【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起稱(chēng)共陽(yáng)極接法，陰極連在一起稱(chēng)為共陰極接法。一般共陰極可以不需要外接電阻，但共陽(yáng)極接法中發(fā)光二極管必須外接電阻。 (a)管腳配置 （b）共陰極 （c）共陽(yáng)極圖43 LED顯示器原理圖 LED工作原理LED數(shù)碼管顯示有所用數(shù)碼管是共陰管、還是共陽(yáng)管，由數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆劃信息借軟件譯碼、還是硬件譯碼，以及顯示掃描采用動(dòng)態(tài)掃描、還是靜態(tài)掃描等種種區(qū)別。LED數(shù)碼管工作電路如圖44。圖44 LED數(shù)碼管工作電路圖采用共陰極數(shù)碼管還是共陽(yáng)極數(shù)碼管沒(méi)有太明顯的優(yōu)、缺點(diǎn)，然而與同一數(shù)碼對(duì)應(yīng)的筆劃信息碼往往是相互置反的關(guān)系。字符數(shù)據(jù)字與LED段碼關(guān)系如表44。動(dòng)態(tài)掃描各數(shù)碼管是輪流點(diǎn)亮的，由于視覺(jué)的暫留現(xiàn)象，卻好像都點(diǎn)亮著。實(shí)際控制數(shù)碼管點(diǎn)亮的位選信號(hào)是依次逐一送出的，而各個(gè)數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃信息則與其位選信號(hào)同時(shí)送給，于是各管將按序一一亮出自己的數(shù)碼；待各管都輪到后，又再?gòu)念^輪起，反復(fù)不已。對(duì)于動(dòng)態(tài)掃描，輪到某管、等待該管點(diǎn)亮必須留給一段恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間。時(shí)間過(guò)短，數(shù)碼管來(lái)不及點(diǎn)亮；時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其他數(shù)碼管將熄滅、不能顯示。靜態(tài)掃描無(wú)位選信號(hào)，各數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的；每個(gè)數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時(shí)送給。當(dāng)選用共陰極的LED顯示管時(shí)，所有發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極加入高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的二極管點(diǎn)亮。因此要顯示某字形就應(yīng)使此字型的相應(yīng)段的二極管點(diǎn)亮，實(shí)際上就是送一個(gè)用不同電平組合代表的數(shù)據(jù)字來(lái)控制LED的顯示，此數(shù)據(jù)稱(chēng)為字符的段碼。表44 字符數(shù)據(jù)與LED段碼關(guān)系數(shù)據(jù)字D7D6D5D4D3D2D1D0LED段DP g f e d c b a LED與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由于單片機(jī)的接口有限，單片機(jī)的接口不能滿(mǎn)足顯示電路與單片機(jī)的接口電路，因此利用了8255擴(kuò)展芯片。8255是一種通用的可編程并行I／0接口芯片，是專(zhuān)為INTEL公司聽(tīng)微處理器設(shè)計(jì)的。它具有可用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)多種功能、通用性強(qiáng)、使用靈活的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用8255A可編程的特點(diǎn)，作為Pc機(jī)與顯示器的中間橋梁，擴(kuò)展PC機(jī)控制功能。8255作為PC機(jī)的擴(kuò)展口，工作方式為方式0，即基本輸入輸出方式。其中8255A的A口、B口作為輸入，C口作為控制口。8255總線緩沖器D0一D7，與CPU的數(shù)據(jù)總線DB0一DB7相連，8255A的、與CPU的、直接相連，復(fù)位信號(hào)直接接在CPU的復(fù)位信號(hào)上。，CPU的地址線A0、A1分別組合成4個(gè)端口地址，進(jìn)行對(duì)A、B、C進(jìn)行端口選擇。 鍵盤(pán)接口電路 撥盤(pán)的結(jié)構(gòu)BCD碼十進(jìn)制撥盤(pán)是向單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的設(shè)備，并且十分方便，是一種硬件設(shè)置數(shù)據(jù)的設(shè)備。使用撥盤(pán)輸入的數(shù)據(jù)具有不可變性，卻又易于修改。十進(jìn)制輸入BCD輸出的撥盤(pán)是最常使用的一種。撥盤(pán)的結(jié)構(gòu)如圖45中所示，每位撥盤(pán)有09十個(gè)撥動(dòng)位置，每個(gè)位置有相應(yīng)的數(shù)字表示，分別代表?yè)鼙P(pán)輸入的十進(jìn)制數(shù)。