1、Mechatronics 单元五单元五 机电一体化控制及接口技术机电一体化控制及接口技术5.1 5.1 控制技术概述控制技术概述5.2 5.2 可编程控制器技术可编程控制器技术5.3 5.3 人机接口技术人机接口技术5.4 5.4 机电接口技术机电接口技术学习目标学习目标1.掌握机电一体化系统控制形式。掌握机电一体化系统控制形式。2.掌握常用机电系统控制器掌握常用机电系统控制器PLC工作原理。工作原理。3.熟悉常用输入输出接口电路。熟悉常用输入输出接口电路。4.熟悉熟悉A/D转换器等机电接口电路。转换器等机电接口电路。工业炉的计算机控制工业炉的计算机控制工业炉计算机控制的典型情况，其燃料为燃料
2、油或者煤气，为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃料和空气的比值恒定。计算机燃料空气温度测量压力测量燃烧效率计算废气分析仪废气案例案例 高炮的控制高炮的控制俯仰角俯仰角 方位角方位角),)tt使俯仰角（方位角（按一定规律变化。机械手机械手7无人驾驶飞机无人驾驶飞机:按照预定航线飞行按照预定航线飞行8电热水器电热水器:将水加热到设定温度将水加热到设定温度9全自动洗衣机全自动洗衣机:按设定程序洗衣服按设定程序洗衣服自动控制的作用与重要性自动控制的作用与重要性把人从繁重的危险的工作中解放出来把人从繁重的危险的工作中解放出来 矿井掘井、核电站检查消防、救火、无人侦察机、矿井掘井、核电站检查消防、救火
3、、无人侦察机、导弹（无人）导弹（无人）完成人无法完成的工作完成人无法完成的工作 管道机器人、水下管道机器人、水下60006000米机器人米机器人比人干得更快、更好，极大地提高生产力比人干得更快、更好，极大地提高生产力 从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价从自动化生产线上生产的产品，质量越来越好，价格越来越低。格越来越低。管理、经济、金融过程智能化管理、经济、金融过程智能化 楼宇管理自动化：电、气、水、消防报警全自动楼宇管理自动化：电、气、水、消防报警全自动管理，办公自动化，交通自动化，自助银行等。管理，办公自动化，交通自动化，自助银行等。自动化在经济生活中应用越来越广泛，几乎无处自动化
4、在经济生活中应用越来越广泛，几乎无处不在。不在。自动化技术是高科技的集中体现与应用。自动化技术是高科技的集中体现与应用。注：在工业过程（或经济生活）中采用自动控制代注：在工业过程（或经济生活）中采用自动控制代替人工控制，称之为自动化。替人工控制，称之为自动化。第第1 1节节 概概 述述机电一体化系统的控制形式机电一体化系统的控制形式控制系统的基本要求和设计方法控制系统的基本要求和设计方法计算机控制系统的组成及常用类型计算机控制系统的组成及常用类型 机电一体化控制是在以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展向机械工业领域迅猛渗透并与机械电子技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术
5、、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术及软件编程技术等群体技术。机电一体化控制是一门理论性很强的工程技术，通常称为机电一体化控制是一门理论性很强的工程技术，通常称为“自动控制技术自动控制技术”，把实现这种技术的理论称为把实现这种技术的理论称为“自动控制理论自动控制理论”。而。而由各种部件组成以实现具体生产由各种部件组成以实现具体生产对象的自动控制的系统，则称为对象的自动控制的系统，则称为“自动控制系统自动控制系统”。自动控制所使用的技术可以是。自动控制所使用的技术可以是电气、液压、气动、机电以及电液等诸多方法，而采用计算机实现自动控制是机电电气、液压、气动、
6、机电以及电液等诸多方法，而采用计算机实现自动控制是机电一体化控制技术中最为常见的手段。一体化控制技术中最为常见的手段。概述概述一、机电一体化系统的控制形式一、机电一体化系统的控制形式自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制自动控制是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的被控量准确地按照预期的规律装置，使被控对象的被控量准确地按照预期的规律变化。变化。自动控制理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科，是自动控制理论是研究自动控制过程共同规律的技术学科，是研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论。研究自动控制系统组成，进行系统分析设计的一般性理论。根据它的不同发展阶段与
