机电一体化技术接口技术
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毕君
薛林峰
1
接口技术分类
•人机接口
•机电接口
2
➢ 了解人机接口的类型及特
点
➢ 掌握输入接口的几种典型
类型及设计方法
➢ 掌握输出接口的几种典型
类型及设计方法
3
一． 人机接口类型及特点
人机接口是操作者与机电系统（主要是控制）之间进行信息 交换的接口。 按照信息传递的方式分为两大类：
通过输入接口向系统输入各种控制命令和参数，对 系统进行控制。 常用的输入设备：控制开关，拨码码盘，键盘等。
20
② 低速性 与控制微机的工作速度相比，大多数人机接口设
备的工作速度是很低的，在进行人机接口设计时
，要考虑速度匹配问题。
③ 高性能性
由于机电的结合，大大强化了机械系统的功 能，使整个机电系统具有高性能的价格比。 所以在人机接口设计时，输入/输出设备也应 以小型、微型、廉价为原则。
返回 5
二． 输入接口设计
通过输出接口向操作者反映系统的各个状态和参数以 及结果等信息。 常用的输出设备：状态指示灯，发光二极管，液晶显示器，微型 打印机，阴极摄像管显示器，扬声器等。
4
① 专用性
人机接口的设计方案要根据产品的要求而定。对 二值性的控制参数，可采用控制开关；对一些少 量的数值参数可使用拨码码盘；当系统要求输入 控制命令和参数较多时，可使用行列式键盘。
② 键盘接口方法
P1.7 P1.6
P1.5
P1.4
8031 P1.0
0
P1.1 1
2
P1.2
3
P1.3
48C 59D 6 AE 7BF
+5V
上图示出了8031通过P1口与一个4×4键盘的接口电路，其中P1.7~P1.4作扫 描线，P1.3~P1.0作输出线。
返回
Ⅲ.输出接口设计
① 发光二极管显示器（Light Emitting Diode）的接口设计
输出接口
• 在机电一体化产品中，很多被控对 象要求模拟量作控制信号，如交流 电动机变频调速器、直流电动机调 速器、滑差电动机调速器等，而计 算机系统是数字系统。
（1）D/A转换器的主要参数
• 1) 分辨率：D/A转换器所能分辨的最小电压 增量，或者说D／A转换器能够转换的二进制 位数，位数多，分辨率就高。
返回13
机电接口
• 机电接口，是指机电一体化产品中的机械装 置与控制微机间的接口。同人机接口一样。
按照信息的传递方向可以将机电接口分为信 息采集接口(传感器接口)与控制量输出接口
输入接口
• 在机电一体化产品常用的传感器中，有很多 是以模拟量形式输出信号的，如位置检测用 的差动变压器、温度检测用的热电偶、温敏 电阻、转速检测用的测速发电机等，而控制 微机却是一个数字系统(有些型号单片机内部 集成了模/数转换器件，如MCS-96系列单片 机等)。
• 表示一个D／A转换器输入/输出特性的有以 下几个方面：输入/输出缓冲能力、输入码制、 输入数据的宽度、是电流型还是电压型、是 单极性输出还是多极性输出等。
(3)D／A转换器选择要点
• 在选用D/A芯片时，首先根据用户需要，合 理选择转换速度、精度及分辨率以满足设计 任务所要求的技术指标。但要注意到，一般 情况下，位数愈多精度愈高，其转换的时间 愈长；如果要求高速度又高精度，则芯片价 格也就愈昂贵。其次是看芯片内部是否带有 数据输入缓冲器，这—点在设计接口电路时 特别重要。
1
2 a DPY
3b
a
c
4 5
f
d
g
b
e
6
e
f
d
c
7 g
dp
8
dp
将发光二极管组成阵列，封装于标准 外壳中，即发光二极管显示器（LED 显示器）。以七段LED显示器最为常 用。引线有共阳极与共阴极两种结构 如图。
a b c d e f g dp
COMΒιβλιοθήκη Baidu共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
I. 开关输入接口设计
