單元五機電一體化控制與接口技術(shù)說課材料

機電(jīdiàn)一體化技術(shù)Mechatronics

第一頁，共89頁。單元(dānyuán)五機電一體化控制及接口技術(shù)5.1控制技術(shù)概述(ɡàishù)5.2可編程控制器技術(shù)5.3人機接口技術(shù)5.4機電接口技術(shù)第二頁，共89頁。學習目標1.掌握機電一體化系統(tǒng)控制形式(xíngshì)。2.掌握常用機電系統(tǒng)控制器PLC工作原理。3.熟悉常用輸入輸出接口電路。4.熟悉A/D轉(zhuǎn)換器等機電接口電路。第三頁，共89頁。工業(yè)爐的計算機控制 工業(yè)爐計算機控制的典型情況，其燃料為燃料油或者煤氣，為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常(zhèngcháng)燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。案例(ànlì)第四頁，共89頁。高炮的控制(kòngzhì)俯仰角方位角第五頁，共89頁。機械手第六頁，共89頁。7無人駕駛飛機:按照預定(yùdìng)航線飛行第七頁，共89頁。8電熱水器:將水加熱(jiārè)到設(shè)定溫度第八頁，共89頁。9全自動洗衣機:按設(shè)定(shèdìnɡ)程序洗衣服第九頁，共89頁。自動控制(zìdònɡkònɡzhì)的作用與重要性把人從繁重的危險的工作中解放出來礦井掘井、核電站檢查消防、救火(jiùhuǒ)、無人偵察機、導彈（無人）完成人無法(wúfǎ)完成的工作管道機器人、水下6000米機器人比人干得更快、更好，極大地提高生產(chǎn)力從自動化生產(chǎn)線上生產(chǎn)的產(chǎn)品，質(zhì)量越來越好，價格越來越低。第十頁，共89頁。管理、經(jīng)濟、金融過程智能化樓宇管理自動化：電、氣、水、消防報警全自動管理，辦公自動化，交通(jiāotōng)自動化，自助銀行等。自動化在經(jīng)濟生活中應用越來越廣泛(guǎngfàn)，幾乎無處不在。自動化技術(shù)(jìshù)是高科技的集中體現(xiàn)與應用。注：在工業(yè)過程（或經(jīng)濟生活）中采用自動控制代替人工控制，稱之為自動化。第十一頁，共89頁。第1節(jié)概述機電一體化系統(tǒng)的控制形式控制系統(tǒng)的基本(jīběn)要求和設(shè)計方法計算機控制系統(tǒng)的組成及常用類型第十二頁，共89頁。機電一體化控制是在以微型(wēixíng)計算機為代表的微電子技術(shù)、信息技術(shù)迅速發(fā)展向機械工業(yè)領(lǐng)域迅猛滲透并與機械電子技術(shù)深度結(jié)合的現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)上，綜合應用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù)。機電一體化控制是一門理論性很強的工程技術(shù)，通常稱為“自動控制技術(shù)”，把實現(xiàn)這種技術(shù)的理論稱為“自動控制理論”。而由各種部件組成以實現(xiàn)具體生產(chǎn)對象的自動控制的系統(tǒng)，則稱為“自動控制系統(tǒng)”。自動控制所使用的技術(shù)可以是電氣、液壓、氣動、機電以及電液等諸多方法，而采用計算機實現(xiàn)自動控制是機電一體化控制技術(shù)中最為常見的手段。概述(ɡàishù)第十三頁，共89頁。一、機電一體化系統(tǒng)(xìtǒng)的控制形式自動控制是指在無人直接參與的情況下，利用控制裝置，使被控對象的被控量準確地按照預期(yùqī)的規(guī)律變化。自動控制理論是研究自動控制過程共同規(guī)律的技術(shù)學科(xuékē)，是研究自動控制系統(tǒng)組成，進行系統(tǒng)分析設(shè)計的一般性理論。根據(jù)它的不同發(fā)展階段與內(nèi)容，可將其分為經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論及智能控制理論三個階段。第十四頁，共89頁。典型控制系統(tǒng)的方塊圖控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象輸入信號給定值偏差-測量裝置輸出量干擾控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的基本組成