7、内容，可将其分为经典控制理论、根据它的不同发展阶段与内容，可将其分为经典控制理论、现代控制理论及智能控制理论三个阶段。现代控制理论及智能控制理论三个阶段。典型控制系统的方块图典型控制系统的方块图控制器控制器执行机构执行机构被控对象被控对象输入信号输入信号给定值给定值偏差偏差-测量装置测量装置输出量输出量干扰干扰控制系统的基本组成控制系统的基本组成一、机电一体化系统的控制形式一、机电一体化系统的控制形式 按照输出量对控制作用的影响不同，按照输出量对控制作用的影响不同，机电一机电一体化系统可分为体化系统可分为开环控制系统开环控制系统和和闭环控制系闭环控制系统统。1.开环系统开环系统 开环控制的机电
8、一体化系统是开环控制的机电一体化系统是没有反馈没有反馈的控的控制系统，这种系统的输入直接送给控制器，并制系统，这种系统的输入直接送给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。通过控制器对受控对象产生控制作用。输出信输出信号只取决与输入信号，与输出无关。号只取决与输入信号，与输出无关。优点：结构简单、成本低、维修方便。优点：结构简单、成本低、维修方便。缺点：精度较低，对输出和干扰没有诊断能力。缺点：精度较低，对输出和干扰没有诊断能力。一、机电一体化系统的控制形式一、机电一体化系统的控制形式2.闭环系统闭环系统闭环控制的机电一体化系统的输出结果经闭环控制的机电一体化系统的输出结果经传感传感器和反
9、馈环节器和反馈环节与系统的输入信号比较产生输出与系统的输入信号比较产生输出偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受控对偏差，输出偏差经控制器处理再作用到受控对象，对输出进行补偿，实现更高精度的系统输象，对输出进行补偿，实现更高精度的系统输出。出。输出信号受到输入信号和输出信号自身（反馈输出信号受到输入信号和输出信号自身（反馈信号）的作用。信号）的作用。信号流线形成闭合回路。又称信号流线形成闭合回路。又称反馈控制。输出信号受偏差量控制。反馈控制。输出信号受偏差量控制。优点：高精度、动态性能好、抗干扰能力强。优点：高精度、动态性能好、抗干扰能力强。缺点：结构复杂，成本高，维修难度较大。缺点：结构复杂，
10、成本高，维修难度较大。冷却器冷却器继电器继电器压缩机压缩机控制器控制器蒸发器蒸发器冰箱冰箱例题例题 家用电冰箱温控系统家用电冰箱温控系统试写出系统的被控对象、被控量、输入量和扰动量，试写出系统的被控对象、被控量、输入量和扰动量，工作原理，画出系统方框图。工作原理，画出系统方框图。被控对象：被控对象：冰箱冰箱被控量：被控量：输入量：输入量：控制器设定值（代表温度的期望值）控制器设定值（代表温度的期望值）扰动量：扰动量：开门时的外界温度开门时的外界温度冰箱内温度冰箱内温度工作原理工作原理:控制器设定温度与冰箱内温度比较，控制器设定温度与冰箱内温度比较，如果如果设定温度高于冰箱内温度设定温度高于冰箱
11、内温度，则继电器接通，则继电器接通，压缩机工作，使冰箱温度下降，直到压缩机工作，使冰箱温度下降，直到冰箱内冰箱内温温度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停度达到希望温度，此时继电器断开，压缩机停止工作。止工作。解：解：家用电冰箱温控系统方框图如下：准确性准确性 快速性快速性 稳定性稳定性二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法 稳定性稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件，这是保证控制系统正常工作的先决条件，这是对控制系统的一个基本要求。系统的稳定性有是对控制系统的一个基本要求。系统的稳定性有两层含义两层含义:一是一是系统稳定系统稳定，叫做绝对稳定性，通常，叫做绝对稳
12、定性，通常所讲的稳定性就是这个含义所讲的稳定性就是这个含义;另一方面的含义是输另一方面的含义是输出量振荡的强烈程度，称为出量振荡的强烈程度，称为相对稳定性相对稳定性。线性控。线性控制系统的稳定性是由系统。本身的结构与参数所制系统的稳定性是由系统。本身的结构与参数所决定的，与外部条件无关。决定的，与外部条件无关。二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法返回返回 快速性快速性是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程是系统在稳定的条件下，衡量系统过渡过程的形式和快慢，通常称为的形式和快慢，通常称为“系统动态性能系统动态性能”。在实。在实际的控制系统中，不仅要求系统稳定，而且要求
