輸入接口允許傳感器（輸入傳感器）與PC和微控制器通信

接口是將一個設(shè)備連接或鏈接在一起的方法，尤其是計算機或微控制器與另一個允許我們設(shè)計或調(diào)整兩個電子設(shè)備的輸出和輸入配置，以便它們可以一起工作。

但接口不僅僅是使用計算機的軟件程序和處理器控制某事。雖然計算機接口使用單向和雙向輸入和輸出端口來驅(qū)動各種外圍設(shè)備，但是可以使用許多簡單的電子電路來連接現(xiàn)實世界，使用機械開關(guān)作為輸入，或使用單個LED作為輸出。

按鈕開關(guān)

要使電子或微電子電路有用且有效，它必須與某些東西接口。輸入接口電路將諸如運算放大器，邏輯門等電子電路連接到外部世界，擴展其功能。

電子電路放大，緩沖或處理來自傳感器或開關(guān)的信號作為輸入信息或控制用于輸出控制的燈，繼電器或執(zhí)行器。無論哪種方式，輸入接口電路都將一個電路的電壓和電流輸出轉(zhuǎn)換為另一個電路的等效電壓。

輸入傳感器提供有關(guān)環(huán)境信息的輸入。溫度，壓力或位置隨時間緩慢或連續(xù)變化的物理量可以使用各種傳感器和開關(guān)裝置測量，給出相對于被測物理量的輸出信號。

我們的許多傳感器可用于我們的電子電路和項目是電阻性的，因為它們的電阻隨測量量而變化。例如，熱敏電阻，應(yīng)變計或光敏電阻（LDR）。這些設(shè)備都被歸類為輸入設(shè)備。

輸入接口電路

最簡單和最常見的輸入接口設(shè)備類型是按鈕開關(guān)。機械ON-OFF撥動開關(guān)，按鈕開關(guān)，搖臂開關(guān)，鑰匙開關(guān)和簧片開關(guān)等都是流行的輸入設(shè)備，因為它們成本低，并且易于與任何電路連接。操作員也可以通過操作開關(guān)，按下按鈕或在磁簧開關(guān)上移動磁鐵來改變輸入狀態(tài)。

輸入接口單開關(guān)

開關(guān)和按鈕是具有兩組或更多組電觸點的機械設(shè)備。當開關(guān)打開或斷開時，觸點斷開，當開關(guān)閉合或操作時，這些觸點短路在一起。

最常見的輸入方式是將開關(guān)（或按鈕）接口連接到電子電路通過上拉電阻連接到電源電壓，如圖所示。當開關(guān)打開時，給出5伏或邏輯“1”作為輸出信號。當開關(guān)閉合時，輸出接地并且為0v，或者給出邏輯“0”作為輸出。

然后根據(jù)開關(guān)的位置，輸出“高”或“低”被生產(chǎn)。當開關(guān)打開時，需要一個上拉電阻將輸出電壓電平保持在所需的值（在本例中為+ 5v），并防止開關(guān)在閉合時使電源短路。

上拉電阻的大小取決于開關(guān)打開時的電路電流。例如，當開關(guān)斷開時，電流將通過電阻流向 V OUT 端子，并且從歐姆定律中，此電流將導(dǎo)致電壓降出現(xiàn)然后，如果我們假設(shè)數(shù)字邏輯TTL門需要60微安（60uA）的輸入“高”電流，這會導(dǎo)致電阻上的電壓降：60uAx10kΩ= 0.6V ，產(chǎn)生 5.0-0.6 = 4.4V 的輸入“高”電壓，完全符合標準數(shù)字TTL門的輸入規(guī)范。

A開關(guān)或按鈕也可以在“高電平有效”模式下連接，其中開關(guān)和電阻器反向，以便開關(guān)連接在+ 5V電源電壓和輸出之間。電阻（現(xiàn)在稱為下拉電阻）連接在輸出和0v接地之間。在此配置中，當開關(guān)打開時，輸出信號 V OUT 為0v或邏輯“0”。當操作時，輸出變?yōu)椤案唠娖健敝?5伏電源電壓或邏輯“1”。

與用于限制電流的上拉電阻不同，主要目的是下拉電阻用于保持輸出端子 V OUT 懸空，將其連接到0v或接地。結(jié)果，可以使用更小的電阻器，因為它上面的電壓降通常非常小。但是，當開關(guān)閉合或工作時，使用過小的下拉電阻值將導(dǎo)致電阻器中的高電流和高功耗。