左图为一简单开关输入电 路，通过对A点电位进行检测， 从而判断开关的状态。上拉 电阻R的阻值越小，当开关处 于断开状态（OFF）时，被 传输的高电平值越高，但是 当开关处于闭合状态（ON)时， 流过开关触电的电流就越大。 因此当采用这种电路时，上 拉电阻的阻值应在全面考虑 开关的触电电流和整个电路 的功耗电流后再确定。
进行实际接口设计时可以采用以下
开关：ON
发生抖动的时 间在10ms以下
两种方法去抖：
OFF
① 软件去抖 ，通过程序对输入 积分电路
ON
② 的开关信号进行处理，在检测到
积分后
③ 开关状态后，延时一段时间以进 ④ 行检测，若两次检测到的开关史状密斯
的输出
⑤ 态相同则认为有效，否则按抖触动发器
⑥ 处理。
② 硬件去抖，采用如右图所示 ③ 的去抖电路。
史密斯触 发器的输出
高电平 低电平
Ⅱ.键盘输入接口设计
① 矩阵式键盘工作原理
Y0 Y1 Y2 Y3 +5V
X0 0
48 C
X1 1
59D
2
X2
3
X3
6 AE 7BF
键盘结构如上图，通常将行线通过上拉电阻接至+5V电源。当无键按下 时，行线与列线断开，行线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对
应的行线与列线被短路。例如，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Y1 被短路，此时X3的电平由Y1电位决定。
10
② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
三位静态显示接口
静态显示，就是当显示器显示某一个字时，相应的发光二极管恒定的导通和 截至。这种显示方式的每一位都需要一个8位输出口控制。当显示位数很少( 仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。
12
③ 点阵式LED显示器及接口设计
74LS06 P1.0 1
…
P1.6 1
8031
P3.0 1 P3.4 1
…
75452 75452
点阵式LED显示器接口电路
+5V
如图8031的P1口接行线，P3口接 列线。点阵式LED显示器的扫描 方式有：行扫描和列扫描。 列扫描：由列线控制口输出列选 通信息，每次扫描只有一列信号 有效，由P1口输出该列显示信息 行扫描：由行线控制口输出选通 信号，每次只有一行被选中，由 P3口输出相应列显示信息。
输入
波形
输A 入 口
R：上拉电阻
OFF：高电平 ON： 低电平
简单的开关输入电路
当开关电路使用带机械触电的开关 时，在开关进行开、闭的瞬间，由
开关：OFF
于开关簧片的反弹会导致输出信号 开关：ON
的抖动，即开关的触电在开、闭操 作的瞬间，因机械振动会导致输出 开关：OFF
信号产生不规则的波动，由于开关 的抖动使输入微机的信号变成如右 图所示的波形。
11
…
…
b. 动态工作方式接口电路 7407
PB0 1
PB7 1 8155
75452
PA5 1 PA0 1
8155扩展6位动态LED显示器的接口电路
+5V 当显示器工作时，单 片机通过8155的PA口 送扫描数据，其中只 有一位为高电平，经 75452后，只有一位 LED显示器的公共端 为低电平。同时，显 示位对应的数据通过 PB口送出。因此，只 有公共端为低的LED 显示器有显示，依次 改变PA口中为高电平 的位，则6位LED显示 器就顺序显示。当扫 描频率足够高时，由 于人眼的视觉暂留效 应，6位显示器便得到 连续稳定的显示。
• 2) 转换时间：指数字量从输入到完成转换， 输出达到最终值并稳定为止所需的时间。
• 3) 精度：D/A转换器实际输出电压与理论值 之间的误差。
• 4) 线性度：当数字量变化时，D／A转换器模 拟量按比例关系变化的程度。
(2) D／A转换器的输入/输出特性
