第章开关量输入输出的隔离技术
2023年大学_计算机控制技术第二版(温希东著)课后答案下载
2023年计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案下载2023年计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案下载本书全面系统地介绍了计算机控制系统的基本组成和在工业控制中的应用技术，并结合实际深入浅出地介绍了几种典型的控制系统和控制技术。
主要内容包括：计算机控制系统概述、开关量输入/输出通道与人机接口、顺序控制与数字控制、模拟量输入/输出通道、PID调节器的数字化实现、计算机控制系统的抗干扰技术及工业控制微型计算机。
为了帮助读者掌握各部分内容，书中每章后面都附有习题。
本书可作为高职高专院校应用电子技术、自动化、机电一体化、电气工程等专业的计算机控制技术课程的教材，也可作为从事计算机控制工作的工程技术人员的参考书。
计算机控制技术第二版（温希东著）：内容简介点击此处下载计算机控制技术第二版（温希东著）课后答案计算机控制技术第二版（温希东著）：目录第1章计算机控制系统概述 11.1 计算机控制系统的组成 11.1.1 计算机控制系统的硬件组成 31.1.2 计算机控制系统的软件 41.2 工业控制计算机的特点 41.3 微型计算机控制系统的主要结构类型 51.3.1 计算机操作指导控制系统 51.3.2 直接数字控制系统 51.3.3 监督计算机控制系统 61.3.4 集散型控制系统 61.3.5 现场总线控制系统 71.3.6 工业过程计算机集成制造系统 81.4 微型计算机控制系统的发展 91.4.1 计算机控制系统的发展过程 91.4.2 近年来计算机控制系统在我国的发展趋势 9 习题 13第2章开关量输入/输出通道与人机接口 142.1 过程通道的分类 142.2 开关量输入/输出通道 152.2.1 开关量输入/输出通道的一般结构形式 15 2.2.2 开关量输入信号的调理 162.2.3 开关量输出驱动电路 192.2.4 开关量输入/输出通道的设计 21 2.3 人机接口——键盘 222.3.1 非编码键盘 232.3.2 编码键盘 282.4 人机接口——数字显示方法 312.4.1 发光二极管LED显示 312.4.2 LCD显示接口技术 38习题 81第3章顺序控制与数字控制 833.1 顺序控制 833.1.1 顺序控制系统的类型 833.1.2 顺序控制系统的组成 853.1.3 顺序控制系统的应用领域 853.1.4 顺序控制的应用实例 863.2 数字程序控制 883.2.1 数值插补计算方法 883.2.2 逐点比较法直线插补 893.2.3 逐点比较法圆弧插补 943.2.4 步进电机工作原理 993.2.5 步进电机控制系统原理 1013.2.6 步进电机与微型机的接口及程序设计 103 3.2.7 步进电机步数及速度的计算方法 1083.2.8 步进电机的变速控制 109习题 110[1]第4章模拟量输入/输出通道 1124.1 模拟量输入通道 1124.1.1 输入信号的处理 1124.1.2 多路开关 1134.1.3 放大器 1174.1.4 采样保持器(S/H) 1194.1.5 模/数(A/D)转换器及其应用 1204.2 模拟量输出通道 1284.2.1 DAC的工作原理 1284.2.2 多路模拟量输出通道的结构形式 1304.2.3 D/A输出方式 1314.2.4 失电保护和手动/自动无扰动切换 1324.2.5 DAC的主要技术指标 1324.2.6 典型应用例子 133习题 135第5章 PID调节器的数字化实现 1375.1 PID调节器 1385.1.1 PID调节器的优点 1385.1.2 PID调节器的作用 1385.2 数字PID控制器的设计 1415.2.1 PID控制规律的离散化 1425.2.2 PID数字控制器的实现 1435.3 数字PID控制器参数的整定 1455.3.1 采样周期的选择 1455.3.2 PID控制器参数的整定 146习题 150第6章计算机控制系统的抗干扰技术 152 6.1 干扰信号的类型及其传输形式 1526.2 抗干扰技术 1536.2.1 接地技术 1546.2.2 屏蔽技术 1556.2.3 隔离技术 1566.2.4 串模干扰的'抑制 1566.2.5 共模干扰的抑制 1576.2.6 长线传输中的抗干扰问题 157[1] 6.3 电源干扰的抑制 1586.3.1 电源干扰的基本类型 1586.3.2 电源抗干扰的基本方法 1596.4 CPU软件抗干扰技术 1616.4.1 人工复位 1626.4.2 掉电保护 1626.4.3 睡眠抗干扰 1636.4.4 指令冗余 1646.4.5 软件陷阱 1646.4.6 程序运行监视系统(WATCHDOG) 167 6.5 数字信号的软件抗干扰措施 1706.5.1 数字信号的输入方法 1706.5.2 