DIP開關(guān)輸入接口

除了輸入單個按鈕和搖臂開關(guān)與電路的接口外，我們還可以通過鍵盤和DIP開關(guān)的形式將多個開關(guān)連接在一起。

DIP或雙列直插式封裝開關(guān)是單個開關(guān)，在單個封裝內(nèi)組合為四個或八個開關(guān)。這允許將DIP開關(guān)插入標準IC插座或直接連接到電路或面包板上。

DIP開關(guān)封裝內(nèi)的每個開關(guān)通常通過其ON-OFF狀態(tài)和四個開關(guān)指示兩種情況之一DIP包將有四個輸出，如圖所示?；瑒邮胶托D(zhuǎn)式DIP開關(guān)可以連接在一起，也可以組合使用兩個或三個開關(guān)，這使得輸入非常容易連接到各種電路。

機械開關(guān)因其低成本而受歡迎易于輸入接口。然而，機械開關(guān)具有稱為“接觸彈跳”的常見問題。機械開關(guān)由兩個金屬觸點組成，當您操作開關(guān)時，它們被推到一起以完成電路。但是，不是產(chǎn)生單一的清潔開關(guān)動作，金屬部件在開關(guān)主體內(nèi)部接觸和彈跳，導(dǎo)致開關(guān)機構(gòu)非?？焖俚卮蜷_和關(guān)閉幾次。

因為機械開關(guān)觸點是設(shè)計的為了快速打開和關(guān)閉，阻力非常小，稱阻尼可以阻止觸點在制作或斷開時彈跳。結(jié)果是這個彈跳動作在開關(guān)實現(xiàn)緊密接觸之前產(chǎn)生一系列脈沖或電壓尖峰。

開關(guān)彈跳波形

問題在于機械開關(guān)輸入接口的任何電子或數(shù)字電路都可以讀取這些多開關(guān)操作，作為一系列持續(xù)幾毫秒的ON和OFF信號，而不僅僅是一個單一的正向開關(guān)動作。

這個多開關(guān)關(guān)閉（或打開）動作在開關(guān)中被稱為開關(guān)彈跳，其中相同的動作在繼電器中被稱為接觸彈跳。此外，由于在打開和關(guān)閉動作期間發(fā)生開關(guān)和觸點彈跳，因此在觸點上產(chǎn)生的彈跳和電弧會導(dǎo)致磨損，增加接觸電阻，并降低開關(guān)的工作壽命。

然而，那里通過使用去抖電路形式的一些額外電路來“去抖”輸入信號，我們可以通過幾種方式解決這種開關(guān)反彈問題。最簡單和最簡單的方法是創(chuàng)建一個RC去抖電路，允許開關(guān)對電容器充電和放電，如圖所示。

RC開關(guān)去抖電路

通過增加額外的100Ω電阻和1uF電容開關(guān)輸入接口電路，可以濾除開關(guān)彈跳的問題。 RC時間常數(shù) T 選擇為長于機械開關(guān)動作的跳動時間。反相施密特觸發(fā)緩沖器也可用于產(chǎn)生從低到高，從高到低的急劇輸出轉(zhuǎn)換。

那么這種類型的輸入接口電路如何工作？我們在RC充電教程中看到，電容器以其時間常數(shù) T 確定的速率充電。此時間常數(shù)值以 T = R * C 為單位測量，單位為秒，其中 R 是電阻值，單位為歐姆且 C 是Farads中電容的值。然后形成 RC 時間常數(shù)的基礎(chǔ)。

首先假設(shè)開關(guān)閉合且電容器完全放電，然后變頻器的輸入為低電平輸出為HIGH。當開關(guān)打開時，電容器通過兩個電阻器充電， R1 和 R2 ，其速率由 C（R1 + R2） RC網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)。

當電容器充電緩慢時，開關(guān)觸點的任何彈跳都會被電容器極板上的電壓平滑掉。當板上的電荷等于或大于逆變器的上輸入電壓（ V IH ）的最低值時，逆變器改變狀態(tài)，輸出變?yōu)榈?。在這個簡單的開關(guān)輸入接口示例中， RC 值大約為10mS，使開關(guān)觸點有足夠的時間進入最終打開狀態(tài)。

當開關(guān)閉合時，現(xiàn)在完全充電的電容將通過100Ω快速放電至零，其速率由 C（R2）時間常數(shù)決定，將變頻器輸出狀態(tài)從低電平變?yōu)楦唠娖?。然而，開關(guān)的操作導(dǎo)致觸點反彈，導(dǎo)致電容器想要反復(fù)充電，然后迅速放電回零。

