【正文】 4與2Y1~2Y4；即8255的A口輸出的是數(shù)碼管的段碼。8255B口的B0、B1經(jīng)74LS244的1A1A2輸出至1Y1Y2；即8255B口的B0、B1輸出的是數(shù)碼管的位碼。由于8255沒有數(shù)據(jù)/地址鎖存器，因此地址線A0、A1不能直接與單片機P0口相連，必須接在地址鎖存器74LS373后。 數(shù)碼顯示電路 8255和鎖存器 8255由于8051并口不能滿足系統(tǒng)設(shè)計需要，需外擴展一個并行口，考慮后選用可編程并行接口芯片8255實現(xiàn)。8255有三個8位的輸入/輸出端口，根據(jù)不同的初始化編程可用于無條件傳送、查詢式傳送、中斷式傳送，以完成單片機與外設(shè)的數(shù)據(jù)交換。 8255引腳排列、B、C每個端口都是8位的，可以編程選擇為輸入或輸出端口，端口C也可以編程分為兩個4位的端口來用，在具體結(jié)構(gòu)上三者略有差別。A口：輸入、輸出均有鎖存器。B口和C口：只是輸出有鎖存器，輸入無鎖存器，但有輸入緩沖器。這是雙向三態(tài)的8位緩沖驅(qū)動器，用于和單片機的數(shù)據(jù)總線（P0）口連接，以實現(xiàn)單片機和接口之間的數(shù)據(jù)傳送和控制信息的傳送。分為A組和B組，A組控制端口A和端口C的高4位；B組控制端口B和端口C的低4位?？刂齐娐返墓ぷ魇芤粋€控制寄存器的控制，控制寄存器中放著決定端口方式的信息即工作方式字。這部分電路控制端口和CPU的數(shù)據(jù)交換，對外共有六種控制信號：片選信號、端口選擇信號A0、A讀信號和寫信號。/CS 片選信號，輸入，低電平有效。當(dāng)/CS無效時，8255處于非選中狀態(tài)，數(shù)據(jù)總線D7～D0為高阻狀態(tài)，相當(dāng)于掛接在CPU總線上的8255處于斷開狀態(tài)。A0、A1地址狀態(tài)編碼與四個I/. A0、A1與I/O端口對應(yīng)關(guān)系A(chǔ)0A1對應(yīng)端口00A口01B口10C口11控制/狀態(tài)寄存器/RW 寫選通信號，輸入，低電平有效。當(dāng)/CS、/RW同時有效時，可對8255的控制寄存器或輸出口鎖存器之一進行寫操作（由地址線A0、A1編碼決定）。/RD 讀選通信號，輸入，低電平有效。當(dāng)/CS、/RD同時有效時，可對8255的狀態(tài)寄存器或輸出口鎖存器之一進行讀操作（由地址線A0、A1編碼決定）。 74LS37374LS373的輸出端Q0~Q7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時，Q0~Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當(dāng)OE為高電平時，Q0~Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時，Q被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。引出端符號：D0～D7數(shù)據(jù)輸入端OE三態(tài)允許控制端（低電平有效）LE鎖存允許端Q0~Q7輸出端圖6.3 74LS373引腳圖 顯示及驅(qū)動器 LED數(shù)碼管 發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)電性質(zhì)與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的一種新型顯示器件。在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。LED數(shù)碼顯示器是1種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點。LED數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：（1）共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起構(gòu)成公共陽極，使用時公共陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陰極端輸入低電平時，發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入高電平時則不點亮。（2）共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成公共陰極，使用時公共陰極接地。每個發(fā)光二極管的陽極通過電阻與輸入端相連。當(dāng)陽極端輸入高電平時，發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而輸入低電平時則不點亮。在本設(shè)計中所采用的是共陰極LED數(shù)碼顯示器，： 共陰極LED引腳排列圖 驅(qū)動器74LS2448255輸出不足以驅(qū)動數(shù)碼管，本設(shè)計系統(tǒng)選用74LS244作為驅(qū)動器，最大驅(qū)動電流在200mA左右。它的工作原理是：當(dāng)1G（2G）接地時，1A11A4（2A12A4）信號經(jīng)過增強輸出至1Y11Y4（2Y12Y4）。 74LS244引腳排列第七章 看門狗和輸出驅(qū)動電路 看門狗工控系統(tǒng)在運行時，通常都會遇到各種各樣的現(xiàn)場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性能的一個重要指標(biāo)?？撮T狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統(tǒng)運行的重要保證，幾乎所有的工控系統(tǒng)都包含看門狗電路。