第5讲 开关量的输入输出与逻辑控制
开关量输入输出电路
谢谢观看
只要通过软件使并行口的PB0输出 “0”，PB1输出“1”，便可使与非门 H1输出低电平，光敏三极管导通，继电 器KM被吸合。
在初始化和需要KM返回时，PB0=1， PB1=0
设置反相器B1及与非门H1而不将发 光二极管直接同并行口相连，一方面是因 为并行口带负载能力有限，不足以驱动发 光二极管，另一方面是因为采用与非门后 要满足两个条件才能使KM动作，增加了 抗干扰能力。
开关量输入、 输出电路
五、开关量输入及输出
基本功能：将测控对象需要的状态信号引入微机系统，并将CPU送出的数 字信号或数据进行显示、控制或调节。
（一）开关量输入电路
包括：断路器和隔离接头等输入、外部装置闭锁重合闸触点接入、装置上连接片位置输 入等回路。
对于从装置外部引入的 接点，当S1接通时，有电流 通过光电掐进的发光二极管 回路，使光敏三极管导通。 S1断开时，光敏三极管截止。 因此，三极管的导通与截止 完全反应了外部接点的状态。
五、开关量输入及输出
（二）开关量输出回路
包括自动装置的跳闸出口及信号，一般采用并行接口的输出来控制有接点继 电器。为了提高抗干扰能力，也经过一级光电隔离。
1、安装在装置面板上的接点。包括在装置调试时用的或运行中定期检查装 置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。
2、从装置外部经端子排引入装置的接点。如需要由运行人员不打开装置外 盖在运行中切换的各种压板、转换开关及其他装置和操作继电器。
五、开关量输入及输出
（一）开关量输入电路
对于装在面板上的接点， 可直接接至微机的并行口， 只要在可初始化时规定图中 可 编 程 的 并 行 口 PA 0 为 输 入 端，CPU就可以通过软件查 询，随时知道外部接点S1的 状态。
3[1].开关量输入输出通道与顺序控制
![3[1].开关量输入输出通道与顺序控制](https://img.taocdn.com/s3/m/3a553bd276eeaeaad1f330af.png)
开关量通道综合应用： 开关量通道综合应用：
光电对管遮光控制LED; 光电对管遮光控制LED; 脉冲列计数
进一步体会对开关量的读写。 进一步体会对开关量的读写。
inportb(端口地址) /*读端口 读端口* inportb(端口地址) /*读端口*/ 端口地址
DI: 16个开关输入量分别占用输入通道地址Base+6 16个开关输入量分别占用输入通道地址 个开关输入量分别占用输入通道地址Base+6 Base+7。数据格式如下： 和Base+7。数据格式如下：
11110110
DO_1 DO_2 DO_3 DO_4 DO_5 DO_6
DI-6
开关量通道综合应用
1.光电对管遮光控制LED 光电对管遮光控制LED
光电对管自左至右编号，DO显示用的LED也自左至右编 显示用的LED 光电对管自左至右编号，DO显示用的LED也自左至右编 编写程序，实现如下功能：遮挡某一光电对管时( 号。编写程序，实现如下功能：遮挡某一光电对管时(绿 显示其状态) 相应的红色LED熄灭 红色LED熄灭。 灯显示其状态)，相应的红色LED熄灭。
＋5V GND DI_1 DI_2 DI_3 DI_4 DI_5 DI_6 DI/DO 电路板 DO_1 DO_2 DO_3 DO_4 DO_5 DO_6
脉冲的计数方法
看上升沿 看下降沿 整个脉冲
：0 ：1 ：0
1 0 1，1 0 1，1 0
(上升沿＋下降沿)/2：0 上升沿＋下降沿)/2： )/2
回顾： 回顾：寻址方式
计算机按地址访问各个外部设备的端口 计算机按地址访问各个外部设备的端口 地址 (I/O port) 采集卡：集多通道于一体，具有多个端口， 采集卡：集多通道于一体，具有多个端口， 每个端口都有各自的端口地址 端口地址。 每个端口都有各自的端口地址。 板卡端口地址＝ 板卡端口地址＝基地址 ＋偏移量 Base offset 本板卡基地址＝ 由板卡跳线所决定) 本板卡基地址＝0x220 (由板卡跳线所决定) 偏移量地址： 偏移量地址：由所用的寄存器决定
第五讲微机保护的数据采集系统
usc
2、对采样保持电路的要求 a）截获时间（Tc）尽量短，以便采用很短采样脉冲。 b）保持时间长，在保持期间输出电压变化小。 c）模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。 采样保持电路的典型芯片
usr
usc
usr
uHale Waihona Puke cS/H3、模拟低通滤波器
电力系统故障初期，电流、电压中可能含有相当高的频率分 量（如2 kHZ以上）。而目前大多数微机保护原理都是反映 50HZ工频分量的。因此，在采样保持前用一个模拟低通滤波器 把高频分量过滤掉，防止高频分量混叠到工频来。 最简单的模拟低通滤波器是RC低通滤波器。 其中 R = 4.3kΩ