• DAC是系统或设备中的一个功能学元，当把 它接人系统或设备中与其他器件发生关系时， 对不同用途的场合，它的输入/输出端有不同 的要求。
薛林峰
1
接口技术分类
•人机接口
•机电接口
2
➢ 了解人机接口的类型及特
点
➢ 掌握输入接口的几种典型
类型及设计方法
➢ 掌握输出接口的几种典型
类型及设计方法
3
一． 人机接口类型及特点
人机接口是操作者与机电系统（主要是控制）之间进行信息 交换的接口。 按照信息传递的方式分为两大类：
通过输入接口向系统输入各种控制命令和参数，对 系统进行控制。 常用的输入设备：控制开关，拨码码盘，键盘等。
20
② 低速性 与控制微机的工作速度相比，大多数人机接口设
备的工作速度是很低的，在进行人机接口设计时
，要考虑速度匹配问题。
③ 高性能性
由于机电的结合，大大强化了机械系统的功 能，使整个机电系统具有高性能的价格比。 所以在人机接口设计时，输入/输出设备也应 以小型、微型、廉价为原则。
返回 5
二． 输入接口设计
通过输出接口向操作者反映系统的各个状态和参数以 及结果等信息。 常用的输出设备：状态指示灯，发光二极管，液晶显示器，微型 打印机，阴极摄像管显示器，扬声器等。
4
① 专用性
人机接口的设计方案要根据产品的要求而定。对 二值性的控制参数，可采用控制开关；对一些少 量的数值参数可使用拨码码盘；当系统要求输入 控制命令和参数较多时，可使用行列式键盘。
② 键盘接口方法
P1.7 P1.6
P1.5
P1.4
8031 P1.0
0
P1.1 1
2
P1.2
3
P1.3
48C 59D 6 AE 7BF
+5V
上图示出了8031通过P1口与一个4×4键盘的接口电路，其中P1.7~P1.4作扫 描线，P1.3~P1.0作输出线。
返回
Ⅲ.输出接口设计
① 发光二极管显示器（Light Emitting Diode）的接口设计
输出接口
• 在机电一体化产品中，很多被控对 象要求模拟量作控制信号，如交流 电动机变频调速器、直流电动机调 速器、滑差电动机调速器等，而计 算机系统是数字系统。
（1）D/A转换器的主要参数
• 1) 分辨率：D/A转换器所能分辨的最小电压 增量，或者说D／A转换器能够转换的二进制 位数，位数多，分辨率就高。
返回13
机电接口
• 机电接口，是指机电一体化产品中的机械装 置与控制微机间的接口。同人机接口一样。
按照信息的传递方向可以将机电接口分为信 息采集接口(传感器接口)与控制量输出接口
输入接口
• 在机电一体化产品常用的传感器中，有很多 是以模拟量形式输出信号的，如位置检测用 的差动变压器、温度检测用的热电偶、温敏 电阻、转速检测用的测速发电机等，而控制 微机却是一个数字系统(有些型号单片机内部 集成了模/数转换器件，如MCS-96系列单片 机等)。
• 表示一个D／A转换器输入/输出特性的有以 下几个方面：输入/输出缓冲能力、输入码制、 输入数据的宽度、是电流型还是电压型、是 单极性输出还是多极性输出等。
(3)D／A转换器选择要点
• 在选用D/A芯片时，首先根据用户需要，合 理选择转换速度、精度及分辨率以满足设计 任务所要求的技术指标。但要注意到，一般 情况下，位数愈多精度愈高，其转换的时间 愈长；如果要求高速度又高精度，则芯片价 格也就愈昂贵。其次是看芯片内部是否带有 数据输入缓冲器，这—点在设计接口电路时 特别重要。
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3b
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将发光二极管组成阵列，封装于标准 外壳中，即发光二极管显示器（LED 显示器）。以七段LED显示器最为常 用。引线有共阳极与共阴极两种结构 如图。
a b c d e f g dp
COMΒιβλιοθήκη Baidu共阳极
a b c d e f g dp
COM 共阴极
I. 开关输入接口设计
