第2章 过程输入输出通道技术
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模拟量输出通道则把计算机输出的数字控制信号转换为模拟信 号（电压或电流）作用于执行机构，实现对生产过程或设 备的控制。
开关量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲 信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。
开关量输出通道把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的 执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进 电机及继电器灯装置。
(4) 处理多键同时按下：对于同时有两个以上的键被按下的情况， 有两种 处理方法。第一，“双键同时按下”。用软件扫描键盘处理， 当只有一个
键按下时才读取键盘的输出， 并认为最后按下的键为有效键。第二，“N
键锁定”。多键按下时只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任 何键值；通常第一个被按下或最后一个被松开的键产生键值。 这种方法简 单实用。
MOV A， ＃7FH LOOP：MOVX @DPTR，A
RR A LCALL DELAY LJMP LOOP
； 点亮左1 LED的位选码 ； 从I／O(2) ； 右移一位， 指向下一个LED ； 调延时3 ms ； 返回显示下一位LED
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计算机控制技术
15
到底哪一位数码管显示， 主要取决于位选码。只有 位选信号PB端口对应的 线经驱动器后变为低电平 时，对应的位才会发光显 示。
2.3.1 非编码键盘
非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键 的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应 的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖 动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些 问题：
(1) 检查是否有键按下。
(2) 若有键按下， 判断是哪一个键并确定其键号或键值。
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计算机控制技术
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动态LED显示器接口技术
6位动态显示电路
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计算机控制技术
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在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位 选码”。由I／O(2)口输出8位代码控制。特点是每次输出只有 一位是0(点亮)，其余7位均为1(熄灭)，因此每一位LED都有一 个唯一的8位“位选码”。按从左向右轮流显示8位LED的位选码 可用8031右移循环指令实现：
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2.2 模拟量输入通道AI
2.2.1 组成
模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器、 A/D转换器、I/O接口及控制逻辑组成。
过 程 参 数
信号 多
变 调理 路
送或
转
器 I/V
换
变换 器
采 样 保 持 器
A/D I/O
接
保
口
持
电
器
路
主 机
控制逻辑 模拟量输入通道
80
—
90
不显示
计算机控制技术
71
8E
76
89
73
8C
40
BF
00
FF
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(1) LED静态显示方式： 所谓静态显示就是将N位共阴极 LED显示器的阴极连在一起接地，每一位LED的8位段选线 与一个8位并行口相连，当显示某一个字符时，相应的发光 二极管就恒定地导通或截止。一个4位静态显示电路如图所 示。
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图 工作电压波形图
计算机控制技术
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LCD显示器接口技术
点阵式LCD显示器的接口
当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的点按一定的规则均 匀地排列在一起时，便构成了点阵式LCD显示器。
图 采用MCS—51系列单片机8051的接口原理图
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人机接口——键盘
过程参数由传感元件和变送器测量并转换为标准的电流形式后
送至I/V变换器；在微机的控制下，由多路开关将各个过程 参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实 现过程参数的巡回检测。
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2.2.2 信号调理和I/V变换
一、信号调理
信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、 滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信 号转换成标准的电信号。是传感器和Ａ／Ｄ转换以 及Ｄ／Ａ和执行机构之间的桥梁。
1、非电信号的检测——不平衡电桥
作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电 压或电流输出的一种测量电路。
特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补 偿等优点。
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下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻 R1,R2,R3为精密电阻，RPt为热敏电阻，E端接激励 源，A,B端接到后级的测量放大电路
作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上 述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故 需要放大器放大。
选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等