13、被际的控制系统中，不仅要求系统稳定，而且要求被控量能迅速地按照输入信号所规定的形式变化，即控量能迅速地按照输入信号所规定的形式变化，即要求系统具有一定的响应速度。要求系统具有一定的响应速度。二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法返回返回 准确性准确性是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出是在系统过渡过程结束后，衡量系统输出(被控量被控量)达达到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。除了要求控到的稳态值与系统输出期望值之间的接近程度。除了要求控制系统稳定性好、响应速度快以外，还要求控制系统的控制制系统稳定性好、响应速度快以外，还要求控制系统的控制精度高。精度高。“稳稳”
14、与与“快快”是说明系统动态是说明系统动态(过渡过程过渡过程)品质。系统的品质。系统的过渡过程产生的原因是系统中储能元件的能量不可能突变。过渡过程产生的原因是系统中储能元件的能量不可能突变。“准准”是说明系统的稳态是说明系统的稳态(静态静态)品质品质 二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法返回返回二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法准备阶段。准备阶段。对设计对象进行机理分析和理论分析，明确被控对对设计对象进行机理分析和理论分析，明确被控对象的特点及要求象的特点及要求;限定控制系统的工作条件及环境，限定控制系统的工作条件及环境，确定安全保护措施
15、及等级确定安全保护措施及等级;明确控制方案的特殊要求明确控制方案的特殊要求;确定技术经济指标确定技术经济指标;制定试验项目及指标。制定试验项目及指标。二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法返回返回理论设计理论设计建立被控对象的数学模型，把被控对象的控制特性建立被控对象的数学模型，把被控对象的控制特性用数学表达式加以描述，作为控制方案选择及控制用数学表达式加以描述，作为控制方案选择及控制器设计的依据器设计的依据;确定控制算法及控制器结构，选择中确定控制算法及控制器结构，选择中央处理单元、存储器等，主要硬、软件设计以及各央处理单元、存储器等，主要硬、软件设计以及各种接口的
16、选择和设计种接口的选择和设计;确定系统的初步结构及参数，确定系统的初步结构及参数，进行系统性能分析、优化进行系统性能分析、优化二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法返回返回设计定型：整理出设计图样、电子元器件明细表、设计定型：整理出设计图样、电子元器件明细表、系统操作程序及说明书、维修及故障诊断说明书和系统操作程序及说明书、维修及故障诊断说明书和使用说明书等，形成相应技术文件。使用说明书等，形成相应技术文件。二、控制系统的基本要求和设计方法二、控制系统的基本要求和设计方法设计实施：模块组装，系统仿真、测试设计实施：模块组装，系统仿真、测试 返回返回1.计算机控制系统的
17、组成计算机控制系统的组成什么是计算机控制系统什么是计算机控制系统?计算机控制系统就是采用计算机来实现计算机控制系统就是采用计算机来实现的工业自动控制系统的工业自动控制系统.三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型计算机控制系统的基本框图控 制 规 律计 算 程 序D/AA/D执 行机 构被 控对 象检 测 装 置设 定 值反馈量被 控量计 算 机2.计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 硬件硬件+软件软件三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型典型计算机控制系统的组成框图三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用
18、类型u硬件硬件指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器指计算机本身及其外围设备，一般包括中央处理器,内内存储器存储器,磁盘驱动器磁盘驱动器,各种接口电路，以各种接口电路，以A/DA/D转换和转换和D/AD/A转换为转换为核心的模拟量核心的模拟量I/OI/O通道、数字量通道、数字量I/OI/O通道，以及各种显示、记通道，以及各种显示、记录设备录设备,运行操作台等。运行操作台等。主机（主机（CPU）主机是控制系统的主机是控制系统的核心核心。组成：中央处理器、内存储器、时钟电路组成：中央处理器、内存储器、时钟电路功能：对控制对象的参数进行检测、数据处理功能：对控制对象的参数进行检测、数据处理以及