第十五頁，共89頁。一、機電一體化系統(tǒng)(xìtǒng)的控制形式按照輸出量對控制作用的影響不同，機電一體化系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)是沒有反饋的控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入直接送給控制器，并通過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。輸出信號只取決與輸入信號，與輸出無關(guān)。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)(jiégòu)簡單、成本低、維修方便。缺點：精度較低，對輸出和干擾沒有診斷能力。第十六頁，共89頁。一、機電一體化系統(tǒng)的控制(kòngzhì)形式2.閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制的機電一體化系統(tǒng)的輸出結(jié)果經(jīng)傳感器和反饋環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的輸入信號比較產(chǎn)生輸出偏差，輸出偏差經(jīng)控制器處理再作用到受控對象，對輸出進行補償，實現(xiàn)更高精度的系統(tǒng)輸出。輸出信號受到輸入信號和輸出信號自身（反饋信號）的作用。信號流線形成閉合回路。又稱反饋控制。輸出信號受偏差量控制。優(yōu)點：高精度、動態(tài)性能好、抗干擾能力強。缺點：結(jié)構(gòu)復雜，成本(chéngběn)高，維修難度較大。第十七頁，共89頁。冷卻器繼電器壓縮機控制器蒸發(fā)器冰箱例題(lìtí)家用電冰箱溫控系統(tǒng)試寫出系統(tǒng)的被控(bèikònɡ)對象、被控(bèikònɡ)量、輸入量和擾動量，工作原理，畫出系統(tǒng)方框圖。第十八頁，共89頁。被控(bèikònɡ)對象：冰箱(bīngxiāng)被控(bèikònɡ)量：輸入量：控制器設(shè)定值（代表溫度的期望值）擾動量：開門時的外界溫度冰箱內(nèi)溫度工作原理:控制器設(shè)定溫度與冰箱內(nèi)溫度比較，如果設(shè)定溫度高于冰箱內(nèi)溫度，則繼電器接通，壓縮機工作，使冰箱溫度下降，直到冰箱內(nèi)溫度達到希望溫度，此時繼電器斷開，壓縮機停止工作。解：第十九頁，共89頁。家用(jiāyòng)電冰箱溫控系統(tǒng)方框圖如下：第二十頁，共89頁?；疽鬁蚀_性快速性穩(wěn)定性二、控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的基本要求和設(shè)計方法第二十一頁，共89頁。穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件，這是對控制系統(tǒng)的一個基本要求。系統(tǒng)的穩(wěn)定性有兩層含義:一是系統(tǒng)穩(wěn)定，叫做絕對(juéduì)穩(wěn)定性，通常所講的穩(wěn)定性就是這個含義;另一方面的含義是輸出量振蕩的強烈程度，稱為相對穩(wěn)定性。線性控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)。本身的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的，與外部條件無關(guān)。二、控制系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(shèjì)方法返回第二十二頁，共89頁?？焖傩允窍到y(tǒng)在穩(wěn)定的條件下，衡量系統(tǒng)過渡過程的形式和快慢，通常(tōngcháng)稱為“系統(tǒng)動態(tài)性能”。在實際的控制系統(tǒng)中，不僅要求系統(tǒng)穩(wěn)定，而且要求被控量能迅速地按照輸入信號所規(guī)定的形式變化，即要求系統(tǒng)具有一定的響應速度。二、控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的基本要求和設(shè)計方法返回第二十三頁，共89頁。準確性是在系統(tǒng)過渡過程結(jié)束后，衡量系統(tǒng)輸出(被控量)達到的穩(wěn)態(tài)值與系統(tǒng)輸出期望值之間的接近(jiējìn)程度。除了要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、響應速度快以外，還要求控制系統(tǒng)的控制精度高?！胺€(wěn)”與“快”是說明系統(tǒng)動態(tài)(過渡過程)品質(zhì)。系統(tǒng)的過渡過程產(chǎn)生的原因是系統(tǒng)中儲能元件的能量不可能突變?！皽省笔钦f明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))品質(zhì)