数字信号的输出方法 1716.5.3 数字滤波 172习题 176第7章工业控制微型计算机 1777.1 工业控制计算机的特点 1777.2 总线式工控机的组成结构 1787.3 常用工控总线(STD/VME/IPC工控机) 179 7.3.1 STD总线工控机 1797.3.2 MC6800/MC68000工控机 1797.3.3 IPC总线工控机 1797.4 IPC的主要外部结构形式 1807.4.1 台式IPC 1807.4.2 盘装式IPC 1817.4.3 IPC工作站 1817.4.4 插箱式IPC 1827.4.5 嵌入式IPC 1837.5 IPC总线工控机内部典型构成形式 1847.5.1 工业控制计算机的组成 1847.5.2 工业控制计算机系统的组成 1857.6 IPC总线工业控制计算机常用板卡介绍 186 7.6.1 IPC总线工业控制计算机的概念 1867.6.2 工业控制计算机I/O接口信号板卡 187 习题 192附录 ST7920GB中文字型码表 193参考文献 198。
开关量输入输出电路
谢谢观看
只要通过软件使并行口的PB0输出 “0”，PB1输出“1”，便可使与非门 H1输出低电平，光敏三极管导通，继电 器KM被吸合。
在初始化和需要KM返回时，PB0=1， PB1=0
设置反相器B1及与非门H1而不将发 光二极管直接同并行口相连，一方面是因 为并行口带负载能力有限，不足以驱动发 光二极管，另一方面是因为采用与非门后 要满足两个条件才能使KM动作，增加了 抗干扰能力。
开关量输入、 输出电路
五、开关量输入及输出
基本功能：将测控对象需要的状态信号引入微机系统，并将CPU送出的数 字信号或数据进行显示、控制或调节。
（一）开关量输入电路
包括：断路器和隔离接头等输入、外部装置闭锁重合闸触点接入、装置上连接片位置输 入等回路。
对于从装置外部引入的 接点，当S1接通时，有电流 通过光电掐进的发光二极管 回路，使光敏三极管导通。 S1断开时，光敏三极管截止。 因此，三极管的导通与截止 完全反应了外部接点的状态。
五、开关量输入及输出
（二）开关量输出回路
包括自动装置的跳闸出口及信号，一般采用并行接口的输出来控制有接点继 电器。为了提高抗干扰能力，也经过一级光电隔离。
1、安装在装置面板上的接点。包括在装置调试时用的或运行中定期检查装 置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。
2、从装置外部经端子排引入装置的接点。如需要由运行人员不打开装置外 盖在运行中切换的各种压板、转换开关及其他装置和操作继电器。
五、开关量输入及输出
（一）开关量输入电路
对于装在面板上的接点， 可直接接至微机的并行口， 只要在可初始化时规定图中 可 编 程 的 并 行 口 PA 0 为 输 入 端，CPU就可以通过软件查 询，随时知道外部接点S1的 状态。
2.5 开关量输入输出通道
PC总线接口逻辑部分由8位数据总线缓冲器、基址 译码器、输入和输出片址译码器组成。 I/O功能逻辑部分只有简单的输入缓冲器和输出锁 存器。其中，输入缓冲器起着对外部输入信号的缓冲、 加强和选通作用；输出锁存器锁存CPU 输出的数据或 控制信号，供外部设备使用。I/O缓冲功能可以用可 编程接口芯片如8255A构成，也可以用74LS240、244、 373、273等芯片实现。 I/O电气接口部分的功能主要是：电平转换、滤波、 保护、隔离、功率驱动等。 各种数字量I/O模板的前两部分大同小异，不同的 主要在于I/O电气接口部分，即输入信号的调理和输 出信号的驱动，这是由生产过程的不同需求所决定的。
1、
三极管驱动电路
对于低压情况下的小电流开关量， 用功率三极管就可作开关驱动组件， 其输出电流就是输入电流与三极管增 益的乘积。
（1）普通三极管驱动电路
当驱动电流只有十几 mA或几十 mA时，只要采用一个普通的功 率三极管就能构成驱动电路，如图所示。
（2）达林顿驱动电路
当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱 动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电 路必须采取多级放大或提高三极管增益的办 法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管 组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻 抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的 特点，同时多对复合管也非常适用于计算机 控制系统中的多路负荷。
当然，在实际使用中，要特别注意 固态继电器的过电流与过电压保护以及 浪涌电流的承受等工程问题，在选用固 态继电器的额定工作电流与额定工作电 压时，一般要远大于实际负载的电流与 电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增 加阻容吸收组件。具体电路与参数请参 考生产厂家有关手册。
