第14章 传感器与微机接口技术

2. RS-232C接口简介 它是美国EIA规定的一种数据终端设备与数据通信之间使用串行二进制 数据进行信息交换的接口，亦可作为仪器互相连接的一种方法。RS232C标准接口使用标准的±12V电压脉冲来实现信息传输。 （1）RS-232C标准接口性能 （2）RS-232C接口标准的交换功能 RS232C接口标准规定为25根连接线，每根都给予明确的定义。
11.2 信号采集与处理
11.2.1 信号的采集 11.2.2 数据采集系统中的主要功能电路
11.2.1 信号的采集
基本数据采集系统如图
以微机—传感器为核心的数据采集系统如图
1. 采样 采样是将随时间连续变化的模拟信号按一定的时间间隔抽取其瞬间 值，从而把一个连续时间函数信号变成每隔一定时间间隔才有函数值的 离散信号样本集。
5. A/D和D/A转换电路 （1）A/D和D/A转换器的性能指标 （2）选择ADC和DAC的要点 通常所说的A/D转换器是指将模拟信号进行量化、编码，转换为n位二进 制数字量信号的集成电路。实际上，量化、编码是在转换过程中同时完 成的，并无明显界线。根据A/D转换原理和特点的不同，可把它分成两 大类：直接A/D转换（直接ADC）和间接A/D转换（间接ADC）。直接 ADC是将模拟电压直接转换成数字代码，较常用的有逐次逼近式ADC、 计数式ADC和并行转换式ADC等。间接ADC是将模拟电压先变成中间变 量，如脉冲周期T、脉冲频率f、脉冲宽度τ等，再将中间变量变成数字代 码。较常见的有单积分式、双积分式ADC、V/F转换式ADC等。上述各 种ADC，以计数式ADC最简单，但转换速度慢。并行转换式ADC速度最 快，但成本较高。逐次逼近式ADC转换速度和精度都比较高，且比较简 单，价格较低，所以在微机采集系统中最常用。积分式特别是双积分式 ADC转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般应用在要求精度 高而速度较低的场合。V/F转换式ADC在转换线性度、精度、抗干扰能 力和积分输入特性等方面有独特的优点，且接口简单，占用计算机资源 少，缺点也是转换速度低，目前在一些输出信号动态范围较大或传输距 离较远的低速模拟输入通道中，得到了越来越多的应用。 （3）有关单片机接口的考虑因素
小 结
传感器的接口类型主要由传感器输出信号的类型和大 小决定的。由于传感器的输出信号具有多样性，因此 传感器接口的结构也有多种。常见的有模拟信号接口、 开关量和频率信号接口，在模拟信号接口当中，由于 大部分传感器输出的信号较小，所以必须使用放大器 放大。常见的三种类型测量放大器为基本测量放大器、 三运放式测量放大器和具有高输入阻抗的高性能测量 放大器。经过放大处理后的信号还要通过A/D转换才能 送入微机，而微机通常处理的信号有时不止一个或一 种，因而涉及到数据的采集与处理。 在实际应用中，利用传感器检测被测量，一方面要对 被测量准确测量；另一方面还要对其控制，因此还要 采用D/A转换以及微机之间的通讯等技术。
SBA DB SBB DD — SCA CD CG CE CH/C I DA —
辅助发送数据 传送器信号单元时标 辅助接收数据 接收信号单元时标 — 辅助请求发送 数据终端准备就绪 信号性质检测器 振铃指示器 数据信号速度选择器 传送信号单元时标 —
11.4 传感器与微机接口实例
由于单片机具有位处理功能，所以可以实现开关量的控制。 下图是产品自动装箱系统原理图。系统中有两条传送带；传送1是包装箱 传送带，传送带2是产品传送带。传送带2将产品从生产区传送到包装区， 产品到传送带2的末端时，就会掉入包装箱，同时被检测器2（光电传感 器）检测并计数。传送带1把满箱运走，并用空箱代替。为使空箱对准产 品，用检测器1（光电传感器）检测是否到位。
脚 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 电路 说明 脚 号 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 电路 说明
AA BA BB CA CB CC AB CF — — — SCF SCB
保护地 发送数据 接收数据 请求发送 清除发送 数据设备准备就绪 信号地 接收线信号检测器 — — — 辅助接收线信号检测器 辅助清除发送器
4. 采样保持电路 A/D转换芯片完成一次转换需要一定的时间。当被测量变化很快时，为 了使A/D转换器的输入信号在转换期间保持不变，需要使用采样保持器。 采样保持器结构图
（1）技术参数 （2）常用芯片介绍 LF398是美国国家半导体公司生产的一种廉价采样保持器芯片，也 是我国Biblioteka Baidu用最多的一种保持器。
4～20mA/0～2V 的电流/电压转换电路
3. 模拟多路开关 在微机检测和控制系统中，可能有很多的被测模拟量。当对它们进行巡 回检测时，为了节省A/D转换器和I/O接口，通常要使用转换开关。 多路模拟开关分为两类，一类是机械触点式开关，如电磁继电器、干簧 管继电器等，这类开关的优点是触点接通电阻小，断开电阻大，驱动部 分与开关元件分离；缺点是动作速度慢，触点通断时产生抖动，使用寿 命短。另一类是电子式开关，如晶体管、场效应管、光电耦合器及集成 电路等模拟开关，其优点是开关速度快、体积小、功耗低；缺点是有一 定的导通电阻，驱动部分与开关元件不能完全分离。在速度要求较高的 多路转换场合，应采用电子式开关。经常使用的电子开关是CMOS型集 成电路，有8选1、16选1、双8、双4选1等，有的多路开关还具有双向导 通功能。 （1）AD7501 （2）CD4066
