【正文】 1Y4與2Y1~2Y4；即8255的A口輸出的是數碼管的段碼。8255B口的B0、B1經74LS244的1A1A2輸出至1Y1Y2；即8255B口的B0、B1輸出的是數碼管的位碼。由于8255沒有數據/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。 數碼顯示電路 8255和鎖存器 8255由于8051并口不能滿足系統設計需要，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。8255有三個8位的輸入/輸出端口，根據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的數據交換。 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，在具體結構上三者略有差別。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位緩沖驅動器，用于和單片機的數據總線（P0）口連接，以實現單片機和接口之間的數據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的數據交換，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/CS無效時，8255處于非選中狀態(tài)，數據總線D7～D0為高阻狀態(tài)，相當于掛接在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端口對應關系A0A1對應端口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/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/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)，可用來驅動負載或總線。當OE為高電平時，Q0~Q7呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數據D而變。當LE為低電平時，Q被鎖存在已建立的數據電平。引出端符號：D0～D7數據輸入端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 顯示及驅動器 LED數碼管 發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導體器件，其導電性質與普通二極管類似。LED數碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的一種新型顯示器件。在單片機系統中應用非常普遍。LED數碼顯示器是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個用于顯示小數點。LED數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。當陰極端輸入低電平時，發(fā)光二極管就導通點亮，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。當陽極端輸入高電平時，發(fā)光二極管就導通點亮，而輸入低電平時則不點亮。在本設計中所采用的是共陰極LED數碼顯示器，： 共陰極LED引腳排列圖 驅動器74LS2448255輸出不足以驅動數碼管，本設計系統選用74LS244作為驅動器，最大驅動電流在200mA左右。它的工作原理是：當1G（2G）接地時，1A11A4（2A12A4）信號經過增強輸出至1Y11Y4（2Y12Y4）。 74LS244引腳排列第七章 看門狗和輸出驅動電路 看門狗工控系統在運行時，通常都會遇到各種各樣的現場干擾，抗干擾能力是衡量工控系統性能的一個重要指標。看門狗(Watchdog)電路是自行監(jiān)測系統運行的重要保證，幾乎所有的工控系統都包含看門狗電路?？撮T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，但系統需要出讓一個定時器資源，這在許多系統中很難辦到，而且若系統軟件運行不正常，可能導致看門狗系統也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監(jiān)視器”，如計數型的看門狗電路通常由555多諧振蕩器、計數器以及一些電阻、電容等組成，分立元件組成的系統電路較為復雜，運行不夠可靠。本設計采用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，數據由此引腳逐位輸出；SI：串行輸入，數據或命令由此引腳逐位寫入X25045；SCK：串行時鐘輸入，其上升沿將數據或命令寫入，下降沿將數據輸出；WP：寫保護輸入。當它低電平時，寫操作被禁止；VSS：地；VCC：電源電壓；RESET：復位輸出。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設置寫使能鎖存器（允許寫操作）WRDI0000 0100復位寫使能鎖存器（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據讀出WRITE0000A8010把數據寫入開始于所選地址的存儲器 X25045看門狗電路設計。X25045芯片內包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預置的時間內若沒有總線活動，則X25045將從RESET輸出一個高電平信號，經過微分電路CR3輸出一個正脈沖，使CPU復位。，CPU的復位信號共有2個：上電復位(CR2)和Watchdog復位(CR3)，通過或門綜合后加到RESET端。CR3的時間常數不必太大，有數百微秒即可，因為這時CPU的振蕩器已經在工作。 X25045看門狗電路硬件連接圖看門狗定時器的預置時間是通過X25045的狀態(tài)寄存器的相應位來設定的。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，其余位和E2PROM的工作設置有關。D7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIPWD1＝0，WD0=0。WD1＝0，WD0=1。WD1＝1，WD0=0。WD1＝1，WD0=1，禁止看門狗工作。看門狗電路的定時時間長短可由具體應用程序的循環(huán)周期決定，通常比系統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置時間，系統就不會復位而正常工作。當系統跑飛，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置時間，迫使系統復位。 輸出驅動電路控制系統在許多場合都需要驅動大功率執(zhí)行部件。常用的驅動電路有：開關型功率接口電路、電壓調壓型功率接口電路、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。下面對本設計所選用的晶閘管驅動電路作一個詳細討論。晶閘管，也稱可控硅，它是目前應用范圍最廣泛的半導體功率開關元件。晶閘管隨著半導體工藝的發(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通這兩種穩(wěn)定狀態(tài)。這種特點是它的內部結構所確定的?？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，一個是導通條件，一個是關斷條件。導通條件是指晶閘管從阻斷到導通所需的條件，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；關斷條件是指晶閘管從導通到阻斷的條件。晶閘管一旦導通，門極對晶閘管就不起作用。關斷條件要求流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導通所需的最小電流，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)后是雙向導通的；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通。雙向晶閘管可以看作由兩個單向晶閘管反向并聯而成，本設計就是采用雙向晶閘管。和大功率場效應管一樣，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。 晶閘管控制電路原理圖這里，RM為壓敏電阻，與熔斷器FUSE構成浪涌保護電路，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脈沖?？刂浦袛嗝}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的導通時間。這樣控制精度高，加熱均勻。第八章 PID程序的設計本次設計的PID應能達到以下功能和要求： (1)能夠實現被控變量的實時顯示功能；(2)能夠實現輸入輸出處理，且具有抗積分飽和功能； (3)設計簡單易懂，可靠性好，不容易出現故障，易于維護等優(yōu)點； (4)能夠使藥液溫度恒定在20177。3℃。 數字PID控制算法控制算法是調節(jié)器的一個重要組成部分，整個調節(jié)器的功能主要由控制算法來實現。由于計算機技術的發(fā)展，數字PID控制器正在逐漸取代模擬PID控制器。數字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中，PID算法的表達式為： （）式中：P(t) 調節(jié)器的輸出信號； e(t) 調節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差； KP 調節(jié)器的比例系數；TI 調節(jié)器的積分時間；TD 調節(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，用數字形式的差分方程代替連續(xù)系統的微分方程，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，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，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的是執(zhí)行機構的實際位置，如果計算機出現故障，P(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產事故，因而產生了增量式PID控制算法。 增量式PID控制算法當執(zhí)行機構需要的是控制量的增量時，由（）式可導出提供增量的PID控制算法。根據遞推原理可得： （）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。當采用增量式控制算法時，計算機輸出的控制增量△P(k)對應的是本次執(zhí)行機構位置(如閥門開度)的增量。對應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，所以較容易通過加權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、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過了執(zhí)行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，這在生產過程中是絕對不允許的。積分分離控制基本思想是：當被控量與設定值偏差較大時，取消積分的作用，以免由于積分作用使系統穩(wěn)定性降低，超調量增大；當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。其具體實現步驟如下：a)根據實際情