【正文】 最后，考慮到輸出值的上下限問題，設(shè)定了輸出限幅，使計(jì)算的值在允許的范圍（）內(nèi)輸出。其次，為防止超調(diào)和過渡過程時(shí)間過長(zhǎng)，在求出偏差后用了積分分離。 顯示子程序流程圖 PID控制算法子程序本設(shè)計(jì)的算法程序采用的是PID增量式控制算法。如果在對(duì)應(yīng)位上顯示小數(shù)點(diǎn)，只要將對(duì)應(yīng)位的顯示代碼的最高位置1即可。16位寫入完成后，必須通過12腳（LOAD）的正跳變（即上升沿）將數(shù)據(jù)鎖入，從而使新數(shù)據(jù)（命令）有效。簡(jiǎn)要描述為：在時(shí)鐘的上升沿?cái)?shù)據(jù)位被鎖入片內(nèi)16位移位寄存器；16位數(shù)據(jù)的輸出順序必須是從高到低。在進(jìn)行程序前，必須清楚一點(diǎn)，那就是MAX7219寫入時(shí)是以16位數(shù)據(jù)包的形式，也就是說對(duì)MAX7219寫入時(shí)是以16位數(shù)作為一個(gè)整體進(jìn)行的，也即兩個(gè)字節(jié)，高字節(jié)為寄存器地址或顯示RAM地址，低字節(jié)為命令或數(shù)據(jù)。當(dāng)4位數(shù)字輸入完畢并按下確認(rèn)鍵后，這組數(shù)據(jù)將替換原來的相 應(yīng)的數(shù)據(jù)；如果所按下的是功能鍵， 鍵處理子程序流程圖則程序首先根據(jù)鍵值查轉(zhuǎn)移表，之后再調(diào)用相應(yīng)的功能子程序。按下PID、Alarm、給定值處于設(shè)定（修改）狀態(tài)。按下該鍵后，將退出設(shè)定狀態(tài)。任何參數(shù)修改后，只有按下確認(rèn)鍵后才能替換原來的數(shù)據(jù)，并退出設(shè)定狀態(tài)。默認(rèn)情況下為自動(dòng)自動(dòng)工作方式。用于設(shè)置給定值。Alarm：報(bào)警限值修改鍵。該鍵盤中含有10個(gè)數(shù)字鍵（0~9），用于輸入待修改參數(shù)的值；設(shè)定了6個(gè)功能鍵，分別為：PID：P，I，D修改鍵。在一次掃描后，如果有鍵按下，則將鍵值賦給寄存器；如果無鍵按下，則鍵值置為0。延時(shí)后再讀入列線看是否有低電平，如果列線數(shù)據(jù)還是有低電平，說明確實(shí)有鍵按下，接下來便是確定鍵值。鍵盤掃描方法是：~，~。 鍵盤子程序本設(shè)計(jì)中，鍵盤子程序包括鍵盤掃描子程序和鍵處理子程序。為了計(jì)算斜率k的需要，將式()改為： （已知Nm=1024）。 標(biāo)度變換流程圖 ()式中 A0——一次測(cè)量?jī)x表的下限；Am——一次測(cè)量?jī)x表的上限；Ax——實(shí)際測(cè)量值（工程量）；N0——儀表下限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nm——儀表上限所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；Nx——測(cè)量值所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。由于本設(shè)計(jì)的智能調(diào)節(jié)器輸入端輸入的是經(jīng)線性化后的信號(hào)，因此，輸入信號(hào)與被測(cè)物理量具有良好的線性關(guān)系，就可采用標(biāo)度變換算法。傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換為模擬量（電信號(hào)），再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到一個(gè)數(shù)字量。本設(shè)計(jì)采用的是算術(shù)平均值濾波法，方法是將8次連續(xù)采樣值相加求和，除以采樣次數(shù)8，所得結(jié)果作為該次采樣值，并作為最終采樣結(jié)果送標(biāo)度變換子程序。但在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，由于被控對(duì)象所處的環(huán)境比較惡劣，常存在干擾源，這樣就會(huì)使采樣值偏離真實(shí)值。一次A/D轉(zhuǎn)換只需88個(gè)狀態(tài)周期，也即22μs。再經(jīng)過4個(gè)狀態(tài)周期的采樣時(shí)間。在正式轉(zhuǎn)換之前，要等待8個(gè)狀態(tài)周期。 A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序的主要任務(wù)是啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)10位二進(jìn)制的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。因功能子程序可反復(fù)多次調(diào)用，所以也減小了編程的任務(wù)。實(shí)踐證明，采用模塊化的設(shè)計(jì)使編程任務(wù)變得簡(jiǎn)單，大大提高了編程效率。主程序的任務(wù)重要但也復(fù)雜，所以有效的處理方法就是采用功能模塊化編程，各模塊易于修改、組合方便、相互獨(dú)立。最后，主程序調(diào)用D/A轉(zhuǎn)換子程序。