由于RC充電時間常數(shù)比放電長10倍由于輸入上升時間減慢，電容器在開關(guān)彈回到最終閉合位置之前不能足夠快地充電，因此變頻器保持輸出為高電平。結(jié)果是，無論開關(guān)觸點在打開或關(guān)閉時彈跳多少，您都只能從逆變器獲得一個輸出脈沖。

如果開關(guān)接觸，這個簡單的開關(guān)去抖電路的優(yōu)勢就在于此彈跳太多或太長時間可以增加RC時間常數(shù)來補償。另外請記住，此RC延時意味著您需要等待再次操作開關(guān)，因為如果再次操作開關(guān)太快，它將不會產(chǎn)生另一個輸出信號。

這個簡單的開關(guān)去抖動電路將用于輸入接口單（SPST）開關(guān)到電子和微控制器電路，RC時間常數(shù)的缺點是它會在下一次開關(guān)動作發(fā)生之前引入延遲。如果切換動作快速改變狀態(tài)，或者如鍵盤上那樣操作多個鍵，則這種延遲可能是不可接受的。解決此問題并產(chǎn)生更快輸入接口電路的一種方法是使用交叉耦合的2輸入NAND或2輸入NOR門，如下所示。

使用NAND門開關(guān)去抖

這種類型的開關(guān)去抖電路的工作方式與我們在順序邏輯部分看到的SR觸發(fā)器非常相似。兩個數(shù)字邏輯門連接為一對交叉耦合的NAND門，有源低電平輸入形成SR鎖存電路，因為兩個NAND門輸入通過兩個1kΩ保持高電平（+ 5v）如圖所示，上拉電阻。

此外，由于電路作為置位復(fù)位SR鎖存器運行，該電路需要單刀雙擲（SPDT）轉(zhuǎn)換開關(guān)而不是單刀單開關(guān) - 前一個RC去抖電路的開（SPST）開關(guān)。

當交叉耦合的NAND去抖電路的開關(guān)位于 A 時，NAND門 U1 為“設(shè)置”且輸出為 Q 在邏輯“1”處為高電平。當開關(guān)移動到位置 B 時， U2 變?yōu)椤皊et”，重置 U1 。 Q 的輸出現(xiàn)在處于邏輯“0”的低電平。

在位置 A 和 B 之間操作開關(guān)將輸出在 Q 處從HIGH切換或切換為LOW或從LOW切換為HIGH。由于鎖存器需要兩個開關(guān)動作來設(shè)置和復(fù)位，因此在輸出 Q 處看不到開關(guān)觸點在開啟和關(guān)閉的任一方向上的任何彈跳。此SR鎖存器去抖電路的優(yōu)點還在于它可以在 Q 和 Q 處提供互補輸出。

以及使用交叉耦合NAND在形成雙穩(wěn)態(tài)鎖存輸入接口電路的門上，我們也可以通過改變兩個電阻的位置并將它們的值減小到100Ω的來使用交叉耦合的NOR門，如下所示。

使用NOR門開關(guān)去抖動

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交叉耦合NOR門去抖電路的操作與對于NAND電路，除了當開關(guān)處于位置 B 時 Q 處的輸出為高電平，而當處于 A 位置時為低電平。交叉耦合NAND雙穩(wěn)態(tài)鎖存器的反向。

然后值得注意的是，當輸入接口切換到使用NAND或NOR鎖存器用作去抖電路的電路時，NAND配置需要LOW或邏輯“0”輸入信號改變狀態(tài)，而NOR配置需要HIGH或邏輯“1”輸入信號來改變狀態(tài)。

與光電器件接口

光電耦合器（或光隔離器）是一種帶有LED和光敏器件的電子元件，例如封裝在同一封裝中的光電二極管或光電晶體管。我們在之前的教程中看到的光耦合器通過光敏光學(xué)接口互連兩個獨立的電路。這意味著我們可以有效地將兩個不同電壓或額定功率的電路連接在一起而不會對另一個產(chǎn)生電影。

光開關(guān)（或光開關(guān)）是另一種類型的光學(xué)（光電）開關(guān)設(shè)備，它可以用于輸入接口。這里的優(yōu)點是光學(xué)開關(guān)可用于將有害電壓電平連接到微控制器，PIC和其他此類數(shù)字電路的輸入引腳上或用于使用光檢測物體，因為兩個部件是電分離但光耦合提供高度隔離（通常為2-5kV）。

