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正文內(nèi)容

基于單片機控制的水溫自動控制的設(shè)計(編輯修改稿)

2025-02-14 14:48 本頁面
 

【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
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