左图为一简单开关输入电 路，通过对A点电位进行检测， 从而判断开关的状态。上拉 电阻R的阻值越小，当开关处 于断开状态（OFF）时，被 传输的高电平值越高，但是 当开关处于闭合状态（ON)时， 流过开关触电的电流就越大。 因此当采用这种电路时，上 拉电阻的阻值应在全面考虑 开关的触电电流和整个电路 的功耗电流后再确定。
进行实际接口设计时可以采用以下
开关：ON
发生抖动的时 间在10ms以下
两种方法去抖：
OFF
① 软件去抖 ，通过程序对输入 积分电路
ON
② 的开关信号进行处理，在检测到
积分后
③ 开关状态后，延时一段时间以进 ④ 行检测，若两次检测到的开关史状密斯
的输出
⑤ 态相同则认为有效，否则按抖触动发器
⑥ 处理。
② 硬件去抖，采用如右图所示 ③ 的去抖电路。
史密斯触 发器的输出
高电平 低电平
Ⅱ.键盘输入接口设计
① 矩阵式键盘工作原理
Y0 Y1 Y2 Y3 +5V
X0 0
48 C
X1 1
59D
2
X2
3
X3
6 AE 7BF
键盘结构如上图，通常将行线通过上拉电阻接至+5V电源。当无键按下 时，行线与列线断开，行线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对
应的行线与列线被短路。例如，7号键被按下闭合时，行线X3与列线Y1 被短路，此时X3的电平由Y1电位决定。
10
② 七段LED显示器接口电路设计 a. 静态工作方式的接口电路 8255 PC0···PC7 PB0···PB7 PA0···PA7
三位静态显示接口
静态显示，就是当显示器显示某一个字时，相应的发光二极管恒定的导通和 截至。这种显示方式的每一位都需要一个8位输出口控制。当显示位数很少( 仅一、二位）时，采用静态显示方式是合适的。
12
③ 点阵式LED显示器及接口设计
74LS06 P1.0 1
…
P1.6 1
8031
P3.0 1 P3.4 1
…
75452 75452
点阵式LED显示器接口电路
+5V
如图8031的P1口接行线，P3口接 列线。点阵式LED显示器的扫描 方式有：行扫描和列扫描。 列扫描：由列线控制口输出列选 通信息，每次扫描只有一列信号 有效，由P1口输出该列显示信息 行扫描：由行线控制口输出选通 信号，每次只有一行被选中，由 P3口输出相应列显示信息。
输入
波形
输A 入 口
R：上拉电阻
OFF：高电平 ON： 低电平
简单的开关输入电路
当开关电路使用带机械触电的开关 时，在开关进行开、闭的瞬间，由
开关：OFF
于开关簧片的反弹会导致输出信号 开关：ON
的抖动，即开关的触电在开、闭操 作的瞬间，因机械振动会导致输出 开关：OFF
信号产生不规则的波动，由于开关 的抖动使输入微机的信号变成如右 图所示的波形。
11
…
…
b. 动态工作方式接口电路 7407
PB0 1
PB7 1 8155
75452
PA5 1 PA0 1
8155扩展6位动态LED显示器的接口电路
+5V 当显示器工作时，单 片机通过8155的PA口 送扫描数据，其中只 有一位为高电平，经 75452后，只有一位 LED显示器的公共端 为低电平。同时，显 示位对应的数据通过 PB口送出。因此，只 有公共端为低的LED 显示器有显示，依次 改变PA口中为高电平 的位，则6位LED显示 器就顺序显示。当扫 描频率足够高时，由 于人眼的视觉暂留效 应，6位显示器便得到 连续稳定的显示。
• 2) 转换时间：指数字量从输入到完成转换， 输出达到最终值并稳定为止所需的时间。
• 3) 精度：D/A转换器实际输出电压与理论值 之间的误差。
• 4) 线性度：当数字量变化时，D／A转换器模 拟量按比例关系变化的程度。
(2) D／A转换器的输入/输出特性
• DAC是系统或设备中的一个功能学元，当把 它接人系统或设备中与其他器件发生关系时， 对不同用途的场合，它的输入/输出端有不同 的要求。