开关量输入输出通道的工程化实现方法

开关量输入输出通道的工程化实现方法

机电信息工程学院

自动化093

尚国伟

关键词：开关量、输入通道、输出通道、抗干扰

序言：

在控制现场中，对信息的检测、处理、运算和输出往往都是开关量的形式。开关领控制的逻辑规律一般是与、或、非、异或…开关量自动控制系统一般由控制装置和被控对象组成。控制装置又包括：检测装置、逻辑控制器和执行器。控制装置示意图如下：

在一个自动控制系统中对信息的检测、处理、运算和输出往往都是开关量的形式，开关量的可靠性与否直接制约着自动控制系统的稳定性，因此我们可以发现，对于一个系统，开关量输入输出信号的可靠性至关重要。

开关量自动控制系统的框图如下：

正文：

开关量控制的是被控对象的的通或者断，反映到数字电路中就是

0（打开）或者1（断开），而多个开关量就可以组成由0或1编码的二进制数字量。开关量的输入和输出就是控制被控对象的开或者断的信号，比如变压器的温控端所带的继电器的温度触发点、阀门开关的触发点、按键的按下和抬起等等。而这些信号往往是通过控制器来检测的，但是开关量是无源的，所以往往需要控制器来提供电源，比如单片机读取键值时就是通过单片机提供的电源来完成检测的（形如图1）。

图一

开关量一般通过如下几种方式获取：

1、通过各种形式的开关量变送器获得如压力、流量、液位、温度、电

量等。

2、通过模拟量转换至开关量模拟量由常规变送器测得，在经过诸如差

值转换器、限幅报警器或者二次仪表的触点转换而来。

3、采用显示仪表上的附加开关。可靠性差，一般不采用

常用的几种类型的开关量变送器有流量开关、液位开关、料位开

关温度开、气敏开关、光敏开关和定时开关等。

通常，当输入信号是模拟信号时，我们可以用用斯密特触发器将模拟量转开关量。

开关量信号的特点是：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。以单片机为例。开关量信号和单片机的电气接口有TTL（晶体管---晶体管逻辑）电平、CMOS（互补对称金属氧化物半导体集成电路）电平、非标准电平、开关或继电器的触点等。

由于外部装置输入的开关量信号的形式一般是电压、电流和开关的触点，这些信号经常会产生瞬时高压、过电流或接触抖动等现象。因此为使信号安全可靠，在输入到单片机等控制器之前必须接入信号输入电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平转换和隔离保护等。只有这样才能消除抖动现象，使信号更加的安全可靠。

在外设接口电路中，经常需要对传输过程中的信息进行放大、隔离以及锁存，能实现上述功能的接口芯片最简单的就是缓冲器、数据收发器和锁存器。常用的就是74系列的芯片。

开关量信号输入通道

开关量信号输入通道如下图

开关量信号输入通道通常由单片机(接受和处理开

关信号)、信号输入调理电气接口（信号滤波电平转

换、隔离保护等）、信号输入缓冲器（缓冲和选通

外部输入信号）、输入／输出地址译码器（将外部开关信号转换为0，1信号）和读／写控制电路（外部输入信号的读写控制）组成。

几种常见的开关量输入接口电路

1、扳键开关与单片机的接口电路

图中，扳键开关将高电平或低电平

经单片机的I／O引脚输入缓冲器

74LS244，74LS244的数据输入端与

单片机89C51的P0口相连接，用于

8位数据的传送，89C51的P1.7和

/RD作为74LS244的选通信号。当

扳键开关合上时，将向P0口的相应

引脚送入低电平；反之，当开关打开时，将向P0口送入高电平。

2、BCD码拔盘开关与单片机的接口电路

在智能仪器应用中，经常需要输

入少量的控制参数和数据，有时

可采用BCD码拨盘开作为输入设

备。BCD码拨盘开关0-9十个位

置，设置时可以通过拨动表面的

齿轮圆盘调到所需位置，每个位

置对应一个数字指示。一个BCD

码拨盘开关可以输入1位十进制

数。如果需2位十进制数据，则需要两个BCD码拨盘开关。BCD码拨盘开关与单片机的接口如左图所示

图中拨盘开关的控制引脚A接+5V，4位数据线分别通过电阻接地，再与4位并行输入线相连，BCD码拨盘开关处于某个位置时，就是拨盘开关所指示的BCD 码。

3、磁性开关与单片机的接口电路

磁性开关一般由霍尔元件型、干簧

管型等，常用于监测门窗是否打开

及各种脉冲式水表气表。此时，需

在普通转盘计数的仪表中加装霍

尔元件和磁铁，即可构成基于磁电

转换技术的传感器。

图中所示的电路中，若有磁场作用，则霍尔元件会输出120mV电压信号，经过约40倍的差动放大器放大整形后，在Vout上输出高电平；否则输出低电平。霍尔元件和运放电路一起，构成了开关型霍尔传感器，将这个信号输送到单片机的I／O口或外部中断引脚，即可实现霍尔检测开关控制。

4、霍尔元件与单片机接口

在图４－４ｂ中，霍尔传感器在5V电压

的作用下，外加一个磁场会在霍尔传感器的

3端输出一个电平信号。当开关型霍尔传感

器在固定电平的作用下，若外加一个固定的

磁场，则一个金属类物体接近或通过时，会改变磁场对传感器的作用，随之改变它的输出电平。

若不外加一个固定磁场，而是一个带永久磁钢的物体接近或通过，那么在磁场的作用下，也会改变传感器的输出电平状态。因此，当有一个金属物体或带磁

钢的物体通过或接近开关型霍尔传感器时，会引起输出电平的变化,霍尔传感器的输出端与单片机的P1.0端口相连接，单片机就会接收到一个开关信号。

5、光敏器件开关与单片机的接口电路。

光敏器件是一种将光信号转换成电信号的器件，主要有光敏二极管、光敏晶体管和光敏电阻等，具有亮阻低、暗阻高的特点。在光的照射下，光敏器件吸收光子能量产生电流和输出电压。

左图中采用光敏二极管将电度表

铝盘的转数转换成脉冲数，光敏管产

生的电脉冲输入到光电耦合隔离器

01，经光电耦合隔离器送至89C2051

单片机的外部中断中进行计数处理。

6、光电开关和单片机的接口电路

工业上应用很广泛的是光电传感器，比如光电计数开关、光电位置检测开关。

左图中的D为红外发光二极管，R1

为限流电阻，T是光电接收三极管，

R2为取样电阻。D在+5V的作用下，

产生红外光线，当红外光线没有被

挡住时，T导通饱和向单片机输入一

个O电平信号，当红外光线被挡住

时，T截止向CPU输入一个1电平信

号。向单片机输入开关信号,就能对红外光线进行控制。根据发光二极管与接收三极管的不同位置设计的开关接口电路，可以应用于计数、位置状态、转速等多方面测试。

5．温度超限检测开关与单片机的接口