四、
DI/DO模板
把上述数字量输入通道或数字量输出 通道设计在一块模板上, 就称为DI模板或 DO模板，也可统称为数字量I/O模板。图314为含有DI通道和DO通道的PC总线数字量 I/O模板的结构框图，由PC总线接口逻辑、 I/O功能逻辑、I/O电气接口等三部分组成。 如图3-14所示。
第三节开关量输入输出电路
第三节 开关量输入输出电路
微机继电保护装置在运行时， 微机经常需要接收或发送一些以开
关量形式出现的控制信号。 在接收这些开关量信号时， 微机不能直接 接收， 而是必须经过专用的开关量输入电路转换成微机接口元件可接
收的电平信号之后， 才允许进入微机； 而在微机发送出这类开关量信 号时， 这种数字信号也不能直接去驱动相关的执行元件， 而是将这种
输出的数字信号经过专用的开关量输出电路转换成模拟电压信号后， 才能驱动相应的执行元件，完成微机发出的继电保护命令。
一！一 ９
太原理工大学硕士学位论（
第二 章
一．开 输入，路 ‘ 关最 １ １ ．
１ ．输入开关最
Ｉ微机输入的开关吊即触点状态的输入信 号 ｝ ｄ 通常司分为内部开
关鼠和外部开 关鼠两类
０ 内部汗关吊： 少 反映安装在微机继电保护装置内部的触奴状态的开
关量， 称为内部开关量。 对十这一类的触点状态包括起动继电器
触点的状态，例如，当线路发生故障时，起动继电器动作，Ｓ触 ｝
作状态。
对于从微机继电保护装置外部引入的开关量触点状态， 如果也按
上述方式引入， 将给微机带来干扰信号， 因此应采用光电祸合隔离技
术将开关量回路 与 微机并行接口回路隔离后， 再将开关量信号接入微
机并行接口上。
一！ ９一
太原理工戈学硕士学位论文
第二 章
一 开关最 输出Ｉ路 Ｌ ！
在微机继电保护装置中， 山微机发出的汗关量形式的数字信 号上 要是保护跳闸及具它控制信 号， 这类数字信 甘一般是经过专川开关最 输出电路将数字信 号转换成模拟电压信 号后 刁 去驭动相应的执行 能
计算机控制(第五章开关IO电机控制步进电机)
（七）电磁阀接口技术 电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。广泛应用于液 压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。 电磁阀可分为交流和直流两类，根据其阀位和通道数目有 两位三通、两位四通、三位四通等。 下图为电磁阀的结构原理图。
交流电电磁阀常要使用双向可控硅驱动或用一个直流继 电器作为中间继电器控制。
下图为交流电磁阀的接口电路。MOC3041为光电耦合 器，用于触发双向晶闸管KS，以及隔离单片机和电磁阀系统。
（八）报警程序的设计
常用的报警方式有： 1、 声语言报警：电铃，电笛，频率可调的蜂鸣震 荡音响，集成电子音乐芯片，语音芯片等。 2、 显示报警：LED指示灯，闪烁的白炽电灯， LED、LCD数码管，LED、LCD图形显示器，CRT 显示器等。 3、 图形、声音的混合报警。
三、电机控制接口技术
电动机的应用非常广泛。电机分为动力电机和控制电机。 现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、带 负载能力、灵活性、智能化等。 电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、智 能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。目 前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制板。 不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。 （一）小功率直流电机调速原理 小功率直流电机的调速可通过控制电枢平均电压来实现。 用微机或单片机控制，通过改变电枢电压接通时间与通电周期的 比值（即占空比）来控制电机速度——此即脉冲宽度调制PWM。 电机转速由电枢电压Ua决定， Ua越大，电机转速越高。 电机通电时速度增加，断电时速度逐渐减小，控制通、断时间比 即可控制电机转速。 设电机全通电时的转速为Vmax，占空比为D=t1/T,则电机的 平均速度为：Vd=Vmax×D （近似的线性关系）
开关量信号的输入输出
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通 道结构 4、注意： P1口可直接输出（锁存 器和地址译码电路可省 略）最多8个开关量信号。 P0口经锁存电路隔离可 接多组8个开关量输出。 当驱动小负载时，输出 驱动电路可省略。
§4.2 开关量信号的输出
二、开关量输出接口的简单设计 1、P1口开关量的输出 练习：通过P1口直接控制8个LED发光二 极管，画出硬件电路图，并写出控制发光 二极管点亮的指令。