而后調(diào)用鍵盤掃描子程序及顯示子程序。主程序一開始就進(jìn)行初始化，初始化過程包括初始化看門狗、置各個(gè)寄存器初始值、系統(tǒng)各輸入輸出口初始化等。下面我們從單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)方面來詳述系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 總線收發(fā)器74LS245的應(yīng)用電路第四章 智能調(diào)節(jié)器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能儀器的智能化主要體現(xiàn)在軟件的設(shè)計(jì)上。 8D觸發(fā)器74LS273的應(yīng)用電路 總線收發(fā)器74LS245的應(yīng)用。Q4腳的輸出信號(hào)CON用于差分平衡型收發(fā)器芯片MAX485的接收器輸出使能端和驅(qū)動(dòng)器輸出使能端DE的選擇。 8D觸發(fā)器74LS273的應(yīng)用74LS273是帶有清除端的8D觸發(fā)器，只有在清除端保持高電平時(shí)，才具有鎖存功能，鎖存控制端為11腳CLK，采用上升沿鎖存。 看門狗芯片接線圖 從上圖（）可知，看門狗芯片MAX705的復(fù)位輸出腳與單片機(jī)80C196KB的復(fù)位輸入腳相連，以傳送復(fù)位信號(hào)。MAX705具有以下幾方面功能：(1) 系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，低電平有效；(2) 看門狗（Watchdog）電路輸出，則輸出一個(gè)低電平信號(hào)；(3) ，可用于電源故障或其它外電源的監(jiān)控；(4) 手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效[15]。 直流濾波穩(wěn)壓電路應(yīng)用一 直流濾波穩(wěn)壓電路應(yīng)用二 其它芯片的應(yīng)用 看門狗芯片MAX705的應(yīng)用本設(shè)計(jì)所使用的單片機(jī)80C196KB具有內(nèi)置看門狗功能，但由于其工作性能不穩(wěn)定，所以在設(shè)計(jì)中外置了一個(gè)看門狗芯片MAX705。其中，；177。因此，穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓、負(fù)載和溫度的變化而變化[14]。(4) 穩(wěn)壓電路：通過濾波電路后的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有177。由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電壓降低時(shí)，就能把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即C具有平波作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它能把能量存儲(chǔ)起來，而當(dāng)電流減小時(shí)又能把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感也具有平波作用。本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?。其中?1) 電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。 直流穩(wěn)壓電源的組成 ，它是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。 單片機(jī)與PC機(jī)串行通信原理圖 電源設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)需要的是電壓穩(wěn)定的直流電源供電。 通信接口電路由圖可知，通信接口芯片的接收器輸出端RO和驅(qū)動(dòng)器輸入端DI分別接單片機(jī)80C196KB的RXD和TXD腳；芯片的接收器輸出使能端和驅(qū)動(dòng)器輸出使能端DE均接至8D觸發(fā)器74LS273（IC9）的Q4腳，用于接收其輸出信號(hào)CON，當(dāng)CON輸出信號(hào)為高電平時(shí)，DE端有效，當(dāng)CON輸出信號(hào)為低電平時(shí)，端有效；芯片的A腳和B腳則用于與PC機(jī)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 MAX485在智能調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用MAX485作為TTLRS485電平轉(zhuǎn)換芯片，是微處理器與PC機(jī)之間的接口電路，MCS96系列微處理器雖然有串行輸入/輸出口，但不具有RTS、CTS、DTR等標(biāo)準(zhǔn)接口握手信號(hào)線，考慮到下位機(jī)與上位機(jī)的通信量一般并不大，所以在連接時(shí)采用了簡(jiǎn)單的“三線式”，即只通過TXD、RXD和地線GND進(jìn)行連接，同時(shí)對(duì)其它信號(hào)線做以下處理：(1) 7(RTS)、8(CTS)、1(CD)等三信號(hào)線短接；(2) 6(DSR)、4(DTR)等兩信號(hào)線短接。 