二、控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的基本要求和設(shè)計方法返回第二十四頁，共89頁。設(shè)計步驟二、控制系統(tǒng)的基本(jīběn)要求和設(shè)計方法第二十五頁，共89頁。準備階段。對設(shè)計對象進行機理分析和理論分析，明確被控對象的特點及要求;限定控制系統(tǒng)的工作條件及環(huán)境，確定(quèdìng)安全保護措施及等級;明確控制方案的特殊要求;確定(quèdìng)技術(shù)經(jīng)濟指標;制定試驗項目及指標。二、控制系統(tǒng)的基本要求(yāoqiú)和設(shè)計方法返回第二十六頁，共89頁。理論設(shè)計建立被控對象的數(shù)學模型，把被控對象的控制特性(tèxìng)用數(shù)學表達式加以描述，作為控制方案選擇及控制器設(shè)計的依據(jù);確定控制算法及控制器結(jié)構(gòu)，選擇中央處理單元、存儲器等，主要硬、軟件設(shè)計以及各種接口的選擇和設(shè)計;確定系統(tǒng)的初步結(jié)構(gòu)及參數(shù)，進行系統(tǒng)性能分析、優(yōu)化二、控制系統(tǒng)的基本要求和設(shè)計(shèjì)方法返回第二十七頁，共89頁。設(shè)計(shèjì)定型：整理出設(shè)計(shèjì)圖樣、電子元器件明細表、系統(tǒng)操作程序及說明書、維修及故障診斷說明書和使用說明書等，形成相應技術(shù)文件。二、控制系統(tǒng)的基本要求(yāoqiú)和設(shè)計方法設(shè)計實施：模塊組裝(zǔzhuānɡ)，系統(tǒng)仿真、測試

返回第二十八頁，共89頁。1.計算機控制系統(tǒng)的組成什么(shénme)是計算機控制系統(tǒng)?計算機控制系統(tǒng)就是采用計算機來實現(xiàn)的工業(yè)自動控制系統(tǒng).三、計算機控制系統(tǒng)的組成(zǔchénɡ)及常用類型計算機控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的基本框圖第二十九頁，共89頁。2.計算機控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的組成硬件(yìnɡjiàn)+軟件三、計算機控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的組成及常用類型典型計算機控制系統(tǒng)的組成框圖第三十頁，共89頁。三、計算機控制系統(tǒng)的組成(zǔchénɡ)及常用類型硬件指計算機本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器,內(nèi)存儲器,磁盤驅(qū)動器,各種接口電路，以A/D轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)和D/A轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道，以及各種顯示、記錄設(shè)備,運行操作臺等。第三十一頁，共89頁。主機（CPU）主機是控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的核心。組成：中央處理器、內(nèi)存儲器、時鐘電路功能：對控制對象的參數(shù)進行檢測、數(shù)據(jù)處理以及控制計算、邏輯判斷等通用外部設(shè)備組成：輸入、輸出設(shè)備和外存儲器。功能：顯示、打印、存儲和傳送數(shù)據(jù)。三、計算機控制系統(tǒng)的組成及常用(chánɡyònɡ)類型第三十二頁，共89頁。I/O接口與輸入/輸出通道I/O接口與輸入/輸出通道是主機與被控對象進行信息交換的紐帶組成：并行接口、串行接口、直接數(shù)據(jù)傳送(chuánsònɡ)接口等（接口）A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等（通道）檢測元件和執(zhí)行器傳感器的功用是將被檢測的非電學量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學量變送器的作用是將傳感器得到的電信號轉(zhuǎn)變成適用于計算機接口使用的標準的電信號執(zhí)行器的作用是據(jù)控制信號控制工業(yè)對象進行工作，如電動、氣動裝置