19、控制计算、逻辑判断等以及控制计算、逻辑判断等 通用外部设备通用外部设备组成：输入、输出设备和外存储器。组成：输入、输出设备和外存储器。功能：显示、打印、存储和传送数据。功能：显示、打印、存储和传送数据。三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型 I/O接口与输入接口与输入/输出通道输出通道 I/O接口与输入接口与输入/输出通道是主机与被控对象进输出通道是主机与被控对象进行信息交换的行信息交换的纽带纽带组成：并行接口、串行接口、直接数据传送接口等（组成：并行接口、串行接口、直接数据传送接口等（接口）接口）A/D转换器、转换器、D/A转换器等（通道）转换器等（通道）检测元
20、件和执行器检测元件和执行器 传感器的功用传感器的功用是将被检测的非电学量参数转变是将被检测的非电学量参数转变成电学量成电学量 变送器的作用变送器的作用是将传感器得到的电信号转变成是将传感器得到的电信号转变成适用于计算机接口使用的标准的电信号适用于计算机接口使用的标准的电信号 执行器的作用执行器的作用是据控制信号控制工业对象进行是据控制信号控制工业对象进行工作，如电动、气动装置工作，如电动、气动装置 三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型u软件软件指计算机控制系统指计算机控制系统中具有各种功能的计算
21、机中具有各种功能的计算机程序的总和，如完成操作程序的总和，如完成操作、监控、管理、控制、计、监控、管理、控制、计算和自诊断等功能的程序算和自诊断等功能的程序。整个系统在软件指挥下。整个系统在软件指挥下协调工作。从功能区分，协调工作。从功能区分，软件可分为系统软件和应软件可分为系统软件和应用软件。用软件。u系统软件系统软件是由计算机的制造厂商提供的，用来管理计算机本身的资源和方便用户使用计算机的软件。常用的有操作系统、开发系统等，它们一般不需用户自行设计编程，只需掌握使用方法或根据实际需要加以适当改造即可。u应用软件应用软件是用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序，比如各种数据采集、滤波程序，
22、控制量计算程序，生产过程监控程序等。在计算机控制系统中，软件和硬件不是独立存在的，在设计时必须注意两者相互间的有机配合和协调，只有这样才能研制出满足生产要求的高质量的控制系统。三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型2.计算机控制系统的类型计算机控制系统的类型三、计算机控制系统的组成及常用类型三、计算机控制系统的组成及常用类型常用的有基于单片机、单板机、普通常用的有基于单片机、单板机、普通PC机、工业机、工业PC机和可编程序控制器机和可编程序控制器(PLC)等多种类型的控制系等多种类型的控制系统。统。表表5-1各种计算机控制系统性能指标各种计算机控制系统性能指标第第
23、2 2节节 人机接口技术人机接口技术什么是人机接口什么是人机接口人机接口的分类人机接口的分类 输入和输出接口技术输入和输出接口技术概概 述述 人机接口是操作者与机电一体化系统人机接口是操作者与机电一体化系统(主要是控制主要是控制微机微机)之间进行信息交换的接口。之间进行信息交换的接口。u按照信息的传递方向，可以分为两大类按照信息的传递方向，可以分为两大类:输入接口：输入接口：操作者通过输入接口向系统输入各种操作者通过输入接口向系统输入各种控制命令及控制参数，对系统运行进行控制，实控制命令及控制参数，对系统运行进行控制，实现所要求完成的任务。常用的输入设备有现所要求完成的任务。常用的输入设备有控
24、制开控制开关、关、BCD或二进制码拨盘、键盘或二进制码拨盘、键盘输出接口：输出接口：系统通过输出接口向操作者显示系统系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息。常用的输的各种状态、运行参数及结果等信息。常用的输出设备有出设备有状态指示灯、发光二极管显示器、液晶状态指示灯、发光二极管显示器、液晶显示器、微型打印机、阴极射线管显示器显示器、微型打印机、阴极射线管显示器等。等。一、输入接口技术一、输入接口技术 输入口输入设备的数据，要通过数据总线传送给输入口输入设备的数据，要通过数据总线传送给CPU，而，而CPU与存储器以及其他设备传输的输入与存储器以及其他设备传输的输入/输出