常见器件：uA741,LF347(低精度) OP-07,OP-27(中等精度) ICL7650(高精度)
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二、I/V变换 1、无源I/V变换 无源I/V变换如图所示： R2为精密电阻
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(2) LED动态显示方式：
所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。 特点是将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起， 只用一个8位I／O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地， 逐一扫描点亮， 使每位LED显示该位应当显示的字符。恰 当地选择点亮LED的时间间隔(1～5 ms)，会给人一种视觉 暂停效应， 似乎多位LED都在“同时”显示
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对键 盘进 行扫 描
N
有键 按下 吗？
Y 延时 去抖 动
查键 号送 A
散转 ： JMP@A＋DPTR
0号 键
1号 键
处理 程序
处理 程序
…
N号键 处理 程序
返回 键盘
返回 键盘
…
返回 键盘
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图 单片机键计输算机入控处制技理术流程图
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图2-18 按键闭合及断开时的电压抖动
器
程
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LED显示器及其接口技术
LED（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中 的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显 示许多种字符。
图所示为7段LED显示器件的结构及外形图。
图 7段LED显示器件的结构及外形图
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LED显示器及其接口技术
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模拟量输入通道
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模拟量输出通道
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wenku.baidu.com
数字量输入通道
输
PC 总
入 缓
线
冲
器
地址译码器
输
来
入
自
调
生
理
产
电
过
路
程
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数字量输出通道
输
PC
出
总
锁
线
存
器
地址译码器
输
去
出
生
驱
产
动
过
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LCD显示器接口技术
图 一位LCD数码显示电路图及驱动波形图
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LCD显示器接口技术
对于LED，只要在其两端加上恒定的电压，便可 控制其亮、暗状态。而LCD必须采用交流驱动方 式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下 产生电解，影响其使用寿命。
在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生 产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此 输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部 分。
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人
人机 接口
计算机
I/O 通道
对象
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过程通道的分类与基本结构
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温 度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计 算机。
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接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接 口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如 何交换信息的技术。
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转 换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、 数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。
一般情况下：R2＝R3,R1=100欧， 0℃时， RPt为100欧，此时电桥 平衡，输出为0。
当温度变化时， RPt的阻值是温度 的函数为：
RPt R0 (t)t R0 R
(t) 为电阻温度系数，t为温度
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因此，某温度下，产生不平衡电压,由不平衡电压推 算出温度值。
注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控 制柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采 用三线制，而不是两线制
接法。因采用两线制，由
于导线电阻存在，容易产
生误差。热敏电阻与调理
电路之间三线制接法如图
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两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线
三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线 2、信号放大电路
．时分隔驱动方式 当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。 在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。
图 在时分隔驱动方式下的电极引线方式图