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通道 结构 3、各部分作用 锁存器：当开关量信号从 P0口输出时，锁存器起到ห้องสมุดไป่ตู้隔离数据总线的作用。常 用锁存器如74LS373、 74LS273、74LS377等 地址译码控制：锁存器的 锁存地址控制 输出驱动电路：提高输出 开关量信号的输出功率。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接 口电路 在驱动功率较大的继电 器和电磁开关等控制对 象，要求提供50~500 mA的电流时，可使 用MC1413 （ULN2003）、 MC1416（ULN2004） 等达林顿管集成电路。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接口 电路 若图中继电器需要100mA 吸合电流，则（V+—0.3） /（r+R2）=I=100，其中r 是继电器的线圈内阻，当已 知V+时，可求R2 取 MC1413的放大倍数 β=100，P1.0输出电流 =100mA/β=1mA， 1*R1+0.7+0.7+100*R2 =5, 可求R1
§4.2 开关量信号的输出
三、开关量输出的功率接口电路设计 1、小功率驱动接口：
PLC开关量输入输出接口
PLC开关量输入输出接口➢输入接口1.汇点输入（漏形输入）：一种由PLC内部提供输入信号电源、全部输入信号的一端汇总到输入的公共连接端（COM）的输入形式。
a.PLC汇点输入的接口电路:实际PLC接口电路，根据PLC厂家、输入模块型号的不同有所区别，一般还有输入指示LED、输入信号滤波、输入稳压等辅助电路等。
如图所示，当输入接入K1闭合时，PLC的内部DC24V 通过光电耦合器件、限流电阻、输入触点经公共端COM 构成电流回路。
b.传感器输出电路：传感器的输出电路大概分为两种，NPN集电极开路输出和PNP集电极开路输出。
c.检测元件信号与PLC汇点输入的连接当NPN导通时，PLC的内部DC24V通过光耦合器、限流电阻经公共端COM构成回路，输入为“1”；当NPN 截止时，上拉电阻上端为“24V”，光耦合器无电流，内部信号为“0”。
当PNP导通时，下拉电阻上端为“24V”,光耦合器无电流，内部信号为“0”；当PNP截止时，PLC的内部DC24V通过光耦合器、限流电阻、下拉电阻经公共端COM构成回路，输入为“1”。
2.源输入（源形输入）：是一种由外部提供输入信号电源（或使用PLC内部提供给输入回路的电源），全部输入信号为“有源”信号，并独立输入。
a.PLC源输入的接口电路:实际PLC接口电路，根据PLC厂家、输入模块型号的不同有所区别，一般还有输入指示LED、输入信号滤波、输入稳压等辅助电路等。
如图所示，当输入接入K1闭合时，外部DC24V通过光电耦合器件、限流电阻、输入触点经公共端COM构成电流回路。
b.检测元件信号与PLC源输入的连接当NPN导通时，上拉电阻下端为0V，光电耦合器无电流，内部信号为“0”；当NPN截止时，上拉电阻下端为24V，电流通过上拉电阻、限流电阻、光电耦合器，经公共端COM构成回路，输入为“1”。
当PNP导通时，下拉电阻上端为24V，电流通过限流电阻、光电耦合器，经公共端COM构成回路，内部信号为“1”；当PNP截止时，下拉电阻的上端为0V,光电耦合器无电流，内部信号为“0”。
计算机控制系统：第2章 输入输出通道
3.并行接口的ADC0809
CLOCK ADDA--ADDC
START ALE
EOC OE
D0--D7
转换时间
ADC0809工作时序图
2.2.3模拟转换器
3.并行接口的ADC0809
ADC0809工作时序图 ADC0809与51单片机的接口电 路
2.2.3模拟转换器
4.应用举例
ADC0809模拟输入原理图
DI7
DI0
Rfb Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vx
WR2
CS
XFER
DAC0832
DI7 DI0 Rfb
Iout1
-
WR1
Iout2
+
Vy
WR2
DAC0832和51单片机双缓冲连接
P2.0 P2.1 P2.2 P0口 WR
80C51
CS DAC0832
XFER
DI7
DI0
Rfb IouΒιβλιοθήκη 1-WR1❖ 30℃：Rt＝5.6K VAD＝5×500/(5600＋500)＝0.410(V) 对应AD值：14H
❖ 40℃：Rt＝3.8K VAD＝5×500/(3800＋500)＝0.581(V) 对应AD值：1DH
单片机抗干扰技术开关量输入输出通道隔离
周围空间中的电磁场对信号线 的电磁感应干扰。
接地系统干扰
由于接地不良或地线配置不当 导致的地线噪声干扰。
信号传输线干扰
信号传输线上的外部干扰信号 通过电感和电容耦合引入。
开关量输入通道隔离技术
01
光耦隔离
