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第七章信号的输入输出技术7.1单片机应用系统的结构7.2模拟信号的输入—传感器技术7.3模拟信号的输入--A/D转换7.4模拟信号的输出--D/A转换7.5开关量的输入输出7.6信号输入输出实验7.1单片机应用系统的结构图7.1单片机应用系统的基本结构单片机应用系统的核心任务：根据一定的输入（前向通道），结合一定的处理算法，然后作出一定的输出响应（后向通道）。输入：包括模拟输入和数字输入，电量信号输入和非电量信号输入。对于非电量输入需要通过传感器将非电物理量转换为模拟电信号。预处理：一般包括放大器和滤波器两部分：信号经过放大器的放大变为具有一定幅值的模拟输入信号；滤波器（低通或带通）的作用则是滤除输入模拟信号中的无用频率成分和噪声，避免采样后发生频谱混叠失真。A/D转换：将模拟信号转换为数字信号。MCS-51单片机是整个系统的控制和处理核心，它是一个数字处理芯片，要求所有的输入和输出都是具有TTL电平的数字信号。这样模拟信号要想输入到单片机中必须先将其转换成数字信号。A/D转换器的任务就是在满足奈奎斯特采样定理的条件下，将模拟信号转换为数字信号。对于开关量，可以很容易的映射成数字的0或者1，即TTL的低电平和高电平，映射后的这些数字信号就可以直接输入到单片机内部。输出：处理的结果需要输出，对于开关量的输出，可以简单地经过映射部件，将单片机的TTL电平输出信号转换成所需要的开关量进行输出。D/A转换：有些输出需要以模拟信号的形式存在（如语音信号），单片机输出的TTL电平数字信号必须经过D/A转换。由于转换后模拟信号中往往含有许多高频成分，因此也需要通过滤波器滤除这些高频信号，以获得平滑的模拟输出信号。有时候，输出的模拟信号还有电压、电流、功率等要求，D/A转换后的模拟信号需要经过一定的模拟电路来满足这些要求。7.2模拟信号的输入—传感器技术传感器：将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置，也叫变换器、换能器或探测器。通常，传感器由敏感元件和转换电路组成，如图：图7.2传感器结构示意图敏感元件转换元件辅助电路信号调节转换电路被测非电量有用非电量有用电量输出电量敏感元件：传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件：传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号。信号调理和转换电路：由于传感器输出信号一般都很微弱，因此需要有信号调理和转换电路，进行放大、运算调制等。辅助电路：主要是指电源。7.2.1传感器的分类１、按传感器的物理量：可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器；２、按传感器工作原理：可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。３、按传感器输出信号的性质：可分为：输出为开关量（“１”和０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。7.2.2传感器特性选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小。重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。1、灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题：当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既能使传感器检测到有用的微小信号;又能使噪声干扰小，要求传感器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而且不易从外界引进干扰噪声。与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时，传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。当被测量是一个向量时，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵敏度愈高愈好；如果被测量是二维或三维的向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。2、响应特性传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但我们总希望延迟的时间越短越好。一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等传感器)响应时间短，工作频率宽;结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。3、线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作区均选在初始间隙附近。而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。4、稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题：一、根据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性质。二、要创造或保持一个良好的环境，在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定性有严格的要求。5、精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。如前所述，传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对整个测试系统具有直接的影响。在实际中并非要求传感器的精确度愈高愈好，需要考虑到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其价格就越昂贵，所以应从实际出发来选择传感器。在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确。如果是定量分析，那么必须获得精确量值。但在某些情况下，要求传感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.1—0.01m范围内，欲测得这样的精确量值，必须有高精确度的传感器。6、测量方式传感器在实际条件下的工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。接触与非接触测量：在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器，若选用电阻应变片，则需配以遥测应变仪。破坏与非破坏性测量在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏性检验。然而有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜采用非破坏性检验方法。例如，涡流探伤、超声波探伤、核辐射探伤以及声发射检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益.在线与非在线测量在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠，必须在现场条件下才能达到检测要求。实现在线检测是比较困难的，对传感器与测试系统都有一定的特殊要求。例如，在加工过程中，实现表面粗糙度的检测，以往的光切法、千涉法、触针法等都无法运用，取而代之的是激光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传感器，也是当前测试技术发展的一个方面。7.2.3常用传感器简介1、红外光电传感器光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。检测电路能滤出有效信号和应用该信号。常用的光电传感器分以下几种：①槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。②对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。③反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。④扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。本图是利用光电传感器测量电机转速的一个应用。光线每照射到接收器件一次，接收器件就产生一个脉冲，经放大整形后，可以通过频率计计算出每分钟产生的脉冲数，即电机转速。2、压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。极化效应：在受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。根据这个效应研制出了压力传感器。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电材料压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。主要应用压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的