MAX485芯片簡(jiǎn)介MAX485是MAXIM公司生產(chǎn)的一種差分平衡型收發(fā)器芯片，是用于TTL協(xié)議與485協(xié)議的轉(zhuǎn)換的小功率收發(fā)器，它含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器?；谥悄苷{(diào)節(jié)器在測(cè)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，在本設(shè)計(jì)中，采用符合RS485標(biāo)準(zhǔn)的MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485實(shí)現(xiàn)通信[12]。RS485是其中一種。但是單片機(jī)收發(fā)的都是TTL電平，驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾性有限，無法進(jìn)行“長(zhǎng)線”通信。發(fā)送寄存器和接收寄存器在物理上是分開的，但通過同一個(gè)串行口緩沖寄存器SBUF（07H）去訪問它們。CPU內(nèi)部的串行通訊接口是全雙工的，即能同時(shí)收發(fā)；串行口的接收采用了雙緩沖結(jié)構(gòu)，因此在第一個(gè)接收到的字節(jié)從接收寄存器中讀走之前，就可以開始接收第二個(gè)字節(jié)。由于電路采用電流并聯(lián)負(fù)反饋，因此具有較好的恒流特性[11]。Q1構(gòu)成導(dǎo)向放大級(jí)，Q2構(gòu)成電流輸出級(jí)。 平滑濾波電路 V/I轉(zhuǎn)換V/I轉(zhuǎn)換電路的作用是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，它不僅要求輸出電流與輸入電壓具有線性關(guān)系，而且要求輸出電流隨負(fù)載電阻變化所引起的變化量不超過允許值，即轉(zhuǎn)換器具有恒流性能。這樣就去掉疊加在信號(hào)上的高頻信號(hào)。于是就可以將輸入的交流信號(hào)短路。其中C電容的特點(diǎn)就是“隔直通交”，即把直流信號(hào)起開路作用，對(duì)交流信號(hào)起短路作用。RC是一個(gè)低通濾波器，能夠?qū)⑿盘?hào)的高頻分量濾掉，讓低頻信號(hào)通過。該電路的輸入即為單片機(jī)PWM端的輸出，其輸出將送往V/I轉(zhuǎn)換電路。PWM輸出的是占空比可變的方波信號(hào)，經(jīng)平滑濾波后輸出的是其直流成分，由于該直流成分與占空比成正比，從而完成D/A轉(zhuǎn)換功能[10]。當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為00H或由0FFH溢出時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出低電平，使RS觸發(fā)器置1，即PWM輸出高電平，此后保持該狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)D/A功能的關(guān)鍵是設(shè)置脈沖的重復(fù)周期和控制脈沖的占空比。PWM幾乎都是用來實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能的。前一種方法提供的是周期固定、占空比可變、分辨率為1/256（8位）的脈寬調(diào)制方波；后一種方法提供的是周期和占空比皆可變、分辨率為1/655 36（16位）的脈寬調(diào)制方波。 后向通道設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的后向通道包括D/A轉(zhuǎn)換及V/I轉(zhuǎn)換。MAX7219的三線（DIN、LOAD和CLK）輸入分別來自8D觸發(fā)器74LS273（IC9）的6和Q7端。 本設(shè)計(jì)的顯示應(yīng)用電路 MAX7219顯示應(yīng)用電路上圖（）是MAX7219在本設(shè)計(jì)中的顯示應(yīng)用電路。MAX7219和單片計(jì)算機(jī)連接有三條引線（DIN、CLK、LOAD），采用16位數(shù)據(jù)串行移位接收方式。允許使用者選擇每位是BCD譯碼或不譯碼。外部只需要一個(gè)電阻設(shè)置所有LED顯示器字段電流。MAX7219是微處理器和共陰極七段—八位LED顯示、圖條/柱圖顯示或64點(diǎn)陣顯示接口的小型串行輸入/輸出芯片。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，如驅(qū)動(dòng)8個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要88＝64根I/O端口來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)80C196KB單片機(jī)可用的I/O端口才40個(gè)呢，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。② 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。 