單片機信號輸入輸出

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1、第七章信號的輸入輸出技術(shù)7.1單片機應用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.2模擬信號的輸入—傳感器技術(shù)7.3模擬信號的輸入--A/D轉(zhuǎn)換7.4模擬信號的輸出--D/A轉(zhuǎn)換7.5開關(guān)量的輸入輸出7.6信號輸入輸出實驗7.1單片機應用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖7.1單片機應用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單片機應用系統(tǒng)的核心任務(wù)：根據(jù)一定的輸入（前向通道），結(jié)合一定的處理算法，然后作出一定的輸出響應（后向通道）。輸入：包括模擬輸入和數(shù)字輸入，電量信號輸入和非電量信號輸入。對于非電量輸入需要通過傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換為模擬電信號。預處理：一般包括放大器和

2、濾波器兩部分：信號經(jīng)過放大器的放大變?yōu)榫哂幸欢ǚ档哪M輸入信號；濾波器（低通或帶通）的作用則是濾除輸入模擬信號中的無用頻率成分和噪聲，避免采樣后發(fā)生頻譜混疊失真。A/D轉(zhuǎn)換：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。MCS-51單片機是整個系統(tǒng)的控制和處理核心，它是一個數(shù)字處理芯片，要求所有的輸入和輸出都是具有TTL電平的數(shù)字信號。這樣模擬信號要想輸入到單片機中必須先將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)就是在滿足奈奎斯特采樣定理的條件下，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。對于開關(guān)量，可以很容易的映射成數(shù)字的0或者1，即

3、TTL的低電平和高電平，映射后的這些數(shù)字信號就可以直接輸入到單片機內(nèi)部。輸出：處理的結(jié)果需要輸出，對于開關(guān)量的輸出，可以簡單地經(jīng)過映射部件，將單片機的TTL電平輸出信號轉(zhuǎn)換成所需要的開關(guān)量進行輸出。D/A轉(zhuǎn)換：有些輸出需要以模擬信號的形式存在（如語音信號），單片機輸出的TTL電平數(shù)字信號必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換。由于轉(zhuǎn)換后模擬信號中往往含有許多高頻成分，因此也需要通過濾波器濾除這些高頻信號，以獲得平滑的模擬輸出信號。有時候，輸出的模擬信號還有電壓、電流、功率等要求，D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號需要經(jīng)過一定的模擬

4、電路來滿足這些要求。7.2模擬信號的輸入—傳感器技術(shù)傳感器：將被測非電量信號轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的電量輸出的器件或裝置，也叫變換器、換能器或探測器。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成，如圖：圖7.2傳感器結(jié)構(gòu)示意圖敏感元件：傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件：傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適合于傳輸或測量的電信號。信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路：由于傳感器輸出信號一般都很微弱，因此需要有信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換電路，進行放大、運算調(diào)制等。輔助電路：主要是指電源。7.2.1傳感器的分類１、按

5、傳感器的物理量：可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器；２、按傳感器工作原理：可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。３、按傳感器輸出信號的性質(zhì)：可分為：輸出為開關(guān)量（“１”和"０”或“開”和“關(guān)”）的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。7.2.2傳感器特性選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。除了以上選用傳感器時應充分考慮的一些因素外，還應盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小。重量輕、價格便宜

6、、易于維修、易于更換等條件。1、靈敏度一般說來，傳感器靈敏度越高越好，因為靈敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大的輸出。但是，在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題：當傳感器的靈敏度很高時，那些與被測信號無關(guān)的外界噪聲也會同時被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。因此，為了既能使傳感器檢測到有用的微小信號;又能使噪聲干擾小，要求傳感器的信噪比愈大愈好。也就是說，要求傳感器本身的噪聲小，而且不易從外界引進干擾噪聲。與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當傳感

7、器的線性工作范圍一定時，傳感器的靈敏度越高，干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)工作。不言而喻，過高的靈敏度會影響其適用的測量范圍。當被測量是一個向量時，并且是一個單向量時，就要求傳感器單向靈敏度愈高愈好；如果被測量是二維或三維的向量，那么還應要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。2、響應特性傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，但我們總希望延遲的時間越短越好。一般物性型傳感器(如利用光電效應、壓電效應等傳感器)響應時間短，工作頻率寬;結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的

8、影響機械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄。3、線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。例如，機械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測力量程的基本因素，當超出測力元件允許的彈性范圍時，將產(chǎn)生非線性誤差。對任何傳感器，保證其絕對工作在線性區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。例如，變間