第4章开关量信号的输入输出

智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出第四章开关信号的输入/输出1．开关和开关量信号的区别？开关是一种有二个可选择的、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。

2．开关量信号的特点是什么？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。

1智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出3．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。

4．常见电子开关都有哪些？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。

5.电子开关的缺点是什么？如何解决该缺点？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，在输入到单片机之前必须接入信号输人电气接口电路，对外部的输入信号进行滤波、电平转换和隔离保护等。

2智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出外界的开关量信号在一般情况下可直接连入以单片机为核心的智能仪器中。

但当外界的开关量信号的电平幅度与单片机I／O端口的信号电平不相符时（由于这些电平信号功率有限，加上外界还存在各种干扰和影响），应在电平转换后(采用各种缓冲、放大、隔离和驱动电路等措施），再输入到单片机的I／O端口上。

34.1开关量信号的输入开关量信号和单片机的电气接口有TTL电平、CMOS 电平、非标准电平、开关或继电器的触点等，请说明TTL电平和CMOS电平的特征？4TTL电平（晶体管-晶体管逻辑电平）,通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。

TTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。

TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。

CMOS电平：CMOS电平+12V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，COMS电路速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。

5V的电平不能触发CMOS电路，12V的电平会损坏TTL电路，因此不能互相兼容匹配。

574系列芯片的特征，类别功能和区别在外设接口电路中，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。

74系列器件是一种中小规模TTL集成电路芯片，这是一种低成本、工业和民用产品。

（1）74 X X X——标准TTL；（2）74LX X X——低功耗TTL；（3）74SX X X——肖特基型TTL；（4）74LSX X X——低功耗肖特基型TTL；（5）74ALSX X X——高性能型TTL；（6）74FX X X——高速型TTL。

674LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。

74LS244没有锁存的功能。

L表示低电平H表示高电平X表示不定状态Z表示高阻态774LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。

89问：有74LS244和74LS245芯片各一块，现要用于一单片机的总线驱动和数据驱动，如何分配？单向驱动器74LS244用于地址总线驱动双向驱动器74LS245用于数据总线驱动10驱动器。

74LS06：六高压输出反相缓冲器/111274LS273:带公共时钟复位八路触发器74LS373是三态同相八路锁存器273与373的引脚排列是相同的,唯一的差别是两者1、11脚的功能不同。

74LS273:带公共时钟复位八路触发器11174LS2731脚是低电平时,输出脚全部输出0，即全部复位；当1脚为高电平时，11脚是锁存控制端，并且是上升沿触发锁存。

74LS373 当1脚是低电平时,只要11脚上出现一个下降沿,输出立即呈现输入脚的状态;当1脚是高电平时, 输出全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态)。

13所以，对273来说,1(CLR)脚必须接高电平，ALE信号经过反相后接11脚(因为单片机的ALE信号是以下降沿方式出现)；对373来说，1脚接低电平，保证使能，11脚直接接单片机的ALE信号。

14154.1.1 开关量信号输入通道结构开关量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。

图4-1 开关量信号输入通道结构输入接口电路缓冲电路单片机控制电路4.1.2 开关量输入接口图4-2 扳键开关与单片机的接口电路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。

1 扳键开关与单片机的接口电路162 BCD码拔盘开关与单片机的接口电路图4-3 BCD码拔开关与单片机的接口电路在仪器应用中，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。

1718智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出图4-3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。

当89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。

1974LS245当片选端/G低电平有效时，DIR=“0”，接收信号；DIR=“1”，发送信号；当/G为高电平时，A、B均为高阻态。

21一个机器周期ALEPSEN P2P0地址A8~A15A0~A7三态数据D0~D7入读外部数据RAM 时序图MOVX A, @RiMOVX A, @DPTRRD智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出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4-4ａ霍尔元件差动放大电路图4-4ａ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．2223智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出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.24４光敏器件开关与单片机的接口电路图4-5a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。

图4-５ａ脉冲电表计数电路26思考：非门的作用？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。

图4-５b 光电开关和单片机的接口电路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。

27图4-5C中，红外发光二极管和红外接收三极管分别安装在产品流水线传送带的二边，每当传送带上有一个产品经过，就会遮挡红外光线一次，使红外接收三极管的输出一个脉冲电平信号。

单片机对输入的脉冲信号进行计数，就可以对产品的产量进行统计。

图4-5C生产线上的产品计数模型28图4-5D 光电传感器位置检测图4-5B中当移动的物体一旦挡住红外光线，红外接收三极管就会输出一个脉冲信号。

此装置可以用来检测物体的有或无，可以作为运动物体的限位检测电路，可以作为外人侵入的报警检测电路，也可以作为自动门的控制电路。

295．温度超限检测开关与单片机的接口热敏电阻或集成温度传感器测量得到设备的温度后，与某一设定的临界值相比较，根据比较的结果输出高电平或输出低电平，从而实现温度电子开关的方法。

图4-6 温度超限开关电路30问题：为什么选择LM339图4-6中，LM339是集成温度传感器可提供正比于温度的电流，这样在R1两端可以产生约3.2V电压，该电压随温度的升、降而改变。

调节R4电位器到某一特定值时，就可以检测到温度高于或低于对应于R4的临界温度信号。

信号经过LM339比较器比较，即可输出TTL电平开关信号。

将这个信号输送到单片机的I／O口或外部中断引脚处理，即可实现温度超限控制。

31324.2 开关量信号的输出由于被控设备需要一定的电压和电流，锁存器的驱动能力有限，不能直接驱动被控设备，因此，在锁存器后级必须配接有足够驱动能力的输出驱动电路。

锁存器功率驱动器地址译码器输出控制侧开关量数据总线控制状态一般需要保持到下一个新状态值给出为止334.2.1 输出驱动接口的隔离单片机应用系统中，常常会遇到外界强电磁的干扰和工频电压信号的串扰，导致系统工作不稳定。

为了消除干扰，使系统工作稳定可靠，一般需要采用通道隔离技术，把单片机系统与干扰源隔开。

输出通道的这种隔离常用光电耦合器件来实现。

34354.2.2 小功率直流负载驱动接口电路图4-9 三极管驱动接口电路小功率直流负载类型:发光二极管、LED 数码显示器、小功率继电器和晶闸管等,驱动电流为5-40 mA,通常采用小功率三极管、集成电路作驱动电路。

图4-9中，9013三极管做开关用，驱动电流100mA ，可驱动负载电流不大元器件。

36·集电极电流Ic ：Max 500mA ·集电极-基极电压Vcbo ：40V ·工作温度：-55℃to +150℃·功率(W):0.625 ·和9012（PNP ）相对智能仪器原理与设计------第4章开关量信号的输入输出图4-10中，P1.0和P1.1 低电平有效,LED亮。