智能仪器原理与设计------第4章 开关量信号的输入输出
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光敏器件开关与单片机的接口电路 光敏器件是一种将光信号转换成电信号的器件，主要 有光敏二极管、光敏晶体管和光敏电阻等，具有亮阻低、 暗阻高的特点。在光的照射下，光敏器件吸收光子能量 产生电流和输出电压。 图4-5a中采用光敏二极管 将电度表铝盘的转数转换 成脉冲数，光敏管产生的 电脉冲输入到光电耦合隔 离器01，经光电耦合隔离 器送至89C2051单片机的外 部中断中进行计数处理。
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3．开关量信号的作用？ 开关量输入、输出部分是智能仪器与外部设备的联系部 件，智能仪器通过接受来自外部设备的开关量输入信号和向外 部设备发送开关量信号，实现对外部设备状态的检测、识别和 对外部执行元器件的驱动和控制。 4．常见电子开关都有哪些？ 常见电子开关有：扳键开关、BCD码拔盘开关、磁性开关、 光敏器件开关（光电开关、光纤开关等）、温度超限开关。 5.电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？ 由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电流 和开关的触点，这些信号经常会产生瞬时高压、过电流或接触 抖动等现象。因此为使信号安全可靠，在输入到单片机之前必 须接入信号输入电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、 电平转换和隔离保护等.
图4-2 扳键开关与单片机的接口电路
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软件上，采用了JC指令逐个移位顺序判别方法编程和用 CJNE指令采取字节比较的判断方法编程。控制转移类指令的本 质是改变程序计数器PC的内容，从而改变程序的执行方向。 以下是本节用到的MS51汇编语言指令介绍： MOVX：外部数据传送指令；外部RAM只能通过累加器A进行数据 传送。累加器A与外部RAM之间传送数据时只能间接寻址方式， 间接寻址寄存器为DPTR，R0，R1； RET：子程序返回指令 JC：有进位时转移指令 RLC：循环左移指令 CPL：按位取反指令 LJMP addr16：程序跳转到地址为addr16开始的地方执行 CJNE A,#data,rel：若A≠#data, 则PCPC+rel，否则顺序执 行；若 A<#data，则CY=1，否则CY=0（以上指令结果影响程序 状态字寄存器PSW的CY标志）
1．开关和开关量信号的区别？ 开关是一种有二个可选择的、有固定位置的装 置，主要用于向单片机输入电平信号。开关量信号 就是通过拨动开关的位置，使单片机得到的一个固 定不变的电平信号。在智能仪器中用于向单片机输 入控制命令或数据，开关信号可以通过机械式开关、 电子式开关、温度开关等方式产生。 2．开关量信号的特点是什么？ 只有开和关、通和断、高电平和低电平两种状 态的信号叫开关量信号，在智能仪器的电子电路中， 通常用二进制数0和1来表示。
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图4-3中，拨盘开关的控制引脚A接+5V，4位数 据线分别通过电阻接地，再与4位并行输入线相连， BCD码拨盘开关处于某个位置时，就是拨盘开关所 指示的BCD码。 当80C51单片机的P0口总线负载达到或超 过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱 动器。当片选端/G低电平有效时，DIR=“0”，接收 信号；DIR=“1”，发送信号；当/G为高电平时，A、 B均为高阻态。这样，通过74LS245缓冲驱动器将2 位十进制数输入单片机。
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4.1开关量信号的输入
开关量信号和单片机的电气接口有TTL（晶体管---晶 体管逻辑）电平、CMOS（互补对称金属氧化物半导体集成 电路）电平、非标准电平、开关或继电器的触点等，请说 明TTL电平和CMOS电平的特征？
TTL电平（晶体管-晶体管逻辑电平）,通常数据表示采用 二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”， 这 是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。 TTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。TTL电路的速度快， 传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。 CMOS电平：CMOS电平+12V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑 “0”， COMS速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。 5V的电平不能触发CMOS电路，12V的电平会损坏TTL电路，因 此不能互相兼容匹配
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74系列芯片的特征，类别功能和区别
在外设接口电路中，经常需要对传输过程中的信息 进行放大、隔离以及锁存，能实现上述功能的接口芯片 最简单的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。 74系列器件是一种中小规模TTL集成电路芯片，这是 一种低成本、工业和民用产品，工作温度为0～70℃，以 功耗和速度分类有如下几类，对于相同编号（XXX）、不 同类型的芯片，其逻辑功能完全一样。 （1）74 X X X——标准TTL； （2）74LX X X——低功耗TTL； （3）74SX X X——肖特基型TTL； （4）74LSX X X——低功耗肖特基型TTL；