（4）ADC与单片机的接口举例 ① ADC0809与单片机的接口。
② AD574A与单片机的接口。
（5）DAC与单片机的接口举例 ① DAC0832与单片机的接口。
② AD7543与单片机的接口。
11.3 通用(标准)接口 通用(标准)
标准接口总线是计算机和各种测量仪器之间进行信息交换而设立的连接 设备，用以解决各种产品接口不统一的问题。为此，设计一种适合自动 测试系统的通用接口标准，其最终目标是：世界各国都按同一标准来设 计程控仪器的接口电路，可将任何厂家生产的任何型号的仪器用一条无 源标准总线电缆连接起来，并通过一个与计算机相适应的接口与计算机 相连接，组成一个符合用户要求的自动测试系统。一般来说，实现程控 仪器的数据传输和通信，经常采用RS-232（串行）和HP-IB（或GP-IB） （并行）两种标准接口。 1. HP-IB标准接口简介 它首先规定了接口的三大要素：机械、电气、功能的要求，保证装 置相互连接的兼容性。 （1）HP-IB标准接口总线的基本性能 （2）HP-IB标准接口总线结构 它把全部接到总线上的装置在一个时刻里划分为接收、发送和控制 三大类。
第11章 传感器与微机接口技 11章 术
11.1 概述 11.2 信号采集与处理 11.3 通用 标准 接口 通用(标准 标准)接口 11.4 传感器与微机接口实例 小 结
11.1 概述
在检测系统中，各种传感器将被测的非电量，如温度、压力、位移等转 换为电量（电压或电流），通常这些单一的电信号通过变换或放大可以 直接进行显示或控制其他设备。然而在测试中，影响被测参数的因素很 多，而且这些因素之间又有一定的联系。比如，超声波的速度与环境温 度、介质材料有关，要想准确地测量其速度，必须准确地测出环境温度。 要想准确、快速地测量这些参数，就需要利用微处理器或微机系统。由 于微机使用的是数字信号，而各种传感器的输出信号大部分是模拟信号， 并且信号的大小差异很大，所以必须借助于接口电路，将传感器与微机 连接，从而实现自动化的集中控制系统。 传感器的接口类型主要由传感器输出信号的类型以及信号大小决定。由 于传感器的输出信号具有多样性，因此传感器接口的结构也有多种。 1. 模拟信号 当传感器的输出信号为较大的模拟电压时，需要使用限幅电路进行 幅度限制，再经过A/D转换器转换为数字信号送入微机进行处理；也可 以通过V/F变换送入微机。 2. 开关量或频率信号 对于开关量，若符合TTL电平要求，可以直接送入微机；若不符合 TTL电平要求，则要经过放大、整形和变换后再送入微机。
单片机控制的产品自动装箱控制系统原理图
产品计数流程图
自动装箱控制流程图
程序清单如下：
ORG2000H
START：ANL P1.，#3FH ；停止两个传送带 ORL P1.，#40H ；启动带1，停止带2 LOOP1：JB P1.0，LOOP1 ；检测包装箱是否到位，等待P1.0为低电平 LOOP2：JNB P1.0，LOOP2 ；等待P1.0为高电平，新空箱到位 ANL P1，#OBFH ；停止带1 SETB P1.7 ；启动带2 MOV R1，#00H ；计数器清零 LOOP3：JNB P1.1，LOOP3 ；等待P1.1为高电平 LOOP4：JB P1.1，LOOP4 ；等待P1.1为低电平，检测产品是否到来 LOOP5：JNB P1.1，LOOP5 ； INC R1 ；计数器加1 MOV A，R1 XRL A，#64H ；箱内装100个产品吗？ JNZ LOOP3 ；未满，继续 AJMP START ；已装箱，换箱 END
2. 量化与编码 输入信号经过采样以后需要将其变换为数字形式。故将连续模拟信 号变换为一组离散值的过程称为量化。
11.2.2 数据采集系统中的主要功能电路
1. 测量放大器 待测参数变化经传感器变换为电信号的变化后，还要经过信号调节， 方能满足二次仪表指示、记录、存储、传输或转换等要求。因此，信号 调节器是传感器和后续模拟电路的接口。它的功能是，将传感器输出原 始的受到多种噪声源干扰的低电平信号加以放大、处理、抑制噪声、统 一格式，使之成为适合二次仪表等后续装置要求的高电平电流（4～ 20mA）或电压（0～±10V）信号。 测量放大器是信号采集与调节系统输入端的第一个电路，其主要功能是 高精度放大、测量信号、抑制共模干扰，提高信噪比和信号质量。 三运放式测量放大器
2. 电流/电压转换（I/V） 模拟信号电流传输时一般采用4～20mA电流环。全标度电流规定是以4mA作为0%， 20mA作为100%，接受信号端变为电压信号处理。 下面电路是把12mA作为双极性0信号，把4～20mA电流转换为-10V～+10V电压 的电路，用于DC伺服电动机接口，记录仪用的转换器等。
表11.4 HP-IB引脚说明 引脚说明
符 号 说 明
DIO1～DIO8 DAV NRFD NDAC IFC ATN SRQ REN EOI
输入、输出数据线，包括数据地址和状态信息 发送器输出信息，指示数据线上信息的有效性 输入发送器信息，指示全部接收器已处于接收信息的就绪状态 输入发送器信息，当它为H（高电平）时，表示全部接收器已接受数据线上的信息 控制器输出的初始化信息，当它为L时，全部发送器和接收器全停止工作 控制器输出信息L（低电平）时，表示DIO线上信息是命令，H时表示为数据 向控制器输入的服务（中断）请求 控制器输出信息L时进行远距离控制 发送器用来指示数据的结束信号