利用光耦器件将输入和输出电路隔 离，以减小干扰信号的影响。
变压器隔离
利用变压器原理实现输入和输出电 路的隔离，降低共模干扰。
单片机在工作过程中，其电路板 和元件会受到周围空间电磁辐射 的影响，导致信号失真和噪声干 扰。
接地系统干扰
接地系统不良或不合理，会导致 信号接地电位不均，产生电位差， 从而引入干扰信号。
开关量输出通道隔离技术
光耦隔离
光耦隔离是利用光耦合器的工作原理，将单片机开关量输出信号通过光耦隔离器进行隔离，以减小外界干扰对输出信 号的影响。
03
02
继电器隔离
通过继电器触点实现输入信号的电 气隔离，提高抗干扰能力。
运算放大器隔离
通过运算放大器将输入信号进行放 大和隔离，提高信号质量。
04
开关量输入通道隔离的实现方法
选择合适的隔离器件
根据应用需求选择适合的光耦、继电器、变 压器或运算放大器等器件。
正确连接隔离器件
按照隔离器件的连接方式，正确接入输入和 输出电路。
单片机抗干扰技术开关量输入输出 通道隔离
contents
目录
• 单片机抗干扰技术概述 • 单片机开关量输入通道隔离 • 单片机开关量输出通道隔离 • 单片机抗干扰技术的实际应用
01 单片机抗干扰技术概述
干扰的定义与影响
定义
干扰是指对系统正常信号的扰动 或破坏，导致信号失真、畸变或 阻塞。
单片机抗干扰技术(4) 开关量输入输出通道隔离
极限条件
18
推荐的使用条件 二极管侧
参数 输入电流 反向电压 工作温度 符号 IF VR TOPR 符号 Ic VCEO -25 最小值 min — — 典型值 Typ 1 55 最小值 min — 典型值 Typ 16 5 85 最大值 Max 10 最大值 Max 50 单位 mA V ℃
输出侧
16
使用光电隔离器件的注意事项
要注意不要超过期间的极限参数。 以三极管输出隔离器件为例。 通过查询它的技术说明书，可以获得使用参数，主要 参数包括发光二极管侧的输入电流，反向电压等； 输出侧：C-E结电压、集电极最大电流 隔离电压 电流传输比等 例如以TLP521-1为例。 尽量在推荐条件下使用
17
使用继管。继电器输出也可
以提供电气隔离功能，但其触点在通断瞬间往往容易
产生火花而引起干扰，还是必须予以注意的，一般可
采用阻容电路予以吸收。
42
继电器式开关量输出
43
带光电隔离的继电器输出接口电路
图2.11 继电器式开关量输出
44
④ 可控硅输出
25
③输出端工作电流
光电隔离器输出端的灌电流不能超过额定值，否 则就会使元件发生损坏。 一般输出端额定电流在mA量级，不能直接驱动大 功率外部设备，因此通常从光电隔离器至外设之间还 需设置驱动电路。
26
④ 输出端暗电流
这是指光电隔离器处于截止状态时（IF=0）, 流经输出端元件的电流，此值越小越好。 在设计接口电路时，应考虑由于输出端暗电 流而可能引起的误触发，并予以处理。
1. 开关量输入信号的类型
开关量输入信号有以下基本类型 （1）一位的状态信号。如阀门的闭合与开启、电机 的启动与停止、触点的接通与断开。 （2）成组的开关信号。如用于设定系统参数的拨码 开关组等。 （3） 数字脉冲信号。许多数字式传感器(如转速、 位移、流量的数字传感器)将被测物理量值转换为数 字脉冲信号，这些信号也可归结为开关量。
开关量隔离器原理
开关量隔离器原理开关量隔离器是一种用于电路隔离和信号转换的重要装置。
它可以将一个电路的信号隔离开来，不同电路之间的信号不会相互影响，从而保证了电路的稳定性和安全性。
本文将从以下几个方面对开关量隔离器的原理进行详细的介绍。
一、什么是开关量隔离器开关量隔离器是一种基于继电器、光电或半导体器件的隔离电路，在工业自动化中广泛应用。
它通过输入端的信号状态控制输出端的信号状态，起到隔离和转换信号的作用。
一般来说，开关量隔离器能够分为两种类型：电隔离和光隔离，其中电隔离使用的是继电器，光隔离使用的是光电耦合器或固态继电器。
二、开关量隔离器的作用开关量隔离器的作用在于隔离和转换信号。
在多电路控制系统中，为了保证各个电路的安全和稳定，需要对它们进行分离，以免电路之间相互影响。
隔离器通过实现这种分离，使每个电路都能够独立地进行控制和监测，避免了混乱和危险的产生。
此外，开关量隔离器还可以实现信号的转换，将信号转化为合适的形式，以满足其他电路的需求。
三、开关量隔离器的工作原理开关量隔离器的工作原理是将输入端的信号分离开来，并在输出端重新产生一个与输入端电压等效的信号。
在电隔离器中，继电器负责完成输入端和输出端之间的开关控制。
继电器内部包含两个线圈，通过这两个线圈可以实现输入端和输出端之间的电隔离。
在光隔离器中，光电耦合器或固态继电器被用来隔离输入和输出端之间的电路，进而保证电路的稳定性和安全性。
四、开关量隔离器的优缺点开关量隔离器的优点主要在于其能够保护电路的稳定性和安全性，避免电路之间相互干扰和故障的发生。
此外，开关量隔离器使用方便，可靠性高，使用寿命长。
相对地，其缺点在于其成本较高和性能不够优越的情况下对系统性能会产生一定的影响。
