【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)光二極管的陽極連在一起稱共陽極接法，陰極連在一起稱為共陰極接法。一般共陰極可以不需要外接電阻，但共陽極接法中發(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)碼管還是共陽極數(shù)碼管沒有太明顯的優(yōu)、缺點，然而與同一數(shù)碼對應(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。動態(tài)掃描各數(shù)碼管是輪流點亮的，由于視覺的暫留現(xiàn)象，卻好像都點亮著。實際控制數(shù)碼管點亮的位選信號是依次逐一送出的，而各個數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃信息則與其位選信號同時送給，于是各管將按序一一亮出自己的數(shù)碼；待各管都輪到后，又再從頭輪起，反復(fù)不已。對于動態(tài)掃描，輪到某管、等待該管點亮必須留給一段恰當?shù)臅r間。時間過短，數(shù)碼管來不及點亮；時間過長，其他數(shù)碼管將熄滅、不能顯示。靜態(tài)掃描無位選信號，各數(shù)碼管是同時點亮的；每個數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時送給。當選用共陰極的LED顯示管時，所有發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，當某個發(fā)光二極管的陽極加入高電平時，對應(yīng)的二極管點亮。因此要顯示某字形就應(yīng)使此字型的相應(yīng)段的二極管點亮，實際上就是送一個用不同電平組合代表的數(shù)據(jù)字來控制LED的顯示，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。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與單片機的接口設(shè)計本系統(tǒng)由于單片機的接口有限，單片機的接口不能滿足顯示電路與單片機的接口電路，因此利用了8255擴展芯片。8255是一種通用的可編程并行I／0接口芯片，是專為INTEL公司聽微處理器設(shè)計的。它具有可用程序來實現(xiàn)多種功能、通用性強、使用靈活的特點。本設(shè)計利用8255A可編程的特點，作為Pc機與顯示器的中間橋梁，擴展PC機控制功能。8255作為PC機的擴展口，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)位信號直接接在CPU的復(fù)位信號上。，CPU的地址線A0、A1分別組合成4個端口地址，進行對A、B、C進行端口選擇。 鍵盤接口電路 撥盤的結(jié)構(gòu)BCD碼十進制撥盤是向單片機應(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。使用撥盤輸入的數(shù)據(jù)具有不可變性，卻又易于修改。十進制輸入BCD輸出的撥盤是最常使用的一種。撥盤的結(jié)構(gòu)如圖45中所示，每位撥盤有09十個撥動位置，每個位置有相應(yīng)的數(shù)字表示，分別代表撥盤輸入的十進制數(shù)。所以，一位撥盤可以代表一位十進制數(shù)?？梢愿鶕?jù)設(shè)計的需要，用多位BCD碼撥盤組成多位十進制數(shù)。，在工作時，，則選中第一個撥盤，其他撥盤均為為1，4個與非門電路74LS20的輸出狀態(tài)安全，由第一撥盤輸出決定。因此，，就把表示的4位十進制值輸入單片機。 鍵盤電路與單片機的接口電路在本設(shè)計中，需要多位十進制數(shù)據(jù)輸入，因此需要多位BCD碼撥盤組成圖45為BCD碼撥盤與單片機的連接電路圖。圖45 鍵盤電路本設(shè)計利用BCD碼撥盤設(shè)置人工觀光魚養(yǎng)殖池的水溫，方便設(shè)定溫度，又能達到要求。鍵盤電路當輸入數(shù)據(jù)以后，要經(jīng)過消除抖動才能讀入單片機，進行數(shù)據(jù)處理鍵盤中按鍵的開關(guān)狀態(tài)，通過一定的電路轉(zhuǎn)換為高、低電平狀態(tài)，按鍵閉合過程中在相應(yīng)的I/O口形成一個負脈沖，閉合和釋放過程都要經(jīng)過一定的過程才能達到穩(wěn)定，這一過程處于高、低電平之間的一種不穩(wěn)定狀態(tài)，稱為抖動。消除抖動的方法有兩種，一種是用硬件電路來實現(xiàn)，如用濾波電路和雙溫態(tài)電路等；另一種是利用軟件來實現(xiàn)，即當發(fā)現(xiàn)有按鍵按下時，延時1020ms再查詢是否有按鍵按下，若沒有鍵按下，說明上次查詢結(jié)果為干擾或抖動；若仍有鍵按下，則說明鍵已穩(wěn)定，既可判斷其鍵碼，本設(shè)計是用軟件延時的方法進行消除抖動。 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，其價格低廉，接口簡單，轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 DAC0832引腳說明DAC0832的結(jié)構(gòu)如圖47中所示，下面說明各引腳功能。DI0DI7:數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平ALE:數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。:片選信號輸入線，低電平有效。WR1:輸入寄存器的寫選通信號。:數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。WR2:DAC寄存器寫選通輸入線。：電流輸出線，當輸入全為1時最大。：電流輸出線，其值與之和為一常數(shù)。：反饋信號輸入線，芯片內(nèi)有反饋電阻。Vcc:電源輸入線（+5V +15V）:基準電壓輸入線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，、3個引腳外接運算放大器，以便將轉(zhuǎn)換后的電流變換成電壓輸出。若外接一個運算放大器為單極性輸出，如圖47輸出；若使用了兩個運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)點電流定律列出方程:代入,求解得: . 當FFH≥N＞80H時, 模擬輸出電壓的極性和VREF相同。 當80H＞N≥0時,模擬輸出電壓的極性和VREF相反。 當N＝80H時,＝0V.為雙極性輸出?？筛鶕?jù)應(yīng)用場合的需要,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)計是從單片機中取得計算結(jié)果經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換成電流信號，再經(jīng)過兩個反相器，轉(zhuǎn)換成電壓信號，把信號送到溫控電路中，通過大小的不同，以達到控制電阻加熱絲電路的通斷。 