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3.3 LCD显示器接口技术
从图中的驱动 波形可以看出： a，e段上所加的 驱动波形是峰 值为UO的选择 状态，而g段上 所加的驱动波 形是峰值为 1/3UO的非选择 状态。
第2章 输入输出接口与过程通道
概述 采样和量化 模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道 工业控制计算机I/O模板
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2.1概述
控
A/D
制
CPU
对
象
D/A
（
系
MEM
D/I
统
）
主机
D/O
过程控制通 道
操作台（通讯）
图1.4 典型的计算机控制系统的硬件组成框图
写出动态扫描显示子程序。 设8255端口PA、PB的地 址分别为800H、801H， 并且PA、PB已初始化为 输出方式，则子程序的流 程图如图所示。
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动态扫描显示子程序流程图
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LCD显示器接口技术
LCD显示器的显示原理 在许多的LCD显示装置上，都有背光光源。LCD显 示器的基本结构如图所示。
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(3) 去抖动：一个电压信号是通过机械触点的闭合、断开过程来实现 信号传递的，其波形如图2-18所示。抖动时间一般为5~10 ms。按键的稳定 闭合期为几百毫秒到几秒钟时间。 为了保证CPU对按键闭合仅作一次键输 入处理， 必须去除抖动影响, 通常可用硬件或软件延时10 ms处理。
表 显示字符与7段控制显示代码的对应关系
显示字符
控制显示代码（十六进制数）
共阴极
共阳极
显示字符
控制显示代码（十六进 制数）
共阴极
共阳极
0
3F
C0
A
77
88
1
06
F9
b
7C
83
2
5B
A4
C
39
C6
3
4F
B0
d
5E
A1
4
66
99
E
79
86
5
6D
6
7D
7
07
8
7F
9
6F
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92
F
82
H
F8
P
有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组 成，图中电容C起滤波。
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2、有源I/V变换
有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组
成，图中电容C起滤波。
根据理想运算放大器知识
由短路特性得 V V
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图 LCD显示计器算基机本控制结技构术
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LCD显示器接口技术
LCD器件的驱动方式 LCD显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式 和时分隔驱动方式。
1．静态驱动方式
图（a）所示为一位LCD数码显示电路图。 当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的
相对电压为0，该字段不显示。当字段上两个电极的 电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值 电压，字段呈黑色显示。
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(5) 键输入软件处理： 当有键按下时，单片机应能够完 成该按键所设定的功能。一般键盘管理程序是整个应用程序 的核心。 8031的散转指令JMP @A+DPTR可看成是键输入信息 的软件接口。 图2-19是单片机键输入处理流程图。
键盘通过接口与CPU连接，CPU采用查询或中断方式检查 有 无 键 按 下 ， 再 将 该 键 号 送 A ， 然 后 通 过 散 转 指 令 JMP @A+DPTR转入执行该键功能的处理程序入口， 最后又返回到 键盘管理程序的入口。
V IR2
当输入电流I范围已知时，输出电压V的范围就确定。
如：当输入I为0～10mA时，取R2=500欧，则V=0~5V 当输入I为4～20mA时，取R2=250欧，则V=1~5V
思考：图中R1和电容C起什么作用？二极管D作用是什么？
滤波和输出限幅
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2、有源I/V变换
开关量输入通道把反映生产过程或设备工况的开关信号和脉冲 信号（如速度、位移、流量脉冲等）送给计算机。
开关量输出通道把计算机的控制信号送给那些接受开关信号的 执行机构和显示、指示装置：如两位阀门、指示灯、步进 电机及继电器灯装置。
(4) 处理多键同时按下：对于同时有两个以上的键被按下的情况， 有两种 处理方法。第一，“双键同时按下”。用软件扫描键盘处理， 当只有一个
键按下时才读取键盘的输出， 并认为最后按下的键为有效键。第二，“N
键锁定”。多键按下时只处理一个键，任何其他按下又松开的键不产生任 何键值；通常第一个被按下或最后一个被松开的键产生键值。 这种方法简 单实用。
MOV A， ＃7FH LOOP：MOVX @DPTR，A
RR A LCALL DELAY LJMP LOOP
； 点亮左1 LED的位选码 ； 从I／O(2) ； 右移一位， 指向下一个LED ； 调延时3 ms ； 返回显示下一位LED
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到底哪一位数码管显示， 主要取决于位选码。只有 位选信号PB端口对应的 线经驱动器后变为低电平 时，对应的位才会发光显 示。
2.3.1 非编码键盘
非编码键盘是由一些按键排列成的一个行、列矩阵。按键 的作用只是简单地实现开关的接通或断开，但必须有一套相应 的程序与之配合，来解决按键的识别，键值的产生以及防止抖 动等工作。因此，键盘接口电路和软件程序必须解决以下一些 问题：
(1) 检查是否有键按下。
(2) 若有键按下， 判断是哪一个键并确定其键号或键值。
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动态LED显示器接口技术
6位动态显示电路
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在图中，控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称为“位 选码”。由I／O(2)口输出8位代码控制。特点是每次输出只有 一位是0(点亮)，其余7位均为1(熄灭)，因此每一位LED都有一 个唯一的8位“位选码”。按从左向右轮流显示8位LED的位选码 可用8031右移循环指令实现：