综上所述，开关量隔离器作为一种重要的隔离电路，在电气自动化领域中发挥着重要作用。
其原理和工作方式已经非常明确，对于工程实践具有非常明显的指导意义。
我们期望随着技术的不断进步，开关量隔离器能够不断改进其性能和使用范围，为自动化控制系统的稳定性和安全性贡献更多的力量。
开关量输入
开关量输入学院：物理与电子工程学院班级：11.4 学号：1109040433 姓名：陈刘佩摘要：在计算机控制系统中，计算机是信息处理的核心，它不断地从外部获取关于被控对象或过程的状态信息，按照某种策略加工、处理，再向外发出控制信息，从而达到调节、控制的目的。
而我们为了获取系统的运行状态或设定信息，则经常需要进行开关量信号的输入。
关键词：开关量、光耦合器KEY WORDS: switching value、optical coupler一、引言：“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。
开关量，指控制继电器的接通或者断开所对应的值，即“1”和“0”。
开关量是指非连续性信号的采集和输出，包括遥信采集和遥控输出。
开关量主要指开入量和开出量，开关量输入是PLC与现场的以开关量为输出形式的检测元件的连接通道，它把反映生产过程的有关信号转换成CPU单元所能接收的数字信号。
二、开关量1、开关量：该物理量只有两种状态，如开关的导通和断开的状态，继电器的闭合和打开，电磁阀的通和断，等等。
2、开关和开关量信号的区别:开关是一种有两个可选择的、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。
3、开关量信号的特点: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。
4、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。
5、常见电子开关: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）、温度超限开关等。
计算机控制技术 第3章 过程输入输出通道
36
SM331的8个模拟量输入通道共用一 个积分式A／D转换部件，即通过模拟切 换开关，各输入通道按顺序一个接一个 地转换。 某一通道从开始转换模拟量输入值 起，一直持续到再次开始转换的时间称 模入模块的循环时间，它是模块中所有 活动的模拟量输入通道的转换时间的总 和。
37
实际上，循环时间是对外部模拟量 信号的采样间隔。 对于一个积分时间设定为20ms，8个 输入通道都接有外部信号且都需断线监 视的SM331模块，其循环时间为 (22+10)*8ms=256ms 因此，对于采样时间要求更快一些的 场合，优先选用二输入通道的SM331模 块。
激励电压 激励电压 全桥和半桥设置 全桥和半桥设置 隔离，放大， 噪声滤波 隔离，放大，噪声滤波 隔离，放大， 隔离，放大，
Demo
泛华测控 / Pansino
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温度传感器的信号调理
绝大多数传感器均有相应的变送器，但温 度传感器的调理电路往往需自己制作，当然也 有现成的产品，但价格较高。常见的温度调理 电路采用桥式电路原理进行测量。
18
液位传感器
磁致伸缩液位传感器：
测量范围： 测量范围：0.2~5m 基本测量精度： 基本测量精度：0.05%
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压力型液位变送器
JYB-K*-**型液位变送器 型液位变送器 量 程 ： 0-0.5m,4m,100m 精度： 级 ± 精度：A级≤±0.25％ ％ B级≤±0.5％ 级 ± ％
20
27
A/D转换器
A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数 字量的器件或装置，它是一个模拟系统和计算 机之间的接口，它在数据采集和控制系统中， 得到了广泛的应用。
28
3.1.1 模拟量输入通道
变送器输出的信号为0～ 变送器输出的信号为 ～10mA或4 ～ 20mA 或 的统一信号，需要经过I/V变换变成电压信号 变换变成 电压信号后 的统一信号 ， 需要经过 变换 变成 电压信号 后 才能处理。 对于电动单元组合仪表， 才能处理 。 对于电动单元组合仪表 ， DDZ—Ⅱ Ⅱ 号标准为0～ 型的输出信 号标准为 ～10mA，而DDZ—III型 ， 型 输出信号标准为4～ 输出信号标准为 ～20mA。 。
开关量输入通道(测控系统)
U/I转换电路 转换电路
在工业控制中，常常以电流方式传 常常以电流方式传 输信号，因为电流信号适合于长距离传 因为电流信号适合于长距离传 输，传输中信号衰减小 传输中信号衰减小，抗干扰能力强。 因此，大量的常规工业仪表是以电流方 大量的常规工业仪表是以电流方 式相互配接的。按仪器仪表标准 按仪器仪表标准，DDZ 2系列仪表各单元之间的联络信号为 系列仪表各单元之间的联络信号为0 ~ 10 mA，而DDZ3系列仪表各单元之间 系列仪表各单元之间 的联络信号为4 ~ 20 mA 4 ~ 20 mA 。