三、計算機控制系統(tǒng)的組成(zǔchénɡ)及常用類型第三十三頁，共89頁。三、計算機控制系統(tǒng)的組成(zǔchénɡ)及常用類型軟件指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和，如完成(wánchéng)操作、監(jiān)控、管理、控制、計算和自診斷等功能的程序。整個系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作。從功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。第三十四頁，共89頁。系統(tǒng)軟件是由計算機的制造廠商提供的，用來管理計算機本身的資源和方便用戶使用計算機的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等，它們一般不需用戶自行設(shè)計編程，只需掌握(zhǎngwò)使用方法或根據(jù)實際需要加以適當改造即可。應用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序，比如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程序，控制量計算程序，生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等。在計算機控制系統(tǒng)中，軟件和硬件不是獨立存在的，在設(shè)計時必須注意兩者相互間的有機配合和協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。三、計算機控制系統(tǒng)的組成及常用(chánɡyònɡ)類型第三十五頁，共89頁。2.計算機控制系統(tǒng)(kònɡzhìxìtǒnɡ)的類型三、計算機控制系統(tǒng)的組成(zǔchénɡ)及常用類型常用的有基于(jīyú)單片機、單板機、普通PC機、工業(yè)PC機和可編程序控制器(PLC)等多種類型的控制系統(tǒng)。第三十六頁，共89頁。表5-1各種(ɡèzhǒnɡ)計算機控制系統(tǒng)性能指標第三十七頁，共89頁。第2節(jié)人機接口技術(shù)(jìshù)什么(shénme)是人機接口人機接口的分類輸入和輸出接口技術(shù)第三十八頁，共89頁。概述人機接口是操作者與機電一體化系統(tǒng)(主要是控制微機)之間進行信息交換(jiāohuàn)的接口。按照信息的傳遞方向，可以分為兩大類:輸入接口：操作者通過輸入接口向系統(tǒng)輸入各種控制命令及控制參數(shù)，對系統(tǒng)運行進行控制，實現(xiàn)所要求完成的任務(wù)。常用的輸入設(shè)備有控制開關(guān)、BCD或二進制碼撥盤、鍵盤輸出接口：系統(tǒng)通過輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運行參數(shù)及結(jié)果等信息。常用的輸出設(shè)備有狀態(tài)指示燈、發(fā)光二極管顯示器、液晶顯示器、微型打印機、陰極射線管顯示器等。第三十九頁，共89頁。一、輸入(shūrù)接口技術(shù)輸入口輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)，要通過數(shù)據(jù)總線傳送給CPU，而CPU與存儲器以及其他(qítā)設(shè)備傳輸?shù)妮斎?輸出數(shù)據(jù)，也要通過這條數(shù)據(jù)總線分時地進行傳輸。輸入(shūrù)口的功能：在只有CPU允許該輸入(shūrù)口進行數(shù)據(jù)輸入(shūrù)時，將來自外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)總線上。輸入設(shè)備鍵盤通過它可實現(xiàn)人機對話，完成各種功能的操作。第四十頁，共89頁。編碼鍵盤:采用專用(zhuānyòng)的編碼/譯碼器件,被按下的鍵由該器件譯碼輸出相應的鍵碼/鍵值。特點：增加了硬件開銷，編碼因選用器件而異，編碼固定，但編程簡單。適用于規(guī)模大的鍵盤。非編碼鍵盤:單片機系統(tǒng)多采用此類鍵盤采用軟件(ruǎnjiàn)編碼/譯碼的方式,通過掃描，對每個被按下的鍵判別輸出相應的鍵碼/鍵值。特點：不增加硬件開銷，編碼靈活，適用于小規(guī)模的鍵盤，特別是單片機系統(tǒng)。但編程較復雜,占CPU時間，還須軟件(ruǎnjiàn)“消顫”。按鍵值編碼(biānmǎ)方式:編碼(biānmǎ)鍵盤與非編碼(biānmǎ)鍵盤一、輸入接口技術(shù)第四十一頁，共89頁。4x4非編碼(biānmǎ)鍵盤第四十二頁，共89頁。獨立式鍵盤:每鍵相互獨立，各自與一條I/O線相連，CPU可直接讀取該I/O線的高/低電平狀態(tài)。如果系統(tǒng)裝備的開關(guān)數(shù)量(shùliàng)不多，可以直接裝在接口上。特點：按鍵數(shù)量(shùliàng)較多時，占I/O口線多，電路結(jié)構(gòu)繁雜；各按鍵相互獨立，電路配置靈活；軟件結(jié)構(gòu)簡單。判鍵速度快，多用于設(shè)置控制鍵、功能鍵。適用于鍵數(shù)少的場合。1.獨立式鍵盤(jiànpán)第四十三頁，共89頁。