当采样时间 Ts 很小时，且输入模拟信号中没有高频分量时， u也不变。则有： 可以认为在采样时间内输入模拟电压 sr (t )
D = KV ⋅ usr (t) ⋅ ∫
t
′ dτ = KV ⋅ usr (t) ⋅Ts = KV ⋅ usr (t)
所以最终输出的数字量D也正比于输入的模拟信号 usr (t)。
微机保护的硬件构成
数据采集系统（ 二、 数据采集系统（模拟量输入系统）
（一）电压形成回路
微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取 得电流、电压信息，必须把这些电流互感器、电压互感器的 二次电流、电压（5A或1A、100V）进一步变换降低为±5V或 ±10V范围内的电压信号，供微机保护的模数转换芯片使用。
第五讲 微机保护数据采集系统
微机继电保护举例
微机保护 的结构
CPU板 板
一、 概述
微机保护的硬件构成由三部分组成
1、模拟量输入系统（数据采集系统）：电压形成、模拟 滤波、采样保持(S/H)、多路转换(MPX)以及模数转换(A/D)， 完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量 2、CPU主系统：微处理器(MPU)、只读存储器(ROM)或闪存 内存单元(FLASH)、随机存取存储器(RAM)、定时器、并行以 及串行接口等。MPU执行编制好的程序，以完成各种继电保 护测量、逻辑和控制功能 3、开关量（数字量）输入/输出系统：并行接口(PIA或 PIO)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，完成保 护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话等功能
开关量的输入(共4张PPT)
光电耦合器
2、 变电站开关量的输入电路 开关量输入分为安装在装置面板上的接点（如装置键盘
当S1闭合，光敏三极管 导通；
当S1断开，光敏三极 管截止。
微机并行口PA0通过 软件查询电平的高 低，从而获知外部 接点的状态。
开关量输入电路原理图
（a）装置内接点输入电路 （b）装置外接点输入电路
谢谢欣赏！
1、开关量的接输点入）：将及测外控部对象经的端状子态信排号引引入入微装机置系的统，接简点称。开开入。关量输入主要有断路器、隔离开关的辅助
（（触触 触2当（触触触 当接当（当2触 触（1接（（ 开（触、 、 、aa点点点Sa点点点S点SaS点点a点aa关a点） ） ） ） ） ） ））开1111、 、、 、 、 、） 、、 ） 量 、变变闭闭断闭装装装装装关装装 装装装 装装装装 及装 装及输装电电合合开合置置置置置量置置 置置置 置置置置 外置 置外入置站 站， ， ， ，内内内内内的内内 内压压 压压压压 部压 压部主压触开开光光光光接接接接接输接接 接板板 板板板板 经板 板经要板关关敏敏敏敏点点点点点点入点点 点位位 位位位位 端位 位端有位量量三三三三、输输输输输：输输 输置置 置置置置 子置 置子断置的的极极极极入入入入入将入入 入装、、 、、、、 排、 、排路、输输管管管管电 电 电 电 电 测 电 电电有有有有有有引有有引器有置入入导导截导路路路路路控路路 路载载 载载载载 入载 载入、载电电通通止通压对（（（（（（（ （调调 调调调调 装调 调装隔调路路；；。；板象bbbbbbbb压压 压压压压 置压 压置离压））））））） ）的位分分 分分分分 的分 分的开分装装装装装装装 装开开状接接 接接接接 接接 接接关接置置置置置置置置 置关关态头头 头头头头 点头 头点的头、外外外外外外外 外量量信位位 位位位位 。位 位。辅位接接接接接接接 接有输输号置置 置置置置 置 置助置点点点点点点点 点入入引载、、 、、、、 、 、、输输输输输输输 输分分入继继 继继继继 继 继继调入入入入入入入入为 为微电电 电电电电 电 电电压电电电电电电电 电安安机器器 器器器器 器 器器路路路路路路路 路分装装系接接 接接接接 接 接接在在统接点点 点点点点 点 点点装装，等等 等等等等 等 等等头置置简。。 。。。。 。 。。位面面称置板板开上上入、的的。继接接电点点器（（如如接装装点置置等键键。盘盘
开关量信号的输入输出
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通 道结构 4、注意： P1口可直接输出（锁存 器和地址译码电路可省 略）最多8个开关量信号。 P0口经锁存电路隔离可 接多组8个开关量输出。 当驱动小负载时，输出 驱动电路可省略。