所以，一位撥盤(pán)可以代表一位十進(jìn)制數(shù)?？梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)的需要，用多位BCD碼撥盤(pán)組成多位十進(jìn)制數(shù)。，在工作時(shí)，，則選中第一個(gè)撥盤(pán)，其他撥盤(pán)均為為1，4個(gè)與非門(mén)電路74LS20的輸出狀態(tài)安全，由第一撥盤(pán)輸出決定。因此，，就把表示的4位十進(jìn)制值輸入單片機(jī)。 鍵盤(pán)電路與單片機(jī)的接口電路在本設(shè)計(jì)中，需要多位十進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入，因此需要多位BCD碼撥盤(pán)組成圖45為BCD碼撥盤(pán)與單片機(jī)的連接電路圖。圖45 鍵盤(pán)電路本設(shè)計(jì)利用BCD碼撥盤(pán)設(shè)置人工觀光魚(yú)養(yǎng)殖池的水溫，方便設(shè)定溫度，又能達(dá)到要求。鍵盤(pán)電路當(dāng)輸入數(shù)據(jù)以后，要經(jīng)過(guò)消除抖動(dòng)才能讀入單片機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理鍵盤(pán)中按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)，按鍵閉合過(guò)程中在相應(yīng)的I/O口形成一個(gè)負(fù)脈沖，閉合和釋放過(guò)程都要經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)定，這一過(guò)程處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱(chēng)為抖動(dòng)。消除抖動(dòng)的方法有兩種，一種是用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如用濾波電路和雙溫態(tài)電路等；另一種是利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)發(fā)現(xiàn)有按鍵按下時(shí)，延時(shí)1020ms再查詢(xún)是否有按鍵按下，若沒(méi)有鍵按下，說(shuō)明上次查詢(xún)結(jié)果為干擾或抖動(dòng)；若仍有鍵按下，則說(shuō)明鍵已穩(wěn)定，既可判斷其鍵碼，本設(shè)計(jì)是用軟件延時(shí)的方法進(jìn)行消除抖動(dòng)。 D/A轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換器：數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電模擬量。即把二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與其數(shù)值成正比的電模擬量。DAC0832是8位分辨率D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，與處理器完全兼容，其價(jià)格低廉，接口簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 DAC0832引腳說(shuō)明DAC0832的結(jié)構(gòu)如圖47中所示，下面說(shuō)明各引腳功能。DI0DI7:數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平ALE:數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。:片選信號(hào)輸入線，低電平有效。WR1:輸入寄存器的寫(xiě)選通信號(hào)。:數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。WR2:DAC寄存器寫(xiě)選通輸入線。：電流輸出線，當(dāng)輸入全為1時(shí)最大。：電流輸出線，其值與之和為一常數(shù)。：反饋信號(hào)輸入線，芯片內(nèi)有反饋電阻。Vcc:電源輸入線（+5V +15V）:基準(zhǔn)電壓輸入線D/A的接口電路如圖47所示，DAC0832為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，使用時(shí)，、3個(gè)引腳外接運(yùn)算放大器，以便將轉(zhuǎn)換后的電流變換成電壓輸出。若外接一個(gè)運(yùn)算放大器為單極性輸出，如圖47輸出；若使用了兩個(gè)運(yùn)算放大器為雙極性輸出，如圖47輸出。圖47 DAC0832接口電路圖中,模擬輸出電壓的極性總是與極性相反,為單極性輸出。 模擬輸出電壓可利用基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律列出方程:代入,求解得: . 當(dāng)FFH≥N＞80H時(shí), 模擬輸出電壓的極性和VREF相同。 當(dāng)80H＞N≥0時(shí),模擬輸出電壓的極性和VREF相反。 當(dāng)N＝80H時(shí),＝0V.為雙極性輸出?？