共陽數(shù)碼管內(nèi)部連接圖(2) 數(shù)碼管的顯示方式數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。 共陰數(shù)碼管內(nèi)部連接圖本設(shè)計(jì)所采用的LED數(shù)碼管顯示器就屬于共陰極接法。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。(1) 數(shù)碼管的分類數(shù)碼管按各發(fā)光二極管電極的連接方式分為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種。 LED數(shù)碼管顯示器智能儀器中使用最多的顯示器件是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，簡(jiǎn)稱LED數(shù)碼顯示器。鍵盤采用編程掃描方式工作。由圖可知，本設(shè)計(jì)采用了44矩陣式鍵盤。因此實(shí)際使用時(shí)應(yīng)仔細(xì)權(quán)衡利弊，選擇是否采用多功能復(fù)合鍵的方式[8]。但實(shí)際操作中很難做到真正的同時(shí)按下，因此解決方法就是：定義一個(gè)或兩個(gè)引導(dǎo)鍵，只有引導(dǎo)鍵按下時(shí)不執(zhí)行任何操作，當(dāng)有其它鍵也按下時(shí)才有意義，因此這時(shí)只要先按下引導(dǎo)鍵，然后按下其它功能鍵即可。除了上述硬件實(shí)現(xiàn)一鍵多功能的方法外，還可以用軟件實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的功能。(3) 雙功能及多功能鍵設(shè)計(jì)在有些應(yīng)用系統(tǒng)中，可能為了簡(jiǎn)化硬件線路，縮小整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模，希望設(shè)置最少的按鍵，獲得最多的控制功能，這樣就對(duì)按鍵的利用提出了更高要求。對(duì)重鍵的處理，可以采取將不能同時(shí)執(zhí)行的按鍵放在不同列上，使它們不可能同時(shí)被檢測(cè)到，而不可能引起功能沖突的鍵盡量安排在同一列上。(2) 重鍵和連擊處理鍵盤處理中需要處理兩個(gè)特殊問題：重鍵和連擊。硬件消抖除了成本增加外，當(dāng)按鍵較多時(shí)實(shí)現(xiàn)非常困難，因此最好采用軟件方法消除抖動(dòng)。按鍵的穩(wěn)定閉合的長(zhǎng)短由操作人員決定。(3) 中斷掃描方式 鍵盤工作在編程掃描方式時(shí)，MCU要不間斷地對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，其間MCU不能進(jìn)行其它任何工作，若MCU工作量較大，該方式不適應(yīng)；定時(shí)掃描方式前進(jìn)了一大步，只是定時(shí)的監(jiān)視一下鍵盤輸入情況，其它時(shí)間MCU可以做其它事情；若想進(jìn)一步提高M(jìn)CU利用率，可以用中斷掃描方式，即只有在有鍵按下時(shí)才理睬鍵盤，否則不理。(2) 定時(shí)掃描方式 定時(shí)掃描工作方式是利用MCU內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷（例如：10ms），CPU響應(yīng)中斷時(shí)對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵并執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能程序。(1) 編程掃描方式 本方式中MCU對(duì)鍵盤的掃描采取程序控制方式，一旦進(jìn)入鍵掃描狀態(tài)，則反復(fù)地掃描鍵盤，等待用戶從按鍵上輸入命令或數(shù)據(jù)。鍵盤工作方式的選取原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又要不過多占用MCU的工作時(shí)間。綜合一、二步的結(jié)果，可確定按鍵所在行和列，從而識(shí)別出所按的鍵[7]。第一步：將行線編程為輸入線，列線編程為輸出線，并使輸出線輸出為全零電平，則行線中電平由高到低所在行為按鍵所在行。(2) 線反轉(zhuǎn)法：掃描法要逐列掃描查詢，當(dāng)被按下的鍵處于最后一列時(shí)，則要經(jīng)過多次掃描才能最后獲得此按鍵所處的行列值。識(shí)別鍵盤有無鍵被按下的方法是讓所有列線均置為0電平，檢查各行線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，說明無鍵被按下（實(shí)際編寫程序時(shí)應(yīng)考慮按鍵抖動(dòng)的影響，通常采用軟件延時(shí)的方法消除抖動(dòng)）。這是識(shí)別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵。平時(shí)無按鍵動(dòng)作時(shí)，行線處于高點(diǎn)平狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。 矩陣式鍵盤的工作原理按鍵設(shè)置在行列線交叉點(diǎn)上，行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。 人機(jī)交互接口設(shè)計(jì) 鍵盤電路