矩陣連接鍵盤:鍵按矩陣排列,各鍵處于(chǔyú)矩陣行/列的結(jié)點處,CPU通過對連在行(列)的I/O線送已知電平的信號,然后讀取列(行)線的狀態(tài)信息。逐線掃描,得出鍵碼。特點：鍵多時占用I/O口線少,但判鍵速度慢,多用于設(shè)置數(shù)字鍵。適用于鍵數(shù)多的場合。2.矩陣式鍵盤(jiànpán)常用的專門的鍵識別方法有:①行掃描法;②線翻轉(zhuǎn)法;③利用8279鍵盤接口產(chǎn)生鍵盤中斷。前兩種都要占用CPU大量的時間(shíjiān)，而后一種則會節(jié)約CPU時間(shíjiān)。第四十四頁，共89頁。(1)典型行列式鍵盤(jiànpán)識別方法------行掃描法行掃描依次向行線輸出低電平，其余各行為高電平。每掃描一行(yīxíng)，讀取一次列線，若列線全為高電平，則沒有鍵按下，若有一列為低電平，則有鍵按下，獲取按鍵的行號和列號，行掃描完成。列掃描依次向列線輸出低電平，然后讀取行線值，再次獲得按鍵的行號和列號。掃描碼比較兩次獲得行號和列號相同，則鍵碼正確，即獲得按鍵的行列掃描碼。第四十五頁，共89頁。判斷有無鍵按下CPU首先向所有的行輸出低電平，若無鍵按下，則所有列線為高。若有鍵按下，則該鍵所在的列線因與行線相連而變?yōu)榈碗娖?。CPU此時讀取列線的值即可判斷是否有鍵按下。判斷是哪個鍵按下（行掃描法）先向第0行輸出低電平，其余行輸出高電平，然后讀取所有列線的值。若某一列為低，則說明0行與該列交叉位置的鍵被按下，掃描成功即可退出。若列線全為高，說明本行無鍵按下，則繼續(xù)掃描下一行。依次類推，直到找到按鍵的位置后退出掃描。確定(quèdìng)了行號和列號，可形成鍵盤掃描碼。測試(cèshì)有無鍵按下第四十六頁，共89頁。去抖現(xiàn)象：按鍵時，按鍵開關(guān)會在閉合和斷開間跳動幾次最后達到(dádào)穩(wěn)定狀態(tài)，脈沖出現(xiàn)毛刺，持續(xù)時間小于10ms。后果：誤判為多次按鍵。方法：硬件上，可采用RS觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)電路消除抖動波形。軟件上，可延時一段時間，等信號穩(wěn)定后再次讀取識別碼。重鍵由于誤操作，同時按下2個或多個鍵。連鎖法：不停地掃描鍵盤，僅承認最后一個閉合鍵。順序法：識別到一個閉合鍵后，直到該鍵釋放后再去識別其它按鍵。去抖動(dǒudòng)和重鍵問題第四十七頁，共89頁。(a)利用(lìyòng)RS觸發(fā)器(b)利用(lìyòng)單穩(wěn)態(tài)電路第四十八頁，共89頁。鍵掃描以確定按鍵的物理位置。計算鍵碼。等待鍵釋放：計算鍵碼后，再以延時和掃描的方法等待和判定鍵釋放。當鍵盤釋放之后就可根據(jù)鍵碼，轉(zhuǎn)相應的鍵處理(chǔlǐ)子程序，進行數(shù)據(jù)的輸入或命令的處理(chǔlǐ)。(1)典型行列式鍵盤(jiànpán)識別方法------行掃描法第四十九頁，共89頁。二、輸出(shūchū)接口技術(shù)從計算機輸出的數(shù)據(jù)，要經(jīng)過輸出口傳輸給輸出設(shè)備，但在輸出口與實際的輸出設(shè)備之間一般需要進行信號電平轉(zhuǎn)換，并需要對輸出數(shù)據(jù)的傳輸時序進行控制。輸出接口是操作者對機電一體化系統(tǒng)進行檢測的窗口，通過(tōngguò)輸出接口，系統(tǒng)向操作者顯示自身的運行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)及運行結(jié)果等，并進行故障報警。輸出(shūchū)接口LED顯示器發(fā)光二極管第五十頁，共89頁。LED顯示器實物(shíwù)第五十一頁，共89頁。LED實物(shíwù)第五十二頁，共89頁。發(fā)光(fāɡuānɡ)二極管的驅(qū)動發(fā)光(fāɡuānɡ)二極管正常發(fā)光(fāɡuānɡ)時，電流約為5~10mA，壓降1V左右。限流電阻(diànzǔ)R=(5V-1V)/8mA=500ΩP1.0+5V500引腳輸出低電平時，發(fā)光二極管導通。第五十三頁，共89頁。LED應用領(lǐng)域第五十四頁，共89頁。LED應用(yìngyòng)實例第五十五頁，共89頁。顯示器應用(yìngyòng)實例效果第五十六頁，共89頁。顯示器應用(yìngyòng)實例效果第五十七頁，共89頁。數(shù)碼(shùmǎ)顯示器常識在一些只需要簡單顯示的儀器中，常用數(shù)碼管顯示信息；類型：發(fā)光二極管顯示器，簡稱(jiǎnchēng)LED(LightEmittingDiode)；液晶顯示器，簡稱(jiǎnchēng)LCD(LiquidCrystalDisplay)；熒光管顯示器。LED、LCD有兩種顯示結(jié)構(gòu)；段顯示(8段，“米”字型等)和點陣顯示(5X7，5X8，8X8點陣等)。LED示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示，此外還有共陽極和共陰極之分等。