光開關(guān)有多種不同的類型和設(shè)計，可用于各種接口應(yīng)用。光開關(guān)最常見的用途是檢測移動或靜止物體。光電晶體管和光電耦合器配置提供了照片開關(guān)所需的大部分功能，因此是最常用的。

開槽光開關(guān)

DC電壓通常用于驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），其將輸入信號轉(zhuǎn)換為紅外光能。該光被隔離間隙另一側(cè)的光電晶體管反射和收集，并轉(zhuǎn)換回輸出信號。

對于普通的光開關(guān)，LED的正向壓降約為1.2至1.6正常輸入電流為5至20毫安時的電壓。這給出了一個介于180和470Ω之間的串聯(lián)電阻值。

開槽光電開關(guān)電路

旋轉(zhuǎn)和開槽光盤傳感器廣泛用于位置編碼器，軸編碼器甚至是電腦鼠標的旋轉(zhuǎn)輪，因此可以實現(xiàn)出色的輸入接口設(shè)備。旋轉(zhuǎn)盤具有從不透明輪切出的多個槽，其中均勻間隔的槽的數(shù)量表示每旋轉(zhuǎn)度的分辨率。典型的編碼光盤分辨率最高可達256個脈沖或每次旋轉(zhuǎn)8位。

在光盤旋轉(zhuǎn)一周期間，來自LED的紅外光通過插槽撞擊光電晶體管，然后被阻擋為光盤旋轉(zhuǎn)，將晶體管“接通”，然后在每次通過時“關(guān)閉”。電阻 R1 設(shè)置LED電流，上拉電阻 R2 確保電源電壓，當晶體管“關(guān)閉”時，Vcc連接到施密特反相器的輸入低，邏輯“0”輸出。

當磁盤旋轉(zhuǎn)到開路切斷時，來自LED的紅外光照射光電晶體管并使集電極 - 發(fā)射極端子短路接地，產(chǎn)生低電平輸入施密特反相器輸出高電平或邏輯“1”。如果逆變器輸出連接到數(shù)字計數(shù)器或編碼器，則可以確定軸位置或計算每單位時間的軸轉(zhuǎn)數(shù)，以使軸每分鐘旋轉(zhuǎn)（rpm）。

除了使用開槽光電器件作為輸入接口開關(guān)外，還有另一種稱為反射光學(xué)傳感器的光學(xué)器件，它使用LED和光電器件來檢測物體。反射光開關(guān)可以通過反射（因此其名稱）被感測的反射物體的LED紅外光來檢測物體的存在或不存在。反射光電傳感器的基本布置如下：

反射光開關(guān)

光電晶體管具有非常高的“OFF”電阻（暗）和低“ON”電阻（光），這些電阻由從LED照射到其基極的光量控制。如果傳感器前面沒有物體，那么LED紅外燈將作為單個光束向前發(fā)光。當物體靠近傳感器時，LED光被反射回來并被光電晶體管檢測到。光電晶體管檢測到的反射光量和晶體管飽和度取決于物體的接近程度或反射程度。

其他類型的光電器件

以及使用開槽或者用于電路輸入接口的反射式光開關(guān)，我們也可以使用其他類型的半導(dǎo)體光探測器，如光電阻光探測器，PN結(jié)光電二極管甚至太陽能電池。所有這些光敏設(shè)備都使用環(huán)境光（如陽光或普通室內(nèi)光）激活設(shè)備，使其可以輕松連接到任何類型的電子電路。

正常信號和功率二極管的PN結(jié)密封在內(nèi)一個塑料體，既安全又可以阻止光子撞擊它。當二極管反向偏置時，它會阻斷電流，就像高阻開路一樣。然而，如果我們要在這個PN結(jié)上發(fā)光，那么光子會打開結(jié)點，允許電流根據(jù)結(jié)點上的光強度流動。

光電二極管通過一個小透明窗口來利用這一點，允許光線照射到它們的PN結(jié)，使光電二極管具有極強的光敏性。根據(jù)半導(dǎo)體摻雜的類型和數(shù)量，一些光電二極管響應(yīng)可見光，一些光電二極管響應(yīng)紅外（IR）光。當沒有入射光時，反向電流幾乎可以忽略不計，稱為“暗電流”。光強度的增加會產(chǎn)生反向電流的增加。

然后我們可以看到光電二極管允許反向電流僅在一個方向上流動，這與標準整流二極管相反。該反向電流僅在光電二極管接收在黑暗條件下作為非常高的阻抗的特定量的光并且在強光條件下作為低阻抗裝置時流動，并且因此光電二極管可以在許多應(yīng)用中用作高速光檢測器。

