拟输入信号； 滤波器（低通或带通）的作用则是滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。 A/DA/D转换：转换：将模拟信号转换为数字信号。将模拟信号转换为数字信号。 MCS-51单片机是整个系统的控制和处理核心，它是一个数字处理芯片，要求所有的输入和输出都是具有TTL电平的数字信号。这样模拟信号要想输入到单片机中必须先将其转换成数字信号。 A/D转换器的任务就是在满足奈奎斯特采样定理的条件下，将模拟信号转换为数字信号。 对于开关量，可以很容易的映射成数字的0或者1，即TTL的低电平和高电平，映射后的这些数字信号就可以直接输入到单片机内部。输出：输出： 处理的结果需要输出，对于开关量的输出，可以简单地经过映射部件，将单片机的TTL电平输出信号转换成所需要的开关量进行输出。 D/AD/A转换：转换： 有些输出需要以模拟信号的形式存在（如语音信号），单片机输出的TTL电平数字信号必须经过D/A转换。 由于转换后模拟信号中往往含有许多高频成分，因此也需要通过滤波器滤波器滤除这些高频信号，以获得平滑的模拟输出信号。有时候，输出的模拟信号还有电压、电流、功率等要求，D/A转换后的模拟信号需要经过一定的模拟电路来满足这些要求。7.2 7.2 模拟信号的输入模拟信号的输入传感器技术传感器技术 传感器：传感器： 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量输将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置，也叫变换器、换能器或探测器。出的器件或装置，也叫变换器、换能器或探测器。通常，传感器由敏感元件和转换电路组成，如图： 图图7.2 7.2 传感器结构示意图传感器结构示意图 敏感元件：敏感元件： 传感器中能直接感受或响应被测量的部分； 转换元件：转换元件： 传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号。 信号调理和转换电路：信号调理和转换电路： 由于传感器输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理和转换电路，进行放大、运算调制等。 辅助电路：辅助电路： 主要是指电源。7.2.17.2.1传感器的分类传感器的分类、按传感器的物理量：、按传感器的物理量： 可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器；传感器；、按传感器工作原理：、按传感器工作原理： 可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。栅、热电偶等传感器。、按传感器输出信号的性质：、按传感器输出信号的性质： 可分为：输出为开关量（可分为：输出为开关量（“”和和 ”或或“开开”和和“关关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。输出为脉冲或代码的数字型传感器。7.2.27.2.2传感器特性传感器特性 选择传感器主要考虑灵敏度灵敏度、响应特性响应特性、线性范围、稳线性范围、稳定性、精确度、测量方式定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题：p 当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号检测到有用的微小信号; ;又能使噪声干扰小，要求传又能使噪声干扰小，要求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。p 与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。量范围。p 当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好；如果被测量是就要求传感器单向灵敏度愈高愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。敏度愈小愈好。2、响应特性、响应特性 传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们总希望延迟的时间越短越好。 一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽; 结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。3、线性范围、线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。 对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。4、稳定性、稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间时间与与环境环境。 为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题： 一、根据环境条件选择传感器。一、根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质。 二、要创造或保持一个良好的环境二、要创造或保持一个良好的环境，在要求传感在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。对传感器的稳定性有严格的要求。5、精确度、精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。度。如前所述，传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。 在实际中并非要求传感器的精确度愈高愈好，需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。 在选择时，首先应了解测试目的首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确。如果是定量分析，那么必须获得精确量值。但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.10.01m范围内，欲测得这样的精确量值，必须有高精确度的传感器。6、测量方式、测量方式 传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。 接触与非接触测量：接触与非接触测量： 在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。破坏与非破坏性测量破坏与非破坏性测量 在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏性检验。然而有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法。例如，涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益.在线与非在线测量在线与非在线测量 在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠，必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、千涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方面。7.2.3 7.2.3 常用传感器简介常用传感器简介1、红外光电传感器、红外光电传感器 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器发送器、接收器接收器和检测电路检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。检测电路能滤出有效信号和应用该信号。常用的光电传感器分以下几种：常用的光电传感器分以下几种：槽型光电传感器槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。对射型光电传感器对射型光电传感器 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称由一个发光器和