25、数据，也要通输出数据，也要通过这条数据总线分时地进行传输。过这条数据总线分时地进行传输。输入口的功能：在只有输入口的功能：在只有CPU允许该输入口进行数据输入允许该输入口进行数据输入时，将来自外设的数据传送到数据总线上。时，将来自外设的数据传送到数据总线上。输入设备输入设备 键盘键盘通过它可实现人机对话，完成各种通过它可实现人机对话，完成各种功能的操作。功能的操作。编码键盘编码键盘:采用专用的编码采用专用的编码/译码器件译码器件,被按下的键被按下的键由该器件译码输出相应的键码由该器件译码输出相应的键码/键值。键值。特点：增加了硬件开销，编码因选用器件而异，编特点：增加了硬件开销，编码因选用器件
26、而异，编码固定，但编程简单。适用于规模大的键盘。码固定，但编程简单。适用于规模大的键盘。非编码键盘非编码键盘:单片机系统多采用此类键盘单片机系统多采用此类键盘 采用软件编码采用软件编码/译码的方式译码的方式,通过扫描，对每个被按通过扫描，对每个被按下的键判别输出相应的键码下的键判别输出相应的键码/键值。键值。特点：不增加硬件开销，编码灵活，适用于小规模特点：不增加硬件开销，编码灵活，适用于小规模的键盘，特别是单片机系统。但编程较复杂的键盘，特别是单片机系统。但编程较复杂,占占CPUCPU时间，还须软件时间，还须软件“消颤消颤”。按键值编码方式:编码键盘与非编码键盘一、输入接口技术一、输入接口技
27、术4x4非编码键盘非编码键盘独立式键盘独立式键盘:每键相互独立，各自与一条每键相互独立，各自与一条I/OI/O线相线相连，连，CPUCPU可直接读取该可直接读取该I/OI/O线的高线的高/低电平状态。低电平状态。如如果系统装备的开关数量不多，可以直接装在接口上。果系统装备的开关数量不多，可以直接装在接口上。特点：按键数量较多时，占特点：按键数量较多时，占I/OI/O口线多，电路结构繁口线多，电路结构繁杂；各按键相互独立，电路配置灵活；软件结构简杂；各按键相互独立，电路配置灵活；软件结构简单。判键速度快，多用于设置控制键、功能键。适单。判键速度快，多用于设置控制键、功能键。适用于键数少的场合。用
28、于键数少的场合。1.独立式键盘独立式键盘矩阵连接键盘矩阵连接键盘:键按矩阵排列键按矩阵排列,各键处于矩阵行各键处于矩阵行/列列的结点处的结点处,CPU,CPU通过对连在行通过对连在行(列列)的的I/OI/O线送已知电线送已知电平的信号平的信号,然后读取列然后读取列(行行)线的状态信息。逐线扫描线的状态信息。逐线扫描,得出键码。得出键码。特点：键多时占用特点：键多时占用I/OI/O口线少口线少,但判键速度慢但判键速度慢,多用多用于设置数字键。适用于键数多的场合。于设置数字键。适用于键数多的场合。2.矩阵式键盘矩阵式键盘常用的专门的键识别方法有常用的专门的键识别方法有:行扫描法行扫描法;线翻转法线
29、翻转法;利利用用8279键盘接口产生键盘中断。键盘接口产生键盘中断。前两种都要占用前两种都要占用CPU大量大量的时间，而后一种则会节约的时间，而后一种则会节约CPU时间。时间。n(1)典型行列式键盘识别方法典型行列式键盘识别方法-行扫描法行扫描法u行扫描依次向行线输出低电平，其余各行为高电平。每扫描一行，读取一次列线，若列线全为高电平，则没有键按下，若有一列为低电平，则有键按下，获取按键的行号和列号行号和列号，行扫描完成。u列扫描依次向列线输出低电平，然后读取行线值，再次获得按键的行号和列号行号和列号。u扫描码比较两次获得行号和列号相同，则键码正确，即获得按键的行列扫描码。判断有无键按下CPU
30、首先向所有的行输出低电平，若无键按下，则所有列线为高。若有键按下，则该键所在的列线因与行线相连而变为低电平。CPU此时读取列线的值即可判断是否有键按下。判断是哪个键按下（行扫描法）先向第0行输出低电平，其余行输出高电平，然后读取所有列线的值。若某一列为低，则说明0行与该列交叉位置的键被按下，扫描成功即可退出。若列线全为高，说明本行无键按下，则继续扫描下一行。依次类推，直到找到按键的位置后退出扫描。确定了行号和列号，可形成键盘扫描码。u测试有无键按下测试有无键按下去抖现象：按键时，按键开关会在闭合和断开间跳动几次最后达到稳定状态，脉冲出现毛刺，持续时间小于10ms。后果：误判为多次按键。方法：硬
31、件上，可采用RS触发器和单稳态电路触发器和单稳态电路消除抖动波形。软件上，可延时延时一段时间，等信号稳定后再次读取识别码。重键由于误操作，同时按下2个或多个键。连锁法：不停地扫描键盘，仅承认最后一个闭合键仅承认最后一个闭合键。顺序法：识别到一个闭合键后，直到该键释放后再去识该键释放后再去识别其它按键别其它按键。u去抖动和重键问题去抖动和重键问题(a)利用利用RS触发器触发器 (b)利用单稳态电路利用单稳态电路键扫描以确定按键的物理位置。键扫描以确定按键的物理位置。计算键码。计算键码。等待键释放等待键释放：计算键码后，再以延时和扫描的方：计算键码后，再以延时和扫描的方法等待和判定键释放。当键盘释