三種顯示器中，以熒光管顯示器亮度最高，發(fā)光二極管次之，而液晶顯示器最弱；液晶顯示器有帶背光和不帶背光之分，帶背光的液晶顯示器既可以在有外部光源處使用，也可以在黑暗中使用；不帶背光的液晶顯示器只能靠外部光源才能看清。第五十八頁，共89頁。LED數(shù)碼(shùmǎ)顯示器LED數(shù)碼管特點1、杜絕缺筆少畫,發(fā)光不均,采用固體光源，不含汞；2、解決了漏電，防損防潮，防崩燈超硬度PCB組成超長壽命；3、改變傳統(tǒng)灌膠模式，可拆裝返修LED數(shù)碼管；4、高亮發(fā)光，超低功耗，低電壓（1.9V-2.1V)燈珠；5、PCB與外殼無間隙，相扣牢固，外型美觀，提升產(chǎn)品檔次。應用通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示時間、日期、溫度等所有(suǒyǒu)可用數(shù)字表示的參數(shù)。價格便宜使用簡單在電器特別是家電領(lǐng)域應用極為廣泛，空調(diào)、熱水器、冰箱等等。絕大多數(shù)熱水器用的都是數(shù)碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。第五十九頁，共89頁。主要用于顯示信息，由LED發(fā)光(fāɡuānɡ)二極管組成。（1）LED顯示器結(jié)構(gòu)1.LED數(shù)碼(shùmǎ)顯示器的工作原理七段數(shù)碼管：a~g段用來顯示10進制或16進制數(shù)字(shùzì)和字符，DP段用來顯示小數(shù)點。二極管導通，相應的段即發(fā)光?？刂撇煌M合的段發(fā)光，就可顯示各種數(shù)字(shùzì)和字符?？刂聘靼l(fā)光段上的代碼為段碼；控制某個數(shù)碼管的碼為位碼。第六十頁，共89頁。LED電路(diànlù)的2種接法共陽極：陽極共接+5V。發(fā)光段陰極(yīnjí)接低電平才能導通發(fā)光。共陰極(yīnjí)：陽極共接地。發(fā)光段陽極接高電平才能導通發(fā)光。

共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的公共陰極接地，而陽極通過限流電阻接到驅(qū)動芯片的輸出口線上，當某個驅(qū)動口線為高電平時，該發(fā)光二極管有電流通過而發(fā)光，相應的段被顯示。

共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的公共陽極接高電平，而陰極通過限流電阻接到驅(qū)動芯片的輸出口線上，當某個驅(qū)動口線為低電平時，該發(fā)光二極管有電流通過而發(fā)光，相應的段被顯示。第六十一頁，共89頁。(2)LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼。為了顯示字符，要為LED顯示器提供顯示段碼(或稱字形代碼)，可通過(tōngguò)單片機接口使LED顯示器某幾段發(fā)亮來顯示不同的數(shù)碼1.LED數(shù)碼(shùmǎ)顯示器的工作原理數(shù)碼管段碼的編碼：8段正好(zhènghǎo)是一個字節(jié)，通常采用如下編碼方式。（這種編碼需單片機數(shù)據(jù)總線的D0..D7分別和數(shù)碼管的a、b、c、…dp對應相連。如圖所示）dpgfedcba最高位最低位第六十二頁，共89頁。根據(jù)LED顯示(xiǎnshì)器的結(jié)構(gòu)原理可知，通過給每段提供不同的數(shù)據(jù)，LED顯示(xiǎnshì)器就能顯示(xiǎnshì)出不同形狀的字符，因此，我們把數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)稱為“字形碼”或“字段碼”。不同的字符有不同的字形碼，而且還與LED顯示(xiǎnshì)器是共陰極或是共陽極接法密切相關(guān)。字形碼數(shù)據(jù)格式1.LED數(shù)碼顯示器的工作(gōngzuò)原理第六十三頁，共89頁。LED顯示器的字形(zìxínɡ)(段)碼表顯示字符字形碼顯示字符字形碼共陰極共陽極共陰極共陽極03FHC0HA77H88H106HF9HB7CH83H25BHA4HC39HC6H34FHB0HD5EHA1H466H99HE79H86H56DH92HF71H8EH67DH82H—40HBFH707HF8HP73H8CH87FH80HP.F3H0CH96FH90H熄滅00HFFH共陽極(yángjí)和共陰極的字段碼互為反碼。第六十四頁，共89頁。單片機與顯示器接口可以用硬件為主和用軟件為主的方法。所謂(suǒwèi)硬件為主就是用4位數(shù)據(jù)線而后用鎖存器、譯碼驅(qū)動器顯示一位十六進制字符。由于使用硬件較多，缺乏靈活性，所以常用軟件查表來代替硬件譯碼，但這也需簡單的硬件電路配合。