补充知识： HTL的输出电平范围为 的输出电平范围为：11.5 1.5V 常用转换器件为：CH2016. CH2016. ECL的输出电平范围为 的输出电平范围为：0.9 1.75V 常用转换器件为：CE1025. CE1025. （ECL 速度快、扇出能力强 扇出能力强、噪声低、引 线串扰小） CMOS的输出电平范围为 的输出电平范围为：3 18V 常 用转换器件为：CH2016. CH2016. (CMOS功耗低、抗干扰能力强 抗干扰能力强、电压范 围宽、输入阻抗高)
程序查询式是CPU CPU主动，所有 I/O传送与程序的执行严格同步 传送与程序的执行严格同步，所 以便于协调CPU与I/O I/O的工作，数据 传输可靠，接口硬件电路和查询程 接口硬件电路和查询程 序设计简单。 不 足：CPU要循环等待 要循环等待，软件 开销大，CPU花大部分时间在循环 花大部分时间在循环 等待上，而真正为外设服务的时间 而真正为外设服务的时间 很少，一次CPU的效率较低 的效率较低。
小型测控系统组建与运行
开关量输入通道
开关量输入通道的任务是将 现场的开关信号或仪表中的各 种继电器接点信号有选择地送 入计算机，在控制系统中主要 在控制系统中主要 起以下作用： 1）定时记录生产过程中某些设 定时记录生产过程中某些设 备的状态，例如电机是否运转 例如电机是否运转、 阀门是否开启等。 。
开关量输入╱输出电路
开关量输入/输出电路一、开关量的隔离与抗干扰1、开关量的隔离（1）隔离的作用隔离的主要作用是：使低压输入电路与大功率的电源隔离；外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰；多个输入电路之间的隔离。
（2）开关量的隔离方法常用的开关量的隔离方法主要有以下方式。
○1光电隔离。
（图3－28 光电耦合器原理接线图）○2继电器隔离。
（图3－29 采用继电器隔离的开关原理接线图）○3继电器和光电耦合器双重隔离。
2、抗干扰软件抗干扰措施主要是适当增加延时，以躲开触点抖动的影响。
二、开关量的采集、检测与变位识别1、开关量的采集方式（图3—30 中断申请电路图）当开关状态发生变化时，由于Q端仍保持原状态，D、Q异或的结果使输出由低电平跳变为高电平，通过非门变成低电平向CPU申请一次中断。
当CPU 响应中断以后，发出INTA信号使触发器触发。
D、Q状态趋于一致，异或门输出又成为低电平。
2、开关动作的检测把3次采样的开关量用A、B、C三个布尔数来表示，从中任取出两个进分“与”运算，如果其中有两个或两个以上为“1”，则运算结果必定有一个为“1”；反之，若有两个或两个以上为“0”，则运算结果必定全为“0”。
另外，再根据“或”运算的规则，在N个数中只要有一个是“1”，则运算结果必定是“1”；只有当N个数全为“0”时，结果才为“0”。
可以把三取二表决的算法用以下逻辑算式来处理（A·B）＋（B·C）＋（C·A）（3－15）3、开关变位的识别开关量的状态通常用一位二进制数来表示，例如用“1”代表闭合，用“0”代表断开。
变电所的开关量数目很多，为了简化分析，下面只对用一个字节的二进制数表示的8个开关状态进行分析，但所得到的结论具有普遍的意义。
○1现状○＋原状，若有变位则该位为1；若无变位，则该位为0。
○2（现状○＋原状）∧原状，若为1，则该位由1→0。
○3（现状○＋原状）∧现状，若为1，则该位由0→1。
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100k
550Ω
DOUT
7406
NC
E
74LS14
GNDX
图4.6 可以工作到115.2波特的光隔电路
（1）VCCX取5V时，负载电阻R3应取2.2KΩ~3.3KΩ
（2）74LS14用于整形，为保证输出波形为理想的方波，防止出现干扰脉冲等非正常情况 的发生，输出端使用施密特触发器对波形整形
VCC R1
► 集成电路DC-DC变换器 电荷泵变压、脉宽调制变压、前二者的组合变压
► 隔离变压器型DC-DC变换器 真正隔离
1、集成电路DC-DC变换器
效率高、体积小、以小电流应用为主 (互补电压：电路生成两个模拟电压，用一种互补方式可以改变这两个电压。当直通输出电压上 升时，互补的输出电压下降，反之亦然。两个输出电压之和为恒定值：VOUT+VOUTC=VREF）
2、高频脉冲的隔离
对波形要求较高的场合，应使用高频特性好的光隔 如4N25(300KHZ)、4N35(300KHZ)、6N136(2MHZ)
4N35
6N136
光敏二极管的开关时间通常比光敏三极管小
负载电阻越小，开关时间越短，光耦的开关速度越高。最小负载电阻可以小到500Ω。带基极引脚的 光耦，其基极应使用一电阻接到集电极，阻值以50kΩ到100kΩ为佳。如省略该电阻，则开关时间