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2.2 模拟量输入通道AI
2.2.1 组成
模拟量输入通道一般由I/V变换，多路转换器，采样保持器、 A/D转换器、I/O接口及控制逻辑组成。
过 程 参 数
信号 多
变 调理 路
送或
转
器 I/V
换
变换 器
采 样 保 持 器
A/D I/O
接
保
口
持
电
器
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主 机
控制逻辑 模拟量输入通道
80
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不显示
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71
8E
76
89
73
8C
40
BF
00
FF
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(1) LED静态显示方式： 所谓静态显示就是将N位共阴极 LED显示器的阴极连在一起接地，每一位LED的8位段选线 与一个8位并行口相连，当显示某一个字符时，相应的发光 二极管就恒定地导通或截止。一个4位静态显示电路如图所 示。
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图 工作电压波形图
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LCD显示器接口技术
点阵式LCD显示器的接口
当数码位段式显示器的位段缩变为一个点，许多的点按一定的规则均 匀地排列在一起时，便构成了点阵式LCD显示器。
图 采用MCS—51系列单片机8051的接口原理图
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人机接口——键盘
过程参数由传感元件和变送器测量并转换为标准的电流形式后
送至I/V变换器；在微机的控制下，由多路开关将各个过程 参数依次地切换到后级，进行放大、采样和A/D转换，实 现过程参数的巡回检测。
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2.2.2 信号调理和I/V变换
一、信号调理
信号调理主要通过非电量的转换、信号的变换、放大、 滤波、线性化及隔离等方法将非电信号和非标准信 号转换成标准的电信号。是传感器和Ａ／Ｄ转换以 及Ｄ／Ａ和执行机构之间的桥梁。
1、非电信号的检测——不平衡电桥
作用：是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电 压或电流输出的一种测量电路。
特点：具有灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补 偿等优点。
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下图为一个用热敏电阻来测量温度的测量电桥。电阻 R1,R2,R3为精密电阻，RPt为热敏电阻，E端接激励 源，A,B端接到后级的测量放大电路
作用：将弱电信号放大成需要的标准电信号。如上 述电桥输出电压一般达不到要求的标准电压，故 需要放大器放大。
选择因素：精度、速度、幅度以及共模抑制等
常见器件：uA741,LF347(低精度) OP-07,OP-27(中等精度) ICL7650(高精度)
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二、I/V变换 1、无源I/V变换 无源I/V变换如图所示： R2为精密电阻
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(2) LED动态显示方式：
所谓动态显示就是用扫描方式轮流点亮LED显示器的各个位。 特点是将多个7段LED显示器同名端的段选线复接在一起， 只用一个8位I／O控制各个LED显示器的公共阴极轮流接地， 逐一扫描点亮， 使每位LED显示该位应当显示的字符。恰 当地选择点亮LED的时间间隔(1～5 ms)，会给人一种视觉 暂停效应， 似乎多位LED都在“同时”显示
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对键 盘进 行扫 描
N
有键 按下 吗？
Y 延时 去抖 动
查键 号送 A
散转 ： JMP@A＋DPTR
0号 键
1号 键
处理 程序
处理 程序
…
N号键 处理 程序
返回 键盘
返回 键盘
…
返回 键盘
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图 单片机键计输算机入控处制技理术流程图
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图2-18 按键闭合及断开时的电压抖动
器
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LED显示器及其接口技术
LED（发光二极管）显示器件是计算机控制系统中 的廉价输出设备，它由多个发光二极管组成，能显 示许多种字符。
图所示为7段LED显示器件的结构及外形图。
图 7段LED显示器件的结构及外形图
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LED显示器及其接口技术
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模拟量输入通道
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模拟量输出通道
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数字量输入通道
输
PC 总
入 缓
线
冲
器
地址译码器
输
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理
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电
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路
程
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数字量输出通道
输
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地址译码器
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LCD显示器接口技术
图 一位LCD数码显示电路图及驱动波形图
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LCD显示器接口技术
对于LED，只要在其两端加上恒定的电压，便可 控制其亮、暗状态。而LCD必须采用交流驱动方 式，以避免液晶材料在直流电压长时间的作用下 产生电解，影响其使用寿命。
在计算机控制系统中，工业控制机必须经过过程通道和生 产过程相连，而过程通道中又包含有输入输出接口，因此 输入输出接口和过程通道是计算机控制系统的重要组成部 分。