2.LED數(shù)碼(shùmǎ)顯示器的接口及顯示方法第六十五頁，共89頁。LED數(shù)碼管譯碼方法(fāngfǎ)LED顯示器譯碼方法(fāngfǎ)硬件譯碼法硬件譯碼是用譯碼器把要顯示的字符轉(zhuǎn)換成顯示代碼。已有專用芯片，可把4位二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(duìyìng)的顯示代碼。例如Motorola公司生產(chǎn)的MC14495就是一種CMOS型七段十六進制--BCD碼鎖存譯碼驅(qū)動器。還有MC14493、MC14499、74LS47/48/49，國產(chǎn)的4線七段譯碼驅(qū)動器74HC4511等。使用時請參閱有關(guān)器件手冊。補充硬件譯碼特點:采用專用的譯碼/驅(qū)動器件,驅(qū)動功率較大;增加了硬件的開銷;軟件編程簡單;字型固定第六十六頁，共89頁。軟件查表法采用軟件查表方式時，需要在程序中安排(ānpái)一張顯示字符段碼表。段碼表應根據(jù)硬件電路中使用的數(shù)碼管的極性和顯示字符的需要而設(shè)定。LED數(shù)碼管譯碼方法(fāngfǎ)LED顯示器譯碼方法(fāngfǎ)補充軟件譯碼特點:不用專用的譯碼/驅(qū)動器件，驅(qū)動功率較??；不增加硬件的開銷；軟件編程較復雜；字型靈活。第六十七頁，共89頁。(1)靜態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示方式，是指每一位顯示器的字段控制是獨立的，每一位的顯示器都需要配一個8位輸出口來輸出該字位的七段碼。這種顯示方式的各位數(shù)碼管相互獨立，公共端恒定接地(共陰極)或接正電源(共陽極)。每個數(shù)碼管的8個字段分別與一個8位I/O接口相連，I/O端口只要有字形代碼輸出，相應(xiāngyīng)字符即顯示出來，并保持不變，直到I/O端口輸出新的字形代碼。數(shù)碼管顯示某一字符時，相應(xiāngyīng)的發(fā)光二極管恒定導通或恒定截止。就是在同一時刻只顯示1種字符，或者說被顯示的字符在同一時刻是穩(wěn)定不變的。2.LED數(shù)碼(shùmǎ)顯示器的接口及顯示方法第六十八頁，共89頁。2.LED數(shù)碼顯示(xiǎnshì)器的接口及顯示(xiǎnshì)方法靜態(tài)顯示方式特點：優(yōu)點：LED亮度高，占用CPU時間少，編程簡單。缺點：占用的端口線多，硬件電路復雜，成本高，由于靜態(tài)顯示數(shù)碼管相應筆段一直處于點亮狀態(tài)，因此功耗大，而且占用硬件資源多，幾乎(jīhū)只能用在顯示位數(shù)極少的場合。

第六十九頁，共89頁。2.LED數(shù)碼(shùmǎ)顯示器的接口及顯示方法動態(tài)顯示方式，又稱掃描顯示方式，也就是在某一時刻只讓一個(yīɡè)字位處于選通狀態(tài)，其他字位一律斷開，同時在字段線上發(fā)出該位要顯示的字段碼，這樣在某一時刻，某一位數(shù)碼管就被點亮，并顯示出相應的字符。接著逐個改變所顯示的字位和相應的字符段碼，循環(huán)點亮各位顯示器。(2)動態(tài)顯示方式(fāngshì)。在需要多個字符同時顯示時，可以輪流給每一個字符通以電流，逐次把所需顯示的字符顯示出來。在每點亮一個顯示器之后，必須持續(xù)通電一段時間，使之發(fā)光穩(wěn)定，然后再點亮另一個顯示器，如此巡回掃描所有的顯示器。由于巡回顯示速度較快，每秒可重復多次(為了不產(chǎn)生閃爍，可每秒掃描24次左右)。雖然在同一時刻只有一個顯示器通電，但是由于人眼的視覺暫留作用和發(fā)光二極管的余輝效應，看起來每個顯示器都在穩(wěn)定地顯示。第七十頁，共89頁。這種巡回掃描顯示器的操作要靠程序控制，CPU始終要介入顯示掃描。動態(tài)顯示的亮度隨電流平均值的增大而增強(zēngqiáng)，亮度大體上等同于通過同樣大的穩(wěn)定電流的靜態(tài)顯示器的亮度。優(yōu)點：當顯示位數(shù)較多時，采用動態(tài)顯示方式比較(bǐjiào)節(jié)省I/O口，硬件電路也較靜態(tài)顯示簡單。缺點：其穩(wěn)定度不如靜態(tài)顯示方式。而且在顯示位數(shù)較多時CPU要輪番掃描，占用CPU較多的時間。動態(tài)顯示方式雖然使用器件較少，但是CPU效率低，編程麻煩，軟件調(diào)試工作量大，使總體工作效率下降(xiàjiàng)。因此，這種動態(tài)顯示方式只在CPU工作任務(wù)簡單的情況下被使用。2.LED數(shù)碼顯示器的接口及顯示方法(2)動態(tài)顯示方式。第七十一頁，共89頁。第3節(jié)機電(jīdiàn)接口技術(shù)什么是機電接口(jiēkǒu)信息采集接口(jiēkǒu)技術(shù)控制量輸出接口(jiēkǒu)技術(shù)