32、放之后就可根据法等待和判定键释放。当键盘释放之后就可根据键码，转相应的键处理子程序，进行数据的输入键码，转相应的键处理子程序，进行数据的输入或命令的处理。或命令的处理。n(1)典型行列式键盘识别方法典型行列式键盘识别方法-行扫描法行扫描法二、输出接口技术二、输出接口技术 从计算机输出的数据，要经过输出口传输给输出设备，但从计算机输出的数据，要经过输出口传输给输出设备，但在输出口与实际的输出设备之间一般需要进行信号电平转在输出口与实际的输出设备之间一般需要进行信号电平转换，并需要对输出数据的传输时序进行控制。换，并需要对输出数据的传输时序进行控制。输出接口是输出接口是操作者对机电一体化系统进行检
33、测的窗口，通过输出接口操作者对机电一体化系统进行检测的窗口，通过输出接口，系统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结，系统向操作者显示自身的运行状态、关键参数及运行结果等，并进行故障报警。果等，并进行故障报警。输出接口输出接口 LED显示器显示器发光二极管发光二极管LED显示器实物显示器实物LED实物发光二极管的驱动发光二极管正常发光时，发光二极管正常发光时，电流约为电流约为510mA510mA，压，压降降1V1V左右。左右。限流电阻限流电阻R=(5V-1V)/8mA=500 R=(5V-1V)/8mA=500 P1.0+5V500500引脚输出低电平时，发光引脚输出低电平时，发光二极管
34、导通。二极管导通。LED应用领域LED应用实例显示器应用实例效果显示器应用实例效果显示器应用实例效果显示器应用实例效果数码显示器常识数码显示器常识l在一些只需要简单显示的仪器中，常用数码管显示信息；在一些只需要简单显示的仪器中，常用数码管显示信息；l类型：发光二极管显示器，简称类型：发光二极管显示器，简称LED(Light Emitting LED(Light Emitting Diode)Diode)；液晶显示器，简称；液晶显示器，简称LCD(Liquid Crystal LCD(Liquid Crystal Display)Display)；荧光管显示器。；荧光管显示器。lLEDLED、L
35、CDLCD有两种显示结构；段显示有两种显示结构；段显示(8(8段，段，“米米”字型等字型等)和点阵显示和点阵显示(5X7(5X7，5X85X8，8X88X8点阵等点阵等)。lLEDLED示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此示又分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。外还有共阳极和共阴极之分等。l三种显示器中，以荧光管显示器亮度最高，发光二极管次三种显示器中，以荧光管显示器亮度最高，发光二极管次之，而液晶显示器最弱；之，而液晶显示器最弱；l液晶显示器有带背光和不带背光之分，带背光的液晶显示液晶显示器有带背光和不带背光之分，带背光的液晶显示器既可以在有外部光
36、源处使用，也可以在黑暗中使用；不器既可以在有外部光源处使用，也可以在黑暗中使用；不带背光的液晶显示器只能靠外部光源才能看清。带背光的液晶显示器只能靠外部光源才能看清。LED数码显示器数码显示器 LEDLED数码管特点数码管特点 1、杜绝缺笔少画,发光不均,采用固体光源，不含汞；2、解决了漏电，防损防潮，防崩灯超硬度PCB组成超长寿命；3、改变传统灌胶模式，可拆装返修LED数码管；4、高亮发光，超低功耗，低电压（1.9V-2.1V)灯珠；5、PCB与外壳无间隙，相扣牢固，外型美观，提升产品档次。应用应用 通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有
37、可用数字表示的参数。价格便宜 使用简单 在电器 特别是家电领域应用极为广泛，空调、热水器、冰箱等等。绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。主要用于显示信息，由LED发光二极管组成。（1）LED显示器结构显示器结构1.LED数码显示器的工作原理l七段数码管：七段数码管：ag段用来显示段用来显示10进制或进制或16进制数字和字符，进制数字和字符，DP段用来显示小数点。段用来显示小数点。l二极管导通，相应的段即发光。二极管导通，相应的段即发光。控制不同控制不同组合的段发光组合的段发光，就可显，就可显示各种数字和字符。示各种数字和字符。l控制各发光段上的代码为控制各发光段上的代码为