（5）74ALSX X X——高性能型TTL； （6）74FX X X——高速型TTL。
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高电平、低电平 和高阻抗
74LS244是一种三态输出的八位缓冲器，该缓冲器有8 个输入端，分为两路——1A1～1A4，2A1～2A4，同时8个输 出端，也分为两路——1Y1～1Y4，2Y1～2Y4，分别由2个门 控信号1G和2G控制，当记为低电平时，1Y1～1Y4的电平与 1A1～1A4的电平相同，即输出反映输入电平的高低；同样， 当2G为低电平时，2Y1～2Y4的电平与2A1～2A4的电平和同。 而当1G（或2G）为高电平时，输出1A1～1A4（或2A1～2A4） 为高阻态。经74LS244缓冲后，输入信号被驱动，输出信号 的驱动能力加大了。4LS244缓冲器主要用于三态输出的存储 地址驱动器、时钟驱动器和总线定向接收器和定向发送器等。 74LS245是一种三态输出的8总线收发器，该收发器有16 个双向传送的数据端，即A1～A8，B1～B8，另有两个控制 端——使能端G，方向控制端DIR，74LS245通常用于数据的 双向传送、缓冲和驱动。 74LS06：六高压输出反相缓冲器/驱动器。
磁性开关
红外光敏开关
光电开关 热敏开关
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外界的开关量信号在一般情况下可直 接连入以单片机为核心的智能仪器中。但 当外界的开关量信号的电平幅度与单片机I ／O端口的信号电平不相符时（由于这些电 平信号功率有限，加上外界还存在各种干 扰和影响），应在电平转换后(采用各种缓 冲、放大、隔离和驱动电路等措施），再 输入到单片机的I／O端口上。
第三章复习
1.软件系统的上层模块主要有主程序和中断 子程序组成. 2.软件系统的10个主要功能模块? 3.自检模块的主要功能?如何规划? 4.初始化模块的主要功能?如何规划? 5.一个完整的软件系统主要包括哪几部分?
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第四章
开关信号的输入/输出
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磁性开关与单片机的接口电路
图4-4ａ 霍尔元件差动放大电路
磁性开关一般由霍尔元 件型、干簧管型等，常用于 监测门窗是否打开及各种脉 冲式水表气表。此时，需在 普通转盘计数的仪表中加装 霍尔元件和磁铁，即可构成 基于磁电转换技术的传感器。
图4-4ａ所示的电路中，若有磁场作用，则霍尔元件会输 出120mV电压信号，经过约40倍的差动放大器放大整形后，在 Vout上输出高电平；否则输出低电平。霍尔元件和运放电路一 起，构成了开关型霍尔传感器，将这个信号输送到单片机的I／ O口或外部中断引脚，即可实现霍尔检测开关控制 ．
地址锁存允 许
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4.1.1 开关量信号输入通道结构 开关量输入通道通常由 单片机(接受和处理开关信 号)、信号输入调理电气接 口（信号滤波电平转换、隔 离保护等）、信号输入缓冲 器（缓冲和选通外部输入信 号）、输入／输出地址译码 器（将外部开关信号转换为 0，1信号）和读／写控制电 路（外部输入信号的读写控 制）组成。
图4-５ａ 脉冲电表计数电路
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图4-５b 光电开关和单片机的 接口电路
图4-5B中的D为红外发光二极管， R1为限流电阻，T是光电接收三极 管，R2为取样电阻。D在+5V的作用 下，产生红外光线，当红外光线没 有被挡住时，T导通饱和向单片机 输入一个O电平信号，当红外光线 被挡住时，T截止向CPU输入一个1 电平信号。向单片机输入开关信号, 就能对红外光线进行控制。根据发 光二极管与接收三极管的不同位置 设计的开关接口电路，可以应用于 计数、位置状态、转速等多方面测 试。
图4-1 开关量信号输入通道结构
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4.1.2 开关量输入接口
1 扳键开关与单片机的接口电路 图中， 扳键开关将高电平 或低电平经单片机的I／O引脚 输入缓冲器74LS244，74LS244 的数据输入端与单片机89C51 的P0口相连接，用于8位数据 的传送，89C51的P1.7和/RD作 为74LS244的选通信号 。当扳 键开关合上时，将向P0口的相 应引脚送入低电平；反之，当 开关打开时，将向P0口送入高 电平。
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74LS273是带公共时钟复位八路触发器；74LS373是三态同 相八路锁存器；273与373的引脚排列是相同的,唯一的差别是两 者1、11脚的功能不同。 74LS273 1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时, 输出脚全部输出0,即全部复位 ；当1脚为高电平时,11(CLK)脚 是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立 即锁存输入脚的电平状态,并且立即呈现在在输出脚 上。 74LS373 1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高 电平时,不管输入如何,也不 管11脚(锁存控制端,G)如何,输出 全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态)；当1脚是低电平时,只要 11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出立即呈现输入脚的 状态 。 所以,如果分别用273和373来作为单片机的地址锁存器的话, 对273来说,1(CLR)脚必须接高电平,ALE信号经过反相后接11脚 (因为单片机的ALE信号是以下降沿方式出现)；对373来说,1脚 接低电平,保证使能,11脚直接接单片机的ALE信号 。