§4.2 开关量信号的输出
二、开关量输出接口的简单设计 1、P1口开关量的输出 练习：通过P1口直接控制8个LED发光二 极管，画出硬件电路图，并写出控制发光 二极管点亮的指令。
§4.2 开关量信号的输出
一、开关量信号输出的通道 结构 3、各部分作用 锁存器：当开关量信号从 P0口输出时，锁存器起到ห้องสมุดไป่ตู้隔离数据总线的作用。常 用锁存器如74LS373、 74LS273、74LS377等 地址译码控制：锁存器的 锁存地址控制 输出驱动电路：提高输出 开关量信号的输出功率。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接 口电路 在驱动功率较大的继电 器和电磁开关等控制对 象，要求提供50~500 mA的电流时，可使 用MC1413 （ULN2003）、 MC1416（ULN2004） 等达林顿管集成电路。
三、开关量输出的功率接口电路设计
2、中功率达林顿管驱动接口 电路 若图中继电器需要100mA 吸合电流，则（V+—0.3） /（r+R2）=I=100，其中r 是继电器的线圈内阻，当已 知V+时，可求R2 取 MC1413的放大倍数 β=100，P1.0输出电流 =100mA/β=1mA， 1*R1+0.7+0.7+100*R2 =5, 可求R1
§4.2 开关量信号的输出
三、开关量输出的功率接口电路设计 1、小功率驱动接口：
开关量及其逻辑关系
开关量及其逻辑关系
开关量是指只有两种状态的物理量，通常表示为高电平（1）和低电平（0）。
例如，电路中的开关、传感器的开关输出、数字信号等都是开关量。
在逻辑控制系统中，开关量具有重要的作用。
逻辑关系是指开关量之间的逻辑联系，包括“与”、“或”、“非”等逻辑运算。
常见的逻辑关系如下：
1. “与”逻辑关系：当多个开关量同时满足条件时，该逻辑关系成立。
例如，“所有的灯都要亮”需要同时满足各个灯的开关量都为高电平。
2. “或”逻辑关系：当多个开关量只有一个满足条件时，该逻辑关系成立。
例如，“任意一个开关打开都能使电风扇工作”需要只要有一个开关量的状态为高电平即可。
3. “非”逻辑关系：表示否定某个开关量的状态，例如，“当门没有关上时，就不能启动电梯”。
以上逻辑关系在逻辑控制系统中都有广泛应用，能够实现各种自动化控制功能。
例如在自动化生产线中，通过检测多个传感器的开关量状态，实现机器的自动化调节及报警功能。
开关量输入╱输出电路
开关量输入/输出电路一、开关量的隔离与抗干扰1、开关量的隔离（1）隔离的作用隔离的主要作用是：使低压输入电路与大功率的电源隔离；外部现场器件与传输线同数字电路隔离，以免计算机受损；限制地回路电流与地线的错接而带来的干扰；多个输入电路之间的隔离。
（2）开关量的隔离方法常用的开关量的隔离方法主要有以下方式。
○1光电隔离。
（图3－28 光电耦合器原理接线图）○2继电器隔离。
（图3－29 采用继电器隔离的开关原理接线图）○3继电器和光电耦合器双重隔离。
2、抗干扰软件抗干扰措施主要是适当增加延时，以躲开触点抖动的影响。
二、开关量的采集、检测与变位识别1、开关量的采集方式（图3—30 中断申请电路图）当开关状态发生变化时，由于Q端仍保持原状态，D、Q异或的结果使输出由低电平跳变为高电平，通过非门变成低电平向CPU申请一次中断。
当CPU 响应中断以后，发出INTA信号使触发器触发。
D、Q状态趋于一致，异或门输出又成为低电平。
2、开关动作的检测把3次采样的开关量用A、B、C三个布尔数来表示，从中任取出两个进分“与”运算，如果其中有两个或两个以上为“1”，则运算结果必定有一个为“1”；反之，若有两个或两个以上为“0”，则运算结果必定全为“0”。
另外，再根据“或”运算的规则，在N个数中只要有一个是“1”，则运算结果必定是“1”；只有当N个数全为“0”时，结果才为“0”。
可以把三取二表决的算法用以下逻辑算式来处理（A·B）＋（B·C）＋（C·A）（3－15）3、开关变位的识别开关量的状态通常用一位二进制数来表示，例如用“1”代表闭合，用“0”代表断开。
变电所的开关量数目很多，为了简化分析，下面只对用一个字节的二进制数表示的8个开关状态进行分析，但所得到的结论具有普遍的意义。
○1现状○＋原状，若有变位则该位为1；若无变位，则该位为0。
○2（现状○＋原状）∧原状，若为1，则该位由1→0。
○3（现状○＋原状）∧现状，若为1，则该位由0→1。
开关量的输出(共5张PPT)
电隔离提高抗干扰能力。
D1
图3 装置开关开关输量出输出回回路路图接线图
开关量的输出
2、开关量输出电路 开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号等，一般采用并行接口的输出来控制有接点继电器的方法，同时采用光