38、段码段码；控制某个数码管的码为控制某个数码管的码为位码位码。LED电路的2种接法共阳极：共阳极：l 阳极共接阳极共接+5V。l 发光段阴极发光段阴极接低电平才接低电平才能导通发光。能导通发光。共阴极：共阴极：l 阳极共接地。阳极共接地。l 发光段阳极发光段阳极接高电平才接高电平才能导通发光。能导通发光。共阴极共阴极LED显示器显示器的发光二极管的公共的发光二极管的公共阴极接地，而阳极通阴极接地，而阳极通过限流电阻接到驱动过限流电阻接到驱动芯片的输出口线上，芯片的输出口线上，当某个驱动口线为高当某个驱动口线为高电平时，该发光二极电平时，该发光二极管有电流通过而发光，管有电流通过而发光，相应的段被
39、显示。相应的段被显示。共阳极共阳极LED显示显示器的发光二极管的器的发光二极管的公共阳极接高电平，公共阳极接高电平，而阴极通过限流电而阴极通过限流电阻接到驱动芯片的阻接到驱动芯片的输出口线上，当某输出口线上，当某个驱动口线为低电个驱动口线为低电平时，该发光二极平时，该发光二极管有电流通过而发管有电流通过而发光，相应的段被显光，相应的段被显示。示。(2)LED数码显示器的显示段码。数码显示器的显示段码。为了显示字符，要为为了显示字符，要为LED显示器提供显示段码显示器提供显示段码(或称字形代码或称字形代码)，可通，可通过过单片机接口单片机接口使使LED显示器某几段发亮来显示不同的数码显示器某几段
40、发亮来显示不同的数码1.LED数码显示器的工作原理u数码管段码的编码：数码管段码的编码：8段正好是一个字节，通常采用如下编码方式。（这段正好是一个字节，通常采用如下编码方式。（这种编码需单片机数据总线的种编码需单片机数据总线的D0.D7分别和数码管的分别和数码管的a、b、c、dp对应相连。对应相连。如图所示如图所示）dpgfedcba最高位最高位最低位最低位l根据根据LED显示器的结构原理可知，通过给每段提供不同的数显示器的结构原理可知，通过给每段提供不同的数据，据，LED显示器就能显示出不同形状的字符，因此，我们把显示器就能显示出不同形状的字符，因此，我们把数据线上的数据称为数据线上的数据称
41、为“字形码字形码”或或“字段码字段码”。l不同的字符有不同的字形码，而且还与不同的字符有不同的字形码，而且还与LED显示器是共阴极显示器是共阴极或是共阳极接法密切相关。或是共阳极接法密切相关。dpgfedcbaD7D6D5D4D3D2D1D0字形码数据格式1.LED数码显示器的工作原理LED显示器的字形显示器的字形(段段)码表码表显示字符显示字符字形码字形码显示字符显示字符字形码字形码共阴极共阴极共阳极共阳极共阴极共阴极共阳极共阳极03FHC0HA77H88H106HF9HB7CH83H25BHA4HC39HC6H34FHB0HD5EHA1H466H99HE79H86H56DH92HF71H8
42、EH67DH82H40HBFH707HF8HP73H8CH87FH80HP.F3H0CH96FH90H熄灭熄灭00HFFH共阳极和共阳极和共阴极的共阴极的字段码互字段码互为反码为反码。单片机与显示器接口可以用单片机与显示器接口可以用硬件硬件为主和为主和用用软件软件为主的方法。所谓硬件为主就是为主的方法。所谓硬件为主就是用用4位数据线而后用锁存器、译码驱动位数据线而后用锁存器、译码驱动器显示一位十六进制字符。由于使用硬器显示一位十六进制字符。由于使用硬件较多，缺乏灵活性，所以常用软件查件较多，缺乏灵活性，所以常用软件查表来代替硬件译码，但这也需简单的硬表来代替硬件译码，但这也需简单的硬件电路配合
43、。件电路配合。2.LED数码显示器的接口及显示方法数码显示器的接口及显示方法LED数码管译码方法数码管译码方法LEDLED显示器译码方法显示器译码方法u硬件译码法硬件译码法 硬件译码是用译码器把要显示的字符转换成显示代码。硬件译码是用译码器把要显示的字符转换成显示代码。已有专用芯片，可把已有专用芯片，可把4位二进制数转换成对应的显示代码。例位二进制数转换成对应的显示代码。例如如Motorola公司生产的公司生产的MC14495就是一种就是一种CMOS型七段十六进型七段十六进制制-BCD码锁存译码驱动器。还有码锁存译码驱动器。还有MC14493、MC14499、74LS47/48/49，国产的，
44、国产的4线七段译码驱动器线七段译码驱动器74HC4511等。使用等。使用时请参阅有关器件手册。时请参阅有关器件手册。补充补充硬件译码特点硬件译码特点:采用专用的译码采用专用的译码/驱动器件驱动器件,驱动功率驱动功率较大较大;增加了硬件的开销增加了硬件的开销;软件软件编程简单编程简单;字型固定字型固定u软件查表法软件查表法 采用软件查表方式时，需要在程序中安排一张显示字符段采用软件查表方式时，需要在程序中安排一张显示字符段码表。段码表应根据硬件电路中使用的数码管的极性和显示码表。段码表应根据硬件电路中使用的数码管的极性和显示字符的需要而设定。字符的需要而设定。LED数码管译码方法数码管译码方法L