第七十二頁，共89頁。機電接口是指機電一體化產(chǎn)品(chǎnpǐn)中的機械裝置與控制微機間的接口。按照信息的傳遞方向，機電接口分為信息采集接口和控制量輸出接口。

概述信息處理系統(tǒng)通過信息采集接口接受傳感器輸出的信號，檢測機械系統(tǒng)運行參數(shù)，經(jīng)過運算處理后，發(fā)出有關(guān)控制信號，經(jīng)過控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動執(zhí)行元件，以調(diào)節(jié)機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)(zhuàngtài)，使其按要求動作。第七十三頁，共89頁。模入接口(jiēkǒu)A/D模擬量功放模擬量傳感器被控(bèikònɡ)對象D/A模出接口(jiēkǒu)CPU第七十四頁，共89頁。第七十五頁，共89頁。1.信息(xìnxī)采集接口技術(shù)在機電一體化產(chǎn)品中，控制微機要對機械執(zhí)行機構(gòu)進行有效控制，就必須隨時對機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，隨時檢測運行參數(shù)，如溫度、速度、壓力、位置等。

（1）信息采集(cǎijí)接口的任務(wù)與特點傳感器信息采集(cǎijí)接口微機物理量轉(zhuǎn)換為電量整形、放大、匹配、轉(zhuǎn)換第七十六頁，共89頁。1.信息(xìnxī)采集接口技術(shù)單片機模擬通道中的輸入通道(也叫前向通道)，用于將傳感器獲取的各種信號經(jīng)過調(diào)理電路輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機。（2）信息采集(cǎijí)通道中的A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計圖5-45輸入通道(tōngdào)結(jié)構(gòu)示意圖第七十七頁，共89頁。①分辨率與量化誤差。分辨率指數(shù)字量變化一個最小量時模擬(mónǐ)信號的變化量，習慣表示方法與其輸出數(shù)字量的形式有關(guān)。二進制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器常用二進制數(shù)的位數(shù)表示其分辨率，量化誤差是由于有限數(shù)字對模擬(mónǐ)數(shù)值進行離散取值(量化)而引起的誤差，其理論值為一個單位分辨力A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標第七十八頁，共89頁。②轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度定義為實際A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上與理想轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換差值。注意它不包含量化誤差。通常用1個LSB的分數(shù)值(shùzí)(絕對精度)或用此差值占滿量程的百分比(相對精度)表示③轉(zhuǎn)換時間：指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間。④量程:指所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍，分為單極性和雙極性兩種。A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標第七十九頁，共89頁。ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，它有8個模擬量輸人通道，芯片內(nèi)帶通道地址譯碼鎖存器，輸出經(jīng)三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，啟動信號為脈沖(màichōng)啟動方式，每一通道的轉(zhuǎn)換時間大約為100μs。ADC0809簡介(jiǎnjiè)第八十頁，共89頁。0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ADC0809是CMOS單片雙列直插式ADC，采用逐次逼近原理。芯片包括模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換兩大部分，可對8路模擬電壓分時進行轉(zhuǎn)換。1.ADC0809有8個模擬輸入端（IN0～IN7），相應(xiāngyīng)設(shè)置了3根模擬通道選擇地址線(ADDA～ADDC)，用以編碼來選擇8個模擬輸入通道。并設(shè)置了1根地址允許鎖存信號A