看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運行不正常，可能導(dǎo)致看門狗系統(tǒng)也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數(shù)型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數(shù)器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統(tǒng)電路較為復(fù)雜，運行不夠可靠。本設(shè)計采用X25045芯片。 X25045[7]。 X25045引腳圖其引腳功能如下：CS：片選擇輸入；SO：串行輸出，數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入X25045；SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入，下降沿將數(shù)據(jù)輸出；WP：寫保護輸入。當(dāng)它低電平時，寫操作被禁止；VSS：地；VCC：電源電壓；RESET：復(fù)位輸出。X25045在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令。 X25045指令及其含意指令名：指令格式：操作：WREN0000 0110設(shè)置寫使能鎖存器（允許寫操作）WRDI0000 0100復(fù)位寫使能鎖存器（禁止寫操作）RDSR0000 0101讀狀態(tài)寄存器WRSR0000 0001寫狀態(tài)寄存器READ0000A8011把開始于所選地址的存儲器中的數(shù)據(jù)讀出WRITE0000A8010把數(shù)據(jù)寫入開始于所選地址的存儲器 X25045看門狗電路設(shè)計。X25045芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預(yù)置的時間內(nèi)若沒有總線活動，則X25045將從RESET輸出一個高電平信號，經(jīng)過微分電路CR3輸出一個正脈沖，使CPU復(fù)位。，CPU的復(fù)位信號共有2個：上電復(fù)位(CR2)和Watchdog復(fù)位(CR3)，通過或門綜合后加到RESET端。CR3的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因為這時CPU的振蕩器已經(jīng)在工作。 X25045看門狗電路硬件連接圖看門狗定時器的預(yù)置時間是通過X25045的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的。如下表所示（X25045狀態(tài)寄存器），X25045狀態(tài)寄存器共有6位有含義，其中WDWD0和看門狗電路有關(guān)，其余位和E2PROM的工作設(shè)置有關(guān)。D7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIPWD1＝0，WD0=0。WD1＝0，WD0=1。WD1＝1，WD0=0。WD1＝1，WD0=1，禁止看門狗工作?？撮T狗電路的定時時間長短可由具體應(yīng)用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統(tǒng)正常工作時最大循環(huán)周期的時間略長即可。編程時，可在軟件的合適地方加一條喂狗指令，使看門狗的定時時間永遠達不到預(yù)置時間，系統(tǒng)就不會復(fù)位而正常工作。當(dāng)系統(tǒng)跑飛，用軟件陷阱等別的方法無法捕捉回程序時，則看門狗定時時間很快增長到預(yù)置時間，迫使系統(tǒng)復(fù)位。 輸出驅(qū)動電路控制系統(tǒng)在許多場合都需要驅(qū)動大功率執(zhí)行部件。常用的驅(qū)動電路有：開關(guān)型功率接口電路、電壓調(diào)壓型功率接口電路、交流電機變頻功率接口電路、伺服電機控制功率接口電路、步進電機功率接口電路等。下面對本設(shè)計所選用的晶閘管驅(qū)動電路作一個詳細討論。晶閘管，也稱可控硅，它是目前應(yīng)用范圍最廣泛的半導(dǎo)體功率開關(guān)元件。晶閘管隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展與進步，目前主要有單向晶閘管SCR，雙向晶閘管TRIAC。(1)單向晶閘管SCR它是應(yīng)用最廣泛的功率控制器件。單向晶閘管的最大特點是有截止和導(dǎo)通這兩種穩(wěn)定狀態(tài)。這種特點是它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所確定的?？梢园褑蜗蚓чl管理解成一個由一個PNP晶體管和NPN晶體管結(jié)合而成。單向晶閘管的工作原理可以用兩個條件加以說明，一個是導(dǎo)通條件，一個是關(guān)斷條件。導(dǎo)通條件是指晶閘管從阻斷到導(dǎo)通所需的條件，這個條件是晶閘管的陽極加上正向電壓，同時在門極加上正向電壓；關(guān)斷條件是指晶閘管從導(dǎo)通到阻斷的條件。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極對晶閘管就不起作用。關(guān)斷條件要求流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流，即維持電流。(2)雙向晶閘管TRIAC雙向晶閘管和單向晶閘管的區(qū)別是：第一，它在觸發(fā)后是雙向?qū)ǖ?；第二，在門極中所加的觸發(fā)信號不管是正還是負都可以使雙向的晶閘管導(dǎo)通。雙向晶閘管可以看作由兩個單向晶閘管反向并聯(lián)而成，本設(shè)計就是采用雙向晶閘管。和大功率場效應(yīng)管一樣，雙向晶閘管在微型計算機接口連接時需加光電隔離器， 觸發(fā)脈沖電壓大于4V；脈沖寬度大于20μs。在單片機控制系統(tǒng)中，常用單片機的某一根接口線和外接I/O接口的某一位產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。