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人
人机 接口
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I/O 通道
对象
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过程通道的分类与基本结构
模拟量输入通道把反映生产过程或设备工况的模拟信号（如温 度、压力、流量速度、液位等），转换为数字信号送给计 算机。
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接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，它包括输入接 口和输出接口。接口技术是研究计算机与外部设备之间如 何交换信息的技术。
过程通道是在计算机和生产过程之间设置的信息传送和转 换的连接通道，它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、 数字量（开关量）输入通道、数字量（开关量）输出通道。
一般情况下：R2＝R3,R1=100欧， 0℃时， RPt为100欧，此时电桥 平衡，输出为0。
当温度变化时， RPt的阻值是温度 的函数为：
RPt R0 (t)t R0 R
(t) 为电阻温度系数，t为温度
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因此，某温度下，产生不平衡电压,由不平衡电压推 算出温度值。
注意：工业中用热敏电阻测量温度，当测量电路离控 制柜很远时，热敏电阻与调理电路之间连接宜采 用三线制，而不是两线制
接法。因采用两线制，由
于导线电阻存在，容易产
生误差。热敏电阻与调理
电路之间三线制接法如图
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两线制：仪表到控制柜或者计算机只有两根线
三线制：仪表到控制柜或者计算机有三根线 2、信号放大电路
．时分隔驱动方式 当显示字符较多时，驱动电路将会变得非常复杂。 在这种情况下，一般采用时分隔驱动方式。
图 在时分隔驱动方式下的电极引线方式图
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3.3 LCD显示器接口技术
从图中的驱动 波形可以看出： a，e段上所加的 驱动波形是峰 值为UO的选择 状态，而g段上 所加的驱动波 形是峰值为 1/3UO的非选择 状态。
第2章 输入输出接口与过程通道
概述 采样和量化 模拟量输入通道 模拟量输出通道 数字量输入通道 数字量输出通道 工业控制计算机I/O模板
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1
2.1概述
控
A/D
制
CPU
对
象
D/A
（
系
MEM
D/I
统
）
主机
D/O
过程控制通 道
操作台（通讯）
图1.4 典型的计算机控制系统的硬件组成框图
写出动态扫描显示子程序。 设8255端口PA、PB的地 址分别为800H、801H， 并且PA、PB已初始化为 输出方式，则子程序的流 程图如图所示。
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动态扫描显示子程序流程图
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LCD显示器接口技术
LCD显示器的显示原理 在许多的LCD显示装置上，都有背光光源。LCD显 示器的基本结构如图所示。
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(3) 去抖动：一个电压信号是通过机械触点的闭合、断开过程来实现 信号传递的，其波形如图2-18所示。抖动时间一般为5~10 ms。按键的稳定 闭合期为几百毫秒到几秒钟时间。 为了保证CPU对按键闭合仅作一次键输 入处理， 必须去除抖动影响, 通常可用硬件或软件延时10 ms处理。
表 显示字符与7段控制显示代码的对应关系
显示字符
控制显示代码（十六进制数）
共阴极
共阳极
显示字符
控制显示代码（十六进 制数）
共阴极
共阳极
0
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C0
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有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组 成，图中电容C起滤波。
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计算机控制技术
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2、有源I/V变换
有源I/V变换如图，利用有源器件运算放大器和电阻组
成，图中电容C起滤波。
根据理想运算放大器知识
由短路特性得 V V
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图 LCD显示计器算基机本控制结技构术
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LCD显示器接口技术
LCD器件的驱动方式 LCD显示器的驱动方式一般分两种：静态驱动方式 和时分隔驱动方式。
1．静态驱动方式
图（a）所示为一位LCD数码显示电路图。 当某字段上两个电极的电压相位相同时，两极间的
相对电压为0，该字段不显示。当字段上两个电极的 电压相位相反时，两个电极的相对电压为两倍幅值 电压，字段呈黑色显示。
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计算机控制技术
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(5) 键输入软件处理： 当有键按下时，单片机应能够完 成该按键所设定的功能。一般键盘管理程序是整个应用程序 的核心。 8031的散转指令JMP @A+DPTR可看成是键输入信息 的软件接口。 图2-19是单片机键输入处理流程图。
键盘通过接口与CPU连接，CPU采用查询或中断方式检查 有 无 键 按 下 ， 再 将 该 键 号 送 A ， 然 后 通 过 散 转 指 令 JMP @A+DPTR转入执行该键功能的处理程序入口， 最后又返回到 键盘管理程序的入口。
V IR2
当输入电流I范围已知时，输出电压V的范围就确定。
如：当输入I为0～10mA时，取R2=500欧，则V=0~5V 当输入I为4～20mA时，取R2=250欧，则V=1~5V
思考：图中R1和电容C起什么作用？二极管D作用是什么？
滤波和输出限幅
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计算机控制技术
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2、有源I/V变换