电隔离提高抗干扰能力。
1、开关量的输出：将控制某个接点接通或断开的数字从微机保护送出，简称开出。
开关量的输出
ห้องสมุดไป่ตู้
开关量的输出
1、开关量的输出：将控制某个接点接通或断开的数字从微机保护送出，简称开出。
接通相应控制回路
0
1
开关量的输出电路
由软件使CPU并2行、口开PB关0及量P输B1输出出电数路字0、1开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号等，一般采用并行接
2、开关量输出电路 开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号等，一般采用并行接口的输出来控制有接点继电器的方法，同时采用光
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2、开关量输出电路 开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号等，一般采用并行接口的输出来控制有接点继电器的方法，同时采用光
电隔离提高抗干扰能力。
2电 2、 、隔开开离关关提由量量高软输输抗件出出干使电电扰并路路能行口力开开。关关量量输输出出主主P要要B0包包括括1 自自动动装装B置置1的的跳跳1闸闸出出口口以以及及信信号号等等，，一一般般采采用用并并行行接接口口的的输输出出来来K控控制制有有接接点点继继电电继电器器器的的返方方回法法成，，功！同同时时采采用用光光
2、开关量输出电路 开关量输出主要包括自动装置的跳闸出口以及信号等，一般采用并行接口的输出来控制有接点继电器的方法，同时采用光
电隔离提高抗干扰能力。
1、开关量的输出：将控制某个接点接通或断开的数字从微机保护送出，简称开出。
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机电系统的微机控制
杨绪剑
哈工大（威海）船舶学院
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
z一、光电耦合器
z二、开关量的输入通道
z三、开关量的输出通道
z四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
¾一、光电耦合器
z二、开关量的输入通道
z三、开关量的输出通道
z四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
一、光电耦合器
1.原理与用途
L+VCC R1R2
GND L-
P1.0原理：发光二极管+光敏三极管
作用：
1）隔离输入/输出通道的噪声；
2）实现电平的转换；
主要参数：
1）正向电流I F ，正向压降V F ；
2）饱和压降V CE(sat)，耐压V CE(max)；3）电流传输比CTR ；
一、光电耦合器
2.常用器件
一般用光耦交流用光耦高速光耦TLP5214N2525056N137
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
z二、开关量的输入通道
z三、开关量的输出通道
z四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
¾二、开关量的输入通道
z三、开关量的输出通道
z四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
二、开关量输入通道
1.开关量常用输入形式
二、开关量输入通道
1.开关量常用输入形式
二、开关量输入通道
2.输入调理电路
VCC
R1 R2
施密特触发C
电路参数典型值：
R1=4.7kΩ；R2=300Ω；C=10uF（106）
二、开关量输入通道
2.输入调理电路
5V R1
R2
1
S
C
电路参数典型值：
R1=3.9k Ω（392）；R2=560Ω（561）；R3=10k Ω（103）；R4=4.7k Ω（472）；
24V
S
R1
R2
C
R3
5V
R4
二、开关量输入通道
2.输入调理电路
注：调理电路只针对机械式按钮或行程开
关输入，对于有源触点，如接近开关、光
电开关等，一般不需输入调理，但可保留
光电隔离。
对于高速输入的数字信号一般
也不能进行调理。
另外按键的去抖也可用
软件延时的方法实现。
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
9二、开关量的输入通道
z三、开关量的输出通道
z四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
9二、开关量的输入通道