筛鶕?jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要,將D/A轉(zhuǎn)換接口芯片接成單極性輸出或雙極性輸出。本設(shè)計(jì)是從單片機(jī)中取得計(jì)算結(jié)果經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)兩個(gè)反相器，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，把信號(hào)送到溫控電路中，通過(guò)大小的不同，以達(dá)到控制電阻加熱絲電路的通斷。 溫度控制電路設(shè)計(jì)溫控電路如圖46所示，當(dāng)輸入到電壓跟隨器A1的同相輸入端，用作緩沖隔離級(jí)，其輸出送反相放大器A2同相輸入端。R4，R5分壓節(jié)點(diǎn)位約為636mV接到A2的反相輸入端。的電位差經(jīng)A2放大后，輸出正電壓到比較器A3的反相輸入端，與A3同相輸入端的電壓進(jìn)行比較。當(dāng)溫度較低時(shí)，較小，的電位差較小，A3反相輸入端電位低于同相輸入端電位，A3輸出高電平，使V飽和導(dǎo)通，VS也導(dǎo)通，電熱器被加熱。隨著溫度的上升，逐漸增大，電位也逐漸增大，故A2輸出的正電壓也升高。當(dāng)A3反相輸入端電位高于同相輸入端電位時(shí)，A3翻轉(zhuǎn)輸出低電平，V截止，VS關(guān)斷，電熱器斷電停止加熱，水溫下降，減少，如此反復(fù)，使加熱的設(shè)備保持恒溫。調(diào)節(jié)RP使VS剛剛關(guān)斷為止，以后就不要調(diào)了，除非另外設(shè)置溫度。這部分通過(guò)控制雙向晶閘管的導(dǎo)通來(lái)控制加熱電阻絲的工作。圖46 溫控電路圖 抗干擾措施所謂抗干擾，就是針對(duì)干擾的產(chǎn)生、性質(zhì)年、傳播途徑、入侵的位置和入侵的形式，采用適當(dāng)消除干擾源抑制耦合通道，減弱電路對(duì)干擾的敏感性。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況抓住主要干擾，采取抑制措施。A) 交流電源干擾的抑制實(shí)踐表明，交流電源干擾往往是單片機(jī)微機(jī)應(yīng)用的嚴(yán)重問(wèn)題。使用不間斷電源不僅有穩(wěn)壓的作用，干擾較少，還能解除停電之憂。但造價(jià)高，體積大，是小型單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)難以接受的。而采用電源凈化技術(shù)，則切實(shí)可行。B) 輸入輸出通道干擾的抑制通常測(cè)控對(duì)象上的傳感器、執(zhí)行器遠(yuǎn)離控制臺(tái)，來(lái)往的輸入、輸出線長(zhǎng)，容易竄入干擾，必須采用隔離、濾波、屏蔽等技術(shù)，抑制干擾耦合通道。一般采用光電隔離。5 數(shù)字PID及其算法對(duì)人工觀光魚(yú)養(yǎng)殖池的水溫進(jìn)行控制，把給定值與溫度采集的值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差進(jìn)行控制，控制算法采用PID調(diào)節(jié)算法。PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對(duì)象的特性和控制要求，可靈活地改變PID的結(jié)構(gòu)，取其中的一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律，如比例（P）調(diào)節(jié)、比例積分（PI）調(diào)節(jié)、比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)等。 PID算法的數(shù)字化在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為 （51）式中 —調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；—調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差；—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；—調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；—調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差來(lái)計(jì)算控制量。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)式（51）進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程式代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)可用求和及增量式表示： （52） （53）將式（52）和式（53）代入（51），則可得到離散的PID表達(dá)式： （54）式中=—采樣周期，必須使足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度； —第次采樣時(shí)的偏差值； —第次采樣時(shí)的偏差值； —采樣序號(hào)，=0，1，2，…； —第次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。