TLP521的正常工作频率应限制在10kHz以下，在大于10kHz时，必须考虑负载电阻对工作频率的影响。 原则上，降低负载电阻阻值对工作频率的提高有利，负载电阻最低可降至1kΩ。对波形要求较高的场 合，工作频率应适当降低，并应在输出端加接施密特触发器整形电路。
图4.4 TLP521的负载电阻对开关时间的影响
会大4~5倍，则开关频率就降低4~5倍。不应该省略该电阻。
图4.5 4N35负载电阻及基极-发射极电阻对开关时间的影响
影响工作频率的因素： （1）负载电阻，越小，开关速度越快,最好不小于1000Ω （2）基极电阻，一般取50KΩ~100KΩ
VCC X
R1 4N35
R1
R3
DIN
LED+ B LED- C
（1）ICL7660 Intersil公司 输出：1.5V~10V 输：互补电压（通常为正电压入、负电 压出) 主要用于单电源供电的A/D转换场合
（2）MAX640/MAX848Maxim公司 输入：5V 供电
输出：3.3V,典型应用为给低电压器件
（3）MAX735 输入：4V~6.2V 输出：－5V
（2）MAX743 输入：5V 输出： ±12V， ±15V, ±100mA
MAX743的最大电流可达±100mA，而 MAX742的最大电流则可达±2A
集成运算放大器、AD转换器常用双电源
ICL7660(A)提供从 1.5V到10.0V的互补电压，以电荷泵原理工作，需外接泵电容两个。泵电容通常 选用10μf的电解电容。7脚为振荡器输入，不接时使用内部振荡器。也可外接电容以降低振荡频率。 降低振荡频率时泵电容的容量应加大，加大到100μf可保证任何振荡频率都能正常工作(最低1kHz)。
6脚为低压调整端。当工作电压低于3.5V时，6脚应接地，否则浮空。
图4.8 ICL7660的泵电容连接
低电压器件供电器件工作时需在输出端增加三个元件：一个二极管、一个电感、一个电解电容。为 使器件能提供最大输出电流，电感应选用100μH，电容应选用100μF，二极管可以使用常用的 1N5817或相当的肖特基二极管。输出电压5V/3.3V/3V
TLP521
GNDX
图4.2 基本的光隔电路（a）
基本的光隔电路（二）
（1）此种接法更为常用 （2） VCCX=+5V时， R4去掉
VCCX=+12V时，R4取6.8K(或改用ULN2004） VCCX=+24V时，R4取20K(或改用ULN2002）
VCC R3
VCC X
ULN2003
IN1
R4
第四章 开关量输入输出的隔离技术
开关量的输入输出隔离主要有两个目的： 电气隔离，防止被隔离两边的电噪声干扰； 电平转换，两边的工作电平、电源电压、信号极性都可以不同。
4.1开关量输入端隔离 开关量的输入隔离一般使用光电隔离器件。可以使用的光电隔离器件很多，有许多器件性能相近，
普通开关量的输入隔离使用TLP521-X即可
1、廉价实用的TLP521-X 工作频率不高，一般限制在10KHZ以内
TLP521-1
TLP521-2
图4.1 TLP521的各种封装及引脚排列
TLP521-4
A图输入高电平，输出高电平，输入低电平，输出低电平； b图输入高电平，输出低电平，输入低电平，输出高电平
图4.2 基本的光电隔离电路
基本的光隔电路（一）
（1）R1可按驱动电流5～10mA, 选择驱动发光二极管的驱动器件任意，只要能保证长时间提供 5~10mA电流即可
（2） R2可取2.2K~10K，太小则电路功耗增大，太大则抗干扰能力减弱，且关断时输出端的上升速 度将减慢, VCCX=+5V时，R2可取3.3K
VCC
VCC X
R1 IN1
R2 DOUT
（4）MAX737 输入：4V~8.6V 输出：－15V
-15V输出可给LCD提供负偏置电压
单电源输出变换器
双电源输出变换器 BUCK 降压型 是指输入电压大于输出电压 如12V->5V BOOST 则反之 5V->12V 单电源变双电源4.2V~10V直流电源变成双±12V， ±15V直流电源
（1）MAX742 输入：4.2V~10V 输出：±12V， ±15V, ±2A
6N136
DIN
VCC X
R3 2.2KΩ
DOUT
7406
GNDX
74LS14
图4.7 用6N136的光隔电路
4.2DC-DC变换器的应用 独立的直流电源是光电隔离电路的基本条件。DC-DC变换器通常可以提供几毫安到数百毫安电流的 各种隔离电压输出
► 从工作原理分，DC-DC变换器通常有电荷泵变压、脉宽调制变压、电荷泵与脉宽调制组合变压、 隔离变压器变压等多种。前几种的变压通常是全电子的，因而输入与输出无隔离；后者通常可提 供1000V以上的电压隔离。
TLP521 图4.2 基本的光隔电路（b）
D1~D4用于输入状态的直观显示，R1~R4的输入限流电阻，使用1/4瓦电阻即可。不使用D1~D4时， 限流电阻取330Ω即可。输出上拉电阻功耗较小，可以使用排阻。要求响应速度较高时，排阻阻值应
适当减小。图中假设VCC和VCCX均为5V。
图4.3 实用的隔离电路输入