¾三、开关量的输出通道
z四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
三、开关量输出通道
1.小电流输出
VCC P1.x
R
D
R1
R2
R L
P0.x
VCC V+
V CC T2
T1
P0.x
V CC
T
P1.x
三、开关量输出通道
2.继电器输出
R2
V+
V+
K
D T
R1
VCC
注：
若继电器触点切换的负载为电感性负载，且切换频率较高时，应为继电器的触点接入浪涌保护电路，常用的方法是CR 法。
R ：0.5~1Ω/V C ：0.5~1uF/A
三、开关量输出通道
2.继电器输出
机械式继电器采用电磁吸合方式，速
度慢，在开合瞬间容易产生火花，触
点容易老化。
固态继电器用晶体管和
可控硅代替触点开关，并可以实现触
点电源与控制电源的完全隔离。
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
9二、开关量的输入通道
9三、开关量的输出通道
z四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
9二、开关量的输入通道
9三、开关量的输出通道
¾四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
四、逻辑控制的实例
1.继电器控制电路
某机床有两台电机，主轴
电机15KW，需Y-Δ启动
，润滑泵电机1.1KW，可
直接启动，要求在未开启
润滑泵电机前，不准开启
主轴电机。
作业：
要求将该电路改造为单片
机控制系统，完成输入输
出电路的设计（直接用其
IO口，不必进行单片机的
IO扩展）。
注意急停按钮
仍直接切断控制电源而非
作为输入后由程序控制。
四、逻辑控制的实例
2.单片机控制系统的模拟
某机床有两台电机，主轴电机15KW，需Y-Δ启动，润滑泵电机1.1KW，可直接启动，要求在未开润滑泵电机前，不准开启主轴电机。
输入点：
SB3：主轴电机启动按钮---------K1
SB2：主轴电机停止按钮---------K2
SB5：润滑泵电机启动按钮------K3
SB4：润滑泵电机停止按钮------K4输出点：
KM2：主轴电机主接触器---------LED1
KM1：主轴电机Y连接接触器----LED2
KM3：主轴电机Δ连接接触器---LED3
KM4：润滑泵电机主接触器------LED4
实验中，以K1（P1.4）、K2 （P1.5）、K3 （P1.6）和K4 （P1.7）分别代替SB3、SB2、SB5和SB4的输入，以指示灯LED1（P0.0）、LED2 （P0.4）、LED3 （P2.7）和LED4 （P2.4）分别代替KM2、KM1、KM3和KM4的输出。
急停按钮应直接接入控制回路中，以防止程序运行出错时无法停止设备。
四、逻辑控制的实例
2.单片机控制系统的模拟
程序清单（汇编）
详见第五讲附录I
四、逻辑控制的实例
2.单片机控制系统的模拟
程序清单（C）
详见第五讲附录II
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
9二、开关量的输入通道
9三、开关量的输出通道
9四、逻辑控制的实例
z五、脉冲量的输入与输出通道
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
9二、开关量的输入通道
9三、开关量的输出通道
9四、逻辑控制的实例
¾五、脉冲量的输入与输出通道
五、脉冲量的输入输出通道
脉冲量的输入输出通道与数字量的输入输出通道没有本质的区别，但通常所说的脉冲量是指一些高速的数字量，例如光电编码器的输出信号。
对于高速信号的输入，一般无需信号的调理（滤波），如需要光电隔离，必须使用高速光耦；对于高速脉冲量的输出，不能使用机械式继电器，可采用晶体管、晶闸管（可控硅）或者使用固态继电器（视脉冲量的频率情况）。
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲讨论如下内容：
9一、光电耦合器
9二、开关量的输入通道
9三、开关量的输出通道
9四、逻辑控制的实例
9五、脉冲量的输入与输出通道
本讲结束，下讲再见！
第五讲开关量的输入输出与逻辑控制z本讲参考书目：
¾1. 王福瑞等. 单片微机测控系统设计大全. 北京: 北京航空
航天出版社, 2000.
¾2. 李正军. 计算机控制系统. 北京: 机械工业出版社, 2008.
¾3. 廖常初. S7-200 PLC 基础教程. 北京: 机械工业出版社.
2006.
¾4. 马忠梅, 刘滨, 戚军等. 单片机C语言Windows环境编程
宝典. 北京: 北京航空航天出版社. 2003.。