由式（54）可以看出，要想計(jì)算，不僅需要本次與上次的偏差信號(hào)和，而且還要在積分項(xiàng)中把歷次的偏差信號(hào)進(jìn)行相加，即。這樣，不僅計(jì)算煩瑣，而且為保存還要占用很多的內(nèi)存。因此，用式（54）直接進(jìn)行控制很不方便,可以做如下改動(dòng)。根據(jù)遞推原理，可寫(xiě)出次的PID輸出表達(dá)式： （55）用式（54）減去式（55），可得： （56）式中 — 積分系數(shù)； — 微分系數(shù)。由式（56）可知，要計(jì)算第次輸出值，只需知道，，即可，比用式（54）計(jì)算要簡(jiǎn)單得多。在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)是采用電阻絲進(jìn)行控制的，所以，只要給一個(gè)增量信號(hào)即可。因此，把式（54）和式（55）相減，得到： （57）式中，同式（56）。式（57）表示第次輸出的增量，它等于第次與第次調(diào)節(jié)器的輸出和差值，即在第次的基礎(chǔ)上增加（或減少）的量，所以式（57）叫做增量型PID控制算式。用微型機(jī)實(shí)現(xiàn)位置式和增量式控制算法的原理，如圖51所示。P(K)=式(56)Wd r(t) + e(t) P(K) m(t) 計(jì)算機(jī)(a) 位置式控制P(K)=式(56)Wd r(t) + e(t) P(K) m(t) 計(jì)算機(jī)（b）增量式控制圖51 兩種PID控制原理圖此外，除了上述兩種控制算法外，還有一種稱(chēng)為速度控制的PID算法，即 （58） PID算法的程序設(shè)計(jì)用匯編語(yǔ)言進(jìn)行PID程序設(shè)計(jì)有兩種運(yùn)算方法，一種用定點(diǎn)運(yùn)算，一種為浮點(diǎn)運(yùn)算。定點(diǎn)運(yùn)算速度比較快，但精度低一點(diǎn)；浮點(diǎn)運(yùn)算精度高，但運(yùn)算速度比較慢。一般情況下，當(dāng)速度變化比較慢時(shí)，可采用浮點(diǎn)運(yùn)算。如果系統(tǒng)要求速度比較快，則需采用定點(diǎn)運(yùn)算的方法。 位置型PID算法程序的設(shè)計(jì)由式（57）可寫(xiě)出第次采樣時(shí)PID的輸出表達(dá)式為 （59） （510）式（510）即為離散化的位置型PID編程公式，其流程如圖52。圖52 位置型PID運(yùn)算程序流程圖 增量型PID算法的程序設(shè)計(jì)由式（57）可知，增量型PID算式為設(shè) 所以，有 （511） 式（511）為離散化的增量型PID編程表達(dá)式。增量型PID運(yùn)算程序流程如圖53。圖53 增量型PID運(yùn)算程序流程圖6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件功能a）鍵盤(pán)設(shè)定溫度控制值，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的加熱或恒溫階段。b）從四處檢測(cè)水溫經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。c）進(jìn)行PID運(yùn)算，按照運(yùn)算結(jié)果，驅(qū)動(dòng)加熱器加熱，以調(diào)節(jié)溫度。d）發(fā)現(xiàn)溫度超限時(shí)，給出報(bào)警信號(hào)。 主程序 主程序主要進(jìn)行初始化，分配內(nèi)存單元及設(shè)置定時(shí)器參數(shù)，以便為系統(tǒng)正常工作創(chuàng)造條件。由于本系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)為12位（雙字節(jié)），加上一些給定值，如溫度上限報(bào)警值，所以?xún)?nèi)存單元比較多，故本系統(tǒng)將同時(shí)使用內(nèi)部RAM及外部RAM。主程序流程如圖41所示，本系統(tǒng)的采樣周期為5s，采用兩個(gè)定時(shí)器串聯(lián)的方法，即設(shè)T0為定時(shí)方式，設(shè)T1為計(jì)數(shù)方式。設(shè)T0為定時(shí)方式1，定時(shí)的時(shí)間間隔為100ms，時(shí)鐘頻率選6MHz。代入公式，可得出T0應(yīng)裝入的時(shí)間常數(shù)X=3CB0H，可分別裝入TH0和TL0。設(shè)T1為計(jì)數(shù)方式2，計(jì)數(shù)值為50（即32H）。圖61 溫度控制系統(tǒng)的主程序 主要子程序 A/D轉(zhuǎn)換子程序數(shù)據(jù)采集程序流程如圖62所示，～。根據(jù)ADC0809的STATUS端的狀態(tài)判斷轉(zhuǎn)換是否完成。待A/D轉(zhuǎn)換完成后，將芯片置位保持狀態(tài)（HOLD信號(hào)有效）。然后，分兩次讀入12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。從四處采集數(shù)據(jù)，在經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。A/D置位采樣置采樣STATUS=1?STATUS=0?A