接口光電二極管

在左側(cè)的兩個基本電路中，光電二極管通過電阻簡單地反向偏置，輸出電壓信號來自串聯(lián)電阻兩端。該電阻可以是固定值，通常在10kΩ至100kΩ范圍之間，或者作為可變100kΩ電位器，如圖所示。該電阻可以連接在光電二極管和0v接地之間，或者連接在光電二極管和正Vcc電源之間。

雖然光電二極管（如BPX48）可以對光線水平的變化做出非?？焖俚捻憫?yīng)，但它們可以更少與其他光電器件（如硫化鎘LDR電池）相比，它可能是敏感的，因此可能需要采用晶體管或運算放大器形式的某種形式的放大。然后我們已經(jīng)看到光電二極管可以用作由其結(jié)上的光量控制的可變電阻器件。光電二極管可以從“開”切換到“關(guān)”，有時可以在納秒內(nèi)或頻率高于1MHz時快速返回，因此通常用于光學(xué)編碼器和光纖通信。

以及PN在諸如光電二極管或光電晶體管之類的結(jié)照相裝置中，存在其他類型的半導(dǎo)體光檢測器，其在沒有PN結(jié)的情況下操作并且隨著光強度的變化或變化而改變它們的電阻特性。這些器件被稱為光依賴電阻器或LDR。

LDR，也稱為硫化鎘（CdS）光電池，是一種無源器件，其電阻隨之變化可見光強度。當沒有光存在時，它們的內(nèi)阻非常高，大約為兆歐（MΩ）。但是，在強光照射下，它們的電阻會降至1kΩ以下。然后，光敏電阻器以與電位器類似的方式工作，但光強控制其電阻值。

接口LDR光電阻器

光敏電阻器根據(jù)光強度改變其電阻值。然后，LDR可與串聯(lián)電阻 R 一起使用，以在整個電源上形成分壓網(wǎng)絡(luò)。在黑暗中，LDR的電阻遠大于電阻器的電阻，因此通過將LDR從電源連接到電阻器或電阻器連接到地，它可以用作光檢測器或暗檢測器，如圖所示。

當NORP12等LDR產(chǎn)生相對于其電阻值的可變電壓輸出時，它們可用于模擬輸入接口電路。但LDR也可以作為惠斯通電橋布置的一部分連接，作為運算放大器電壓比較器或施密特觸發(fā)器電路的輸入，以產(chǎn)生數(shù)字信號，用于連接數(shù)字和微控制器輸入電路。

簡單用于光水平，溫度或應(yīng)變的閾值檢測器可用于產(chǎn)生適合直接連接到邏輯電路或數(shù)字輸入端口的TTL兼容輸出。每當測量電平超過或低于閾值設(shè)置時，基于運算放大器比較器的光和溫度閾值檢測器就會產(chǎn)生邏輯“1”或邏輯“0”輸入。

輸入接口匯總

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正如我們在本教程中關(guān)于輸入和輸出設(shè)備的部分所見，有許多不同類型的傳感器可用于將一個或多個物理屬性轉(zhuǎn)換為電信號，然后可以使用和處理合適的電子，微控制器或數(shù)字電路。

問題是幾乎所有被測量的物理特性都不能直接連接到處理或放大電路。然后需要某種形式的輸入接口電路將各種不同的模擬輸入電壓和電流連接到微處理器數(shù)字電路。

現(xiàn)在有了現(xiàn)代PC，微控制器，PIC和其他這樣的基于微處理器的系統(tǒng)，輸入接口電路允許這些低電壓，低功耗器件輕松與外界通信，因為許多這些基于PC的器件都具有內(nèi)置的輸入 - 輸出端口，用于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

我們已經(jīng)看到傳感器是將一種類型的屬性轉(zhuǎn)換為電信號的電子組件，從而起到輸入設(shè)備的作用。將輸入傳感器添加到電子電路可以通過提供關(guān)于周圍環(huán)境的信息來擴展其能力。然而，傳感器不能自己操作，并且在大多數(shù)情況下需要稱為接口的電氣或電子電路。

然后輸入接口電路允許外部設(shè)備使用開關(guān)去抖技術(shù)從單個按鈕或鍵盤進行數(shù)據(jù)輸入，從簡單的開關(guān)交換信號（數(shù)據(jù)或代碼），輸入傳感器，可以檢測光，溫度等物理量使用模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，壓力和速度。然后接口電路允許我們這樣做。