溫度控制電路設(shè)計溫控電路如圖46所示，當輸入到電壓跟隨器A1的同相輸入端，用作緩沖隔離級，其輸出送反相放大器A2同相輸入端。R4，R5分壓節(jié)點位約為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行比較。當溫度較低時，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A3反相輸入端電位高于同相輸入端電位時，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。這部分通過控制雙向晶閘管的導(dǎo)通來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，采用適當消除干擾源抑制耦合通道，減弱電路對干擾的敏感性。應(yīng)根據(jù)實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踐表明，交流電源干擾往往是單片機微機應(yīng)用的嚴重問題。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。但造價高，體積大，是小型單片機應(yīng)用系統(tǒng)難以接受的。而采用電源凈化技術(shù)，則切實可行。B) 輸入輸出通道干擾的抑制通常測控對象上的傳感器、執(zhí)行器遠離控制臺，來往的輸入、輸出線長，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及其算法對人工觀光魚養(yǎng)殖池的水溫進行控制，把給定值與溫度采集的值進行比較，根據(jù)偏差進行控制，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)系進行運算，其運算結(jié)果用以輸出控制。在實際應(yīng)用中，根據(jù)被控對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算法的表達式為 （51）式中 —調(diào)節(jié)器的輸出信號；—調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差；—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；—調(diào)節(jié)器的積分時間；—調(diào)節(jié)器的微分時間。 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對式（51）進行離散化處理，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，此時積分項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； —第次采樣時的偏差值； —第次采樣時的偏差值； —采樣序號，=0，1，2，…； —第次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。由式（54）可以看出，要想計算，不僅需要本次與上次的偏差信號和，而且還要在積分項中把歷次的偏差信號進行相加，即。這樣，不僅計算煩瑣，而且為保存還要占用很多的內(nèi)存。因此，用式（54）直接進行控制很不方便,可以做如下改動。根據(jù)遞推原理，可寫出次的PID輸出表達式： （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，要計算第次輸出值，只需知道，，即可，比用式（54）計算要簡單得多。在很多控制系統(tǒng)中，由于執(zhí)行機構(gòu)是采用電阻絲進行控制的，所以，只要給一個增量信號即可。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。用微型機實現(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) 計算機(a) 位置式控制P(K)=式(56)Wd r(t) + e(t) P(K) m(t) 計算機（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，還有一種稱為速度控制的PID算法，即 （58） PID算法的程序設(shè)計用匯編語言進行PID程序設(shè)計有兩種運算方法，一種用定點運算，一種為浮點運算。定點運算速度比較快，但精度低一點；浮點運算精度高，但運算速度比較慢。一般情況下，當速度變化比較慢時，可采用浮點運算。如果系統(tǒng)要求速度比較快，則需采用定點運算的方法。 位置型PID算法程序的設(shè)計由式（57）可寫出第次采樣時PID的輸出表達式為 （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運算程序流程圖 增量型PID算法的程序設(shè)計由式（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編程表達式。增量型PID運算程序流程如圖53。圖53 增量型PID運算程序流程圖6 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件功能a）鍵盤設(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）從四處檢測水溫經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸入單片機進行處理。c）進行PID運算，按照運算結(jié)果，驅(qū)動加熱器加熱，以調(diào)節(jié)溫度。d）發(fā)現(xiàn)溫度超限時，給出報警信號。 主程序 主程序主要進行初始化，分配內(nèi)存單元及設(shè)置定時器參數(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，如溫度上限報警值，所以內(nèi)存單元比較多，故本系統(tǒng)將同時使用內(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，采用兩個定時器串聯(lián)的方法，即設(shè)T0為定時方式，設(shè)T1為計數(shù)方式。設(shè)T0為定時方式1，定時的時間間隔為100ms，時鐘頻率選6MHz。代入公式，可得出T0應(yīng)裝入的時間常數(shù)X=3CB0H，可分別裝入TH0和TL0。設(shè)T1為計數(shù)方式2，計數(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)換輸入到單片機中進行處理。A/D置位采樣置采樣STATUS=1?STATUS=0?A