45、EDLED显示器译码方法显示器译码方法补充补充软件译码特点软件译码特点:不用专用的译码不用专用的译码/驱动器件，驱动功率较小；不增加驱动器件，驱动功率较小；不增加硬件的开销；软件编程较复杂；字型灵活。硬件的开销；软件编程较复杂；字型灵活。(1)静态显示方式。静态显示方式。静态显示方式，是指每一位显示器的字段控制是独静态显示方式，是指每一位显示器的字段控制是独立的，每一位的显示器都需要配一个立的，每一位的显示器都需要配一个8位输出口来位输出口来输出该字位的七段码。输出该字位的七段码。这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定这种显示方式的各位数码管相互独立，公共端恒定接地接地(共阴极共阴极)或
46、接正电源或接正电源(共阳极共阳极)。每个数码管的。每个数码管的8个字段分别与一个个字段分别与一个8位位I/O接口相连，接口相连，I/O端口只要端口只要有字形代码输出，相应字符即显示出来，并保持不有字形代码输出，相应字符即显示出来，并保持不变，直到变，直到I/O端口输出新的字形代码。端口输出新的字形代码。数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导数码管显示某一字符时，相应的发光二极管恒定导通或恒定截止。就是在同一时刻只显示通或恒定截止。就是在同一时刻只显示1种字符，种字符，或者说被显示的字符在同一时刻是稳定不变的。或者说被显示的字符在同一时刻是稳定不变的。2.LED数码显示器的接口及显示方法数
47、码显示器的接口及显示方法2.LED数码显示器的接口及显示方法数码显示器的接口及显示方法静态显示方式静态显示方式特点特点：优点：优点：LED亮度高，亮度高，占用占用CPU时间少，编程简单时间少，编程简单。缺点：缺点：占用的端口线多，硬件电路复杂，成本高，占用的端口线多，硬件电路复杂，成本高，由于由于静态显示静态显示数码管相应笔段一直处于点亮数码管相应笔段一直处于点亮状态，状态，因此因此功耗大，而且占用硬件资源多，几乎只能用功耗大，而且占用硬件资源多，几乎只能用在显示位数极少的场合。在显示位数极少的场合。2.LED数码显示器的接口及显示方法数码显示器的接口及显示方法动态显示方式，又称扫描显示方式，
48、也就是在某一时刻只动态显示方式，又称扫描显示方式，也就是在某一时刻只让一个字位处于选通状态，其他字位一律断开，同时在字段让一个字位处于选通状态，其他字位一律断开，同时在字段线上发出该位要显示的字段码，这样在某一时刻，某一位数线上发出该位要显示的字段码，这样在某一时刻，某一位数码管就被点亮，并显示出相应的字符。接着逐个改变所显示码管就被点亮，并显示出相应的字符。接着逐个改变所显示的字位和相应的字符段码，循环点亮各位显示器。的字位和相应的字符段码，循环点亮各位显示器。(2)动态显示方式。动态显示方式。在需要多个字符同时显示时，可以轮流给每一个字符通以电流，逐次把在需要多个字符同时显示时，可以轮流给
49、每一个字符通以电流，逐次把所需显示的字符显示出来。在每点亮一个显示器之后，必须持续通电一所需显示的字符显示出来。在每点亮一个显示器之后，必须持续通电一段时间，使之发光稳定，然后再点亮另一个显示器，如此巡回扫描所有段时间，使之发光稳定，然后再点亮另一个显示器，如此巡回扫描所有的显示器。由于巡回显示速度较快，每秒可重复多次的显示器。由于巡回显示速度较快，每秒可重复多次(为了不产生闪烁，为了不产生闪烁，可每秒扫描可每秒扫描24次左右次左右)。虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但是由于。虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但是由于人眼的视觉暂留作用和发光二极管的余辉效应，看起来每个显示器都在人眼的视觉暂
50、留作用和发光二极管的余辉效应，看起来每个显示器都在稳定地显示。稳定地显示。l这种巡回扫描显示器的操作要靠程序控制，这种巡回扫描显示器的操作要靠程序控制，CPU始终要介入始终要介入显示扫描。动态显示的亮度随电流平均值的增大而增强，亮度显示扫描。动态显示的亮度随电流平均值的增大而增强，亮度大体上等同于通过同样大的稳定电流的静态显示器的亮度。大体上等同于通过同样大的稳定电流的静态显示器的亮度。l优点：当显示位数较多时，采用动态显示方式比较节省优点：当显示位数较多时，采用动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示简单。口，硬件电路也较静态显示简单。l缺点：其稳定度不如静态显示方式。而且在显示位