為了提高效率，要求觸發(fā)脈沖與交流電壓同步，通常采用檢測過零來實現(xiàn)。 晶閘管控制電路原理圖這里，RM為壓敏電阻，與熔斷器FUSE構(gòu)成浪涌保護電路，C5和R18組成濾波電路。為了提高加熱效率，要求每隔半個交流電的周期輸出一個觸發(fā)脈沖。為此把交流電經(jīng)全波整流后通過三極管變?yōu)檫^零脈沖，在反向后得到加到8051中斷控制端作為同步基準(zhǔn)脈沖。控制中斷脈沖發(fā)出后的通電時間來控制加熱速度。簡單來說就是控制每半個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間。這樣控制精度高，加熱均勻。第八章 PID程序的設(shè)計本次設(shè)計的PID應(yīng)能達到以下功能和要求： (1)能夠?qū)崿F(xiàn)被控變量的實時顯示功能；(2)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出處理，且具有抗積分飽和功能； (3)設(shè)計簡單易懂，可靠性好，不容易出現(xiàn)故障，易于維護等優(yōu)點； (4)能夠使藥液溫度恒定在20177。3℃。 數(shù)字PID控制算法控制算法是調(diào)節(jié)器的一個重要組成部分，整個調(diào)節(jié)器的功能主要由控制算法來實現(xiàn)。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID控制器正在逐漸取代模擬PID控制器。數(shù)字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法、增量式PID控制算法。 位置式PID控制算法在模擬控制系統(tǒng)中，PID算法的表達式為： （）式中：P(t) 調(diào)節(jié)器的輸出信號； e(t) 調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差； KP 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI 調(diào)節(jié)器的積分時間；TD 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)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此必須對（）式進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示： （） （）可得到離散的PID表達式： （）式中：△t=T 采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；E(k) 第k次采樣時的偏差值；E(k1) 第k1次采樣時的偏差值；k 采樣序號，k=0，1，2，….；P(k) 第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。由于（）式的輸出值與閥門開度的位置一一對應(yīng)，因此通常把上式稱為位置型PID控制算式。這種算法的缺點是：由于全量輸出，所以每次輸出都與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，計算機運算的工作量大。因為計算機的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，P(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。 增量式PID控制算法當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量時，由（）式可導(dǎo)出提供增量的PID控制算法。根據(jù)遞推原理可得： （）用式（）減去（），可得 （）式()稱為增量式PID控制算法?？梢钥闯?，由于一般計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了KP，KI，KD只要使用前后三次測量值的偏差，即可由() 式求出控制增量。當(dāng)采用增量式控制算法時，計算機輸出的控制增量△P(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置(如閥門開度)的增量。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式P(k)=P(k1)十△P(k)通過軟件來完成。增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進，但卻帶來了不少的優(yōu)點：（1）由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。（2）算式中不需要累加，控制增量△P(k)的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。但增量式控制也有其不足之處[8]：積分截斷效應(yīng)大；溢出的影響大。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可以采用位置式控制算法。而在以步進電機或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量式控制算法。 積分分離PID控制算法在普通PID控制中，引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差。但在過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過了執(zhí)行機構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過程中是絕對不允許的。積分分離控制基本思想是：當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。其具體實現(xiàn)步驟如下：a)根據(jù)實際情況，