自动燃煤锅炉控制器的设计与开发

自动燃煤锅炉控制器的设计与开发234自动燃煤锅炉控制器的设计与开发样本(样本只提供该系统的基本情况介绍，若需要完整的设计和论文，建议您购买本系统，凡是购买本站系统的，本站均根据您的要求，把系统上的开发信息，题目等修改成符合您的要求)本设计包含内容：毕业论文论文大概：摘要针对小型锅炉自动运行的需要，以微芯单片机为核心设计了一套自动控制系统实现锅炉的鼓风机，给煤机及循环水泵的自动运行，并实现温度控制，停机记时，自动恢复等功能。关键词：燃煤锅炉；自动控制；控制器前言虽然现在的科技越来越发达，人们对生活质量要求越来越高，但很多地方还不可能实现大规模集体供暖这就要求我们对于没有实施集中供暖的建筑来说，就需要采用独立的供暖系统，小型的独立供暖系统采用的锅炉有燃油型及燃煤型，而我国煤炭资源丰富因此燃煤型锅炉就运行成本来说较燃油型锅炉具有较大优势。然而要使供暖系统保持24小时运行，就必须使锅炉自动运行，从而需要一套自动控制装置，保证锅炉的鼓风机、给煤机及循环水泵的自动运行，并能实现温度控制、自动报警、停机记时、自动恢复等功能.控制器是自动燃煤锅炉的核心部分，通过对各种控制器的性能价格比进行调查，以PIC16F877单片机最为合适，在我的毕业设计过程中，得到了邱立存老师的大力支持在此我表示深深的感谢。目录第一章绪论1.1开发小型自动燃煤锅炉的形势1.2燃煤锅炉的锅炉燃烧自动控制1.3自动燃煤锅炉控制器具有如下优点第二章自动燃煤锅炉控制器的整体设计2.1.1功能要求1温度采集2温度数显3温度控制4循环定时输出5风机、煤机调速功能6煤机超载保护7报警输出8复位功能9指示灯2.1.2单片机的选择2.1.3控制器的总体考虑1双单片机结构2温度传感器信号放大电路3显示键盘电路4风机调速电路5煤机调速电路6煤机超载检测电路7报警电路8功率输出控制电路2.1.4控制器的总体方案第三章自动燃煤锅炉控制的组成3.1单片机的选择3.1.1PIC单片机简介3.1.2选用PIC16F877的原因3.2显示与键盘功能设计3.2.1数码管显示电路3.2.2指示灯电路3.2.3键盘电路3.3实时时钟芯片DS12C887的应用3.3.1DS12C887功能介绍3.3.2DS12C887与PIC16F877的硬件接口电路.3.3.3DS12C887的读写程序3.4.功能要求3.4.1主、从单片机通讯功能的实现3.4.2主单片机通讯程序3.4.3从单片机通讯程序3.5直流风机PWM控制第四章设计过程中遇到的问题和解决方案4.1应用Protel制作PCB版图时需要注意的问题结束语及致谢-第一章绪论1.1开发小型自动燃煤锅炉的形势众所周知我国是一个资源大国，煤炭也特比的丰富，并且我国是以煤为主要能源的国家，煤炭在一次能源的生产和消费结构中约占3/4。在全国煤炭工业改革与发展大会专题报告中指出在今后很长一段时间里,煤仍然是我国主要能源。充分发挥煤炭资源优势，立足煤炭、立足国内，发展国外,是我国能源工业发展的现实和必然选择。由此可知煤炭在中国一次能源生产和消费结构的比例不会缩水而分别略有上升和保持稳定。在我国经济高速发展的进程中，煤炭能源的需求将有较大幅度的增长，以煤为主的能源供应和消费格局将不会改变。随着各种煤处理技术煤技术的不断更新和深入，煤炭将逐渐成为高效和洁净利用的能源。国际化、现代化和可持续发展将成为中国煤炭工业的振兴之路。煤电一体化和以煤气化为核心的多联产能源系统的发展将为中国煤炭工业可持续供应发展注入强大的生命力.在科技高速发展的今天，科学技术以成为我们国家社会发展的第一推动力，只有以科技为动力各个行业才能有快有好的发展壮大，否则就会成为无源之水。随着煤炭工业的发展锅炉的科技含量也与不可同日而语，作为锅炉控制设备和控制系统，其首要保证的是安全性。安全因素包括锅炉的蒸汽压力、锅炉内的液位以及燃烧系统的引风和送风的控制。锅炉的蒸汽主要用于生产、供热、后勤服务等。尤其在生产上，蒸汽压缩机以及一些数控机床对蒸汽的压力要求比较高。蒸汽压力过高会增加对机器设备的损伤，过低又不能正常启动设备。后勤服务主要是对蒸汽流量的要求，蒸汽流量不够将会使后勤服务的质量大受影响。所以既要保证蒸汽流量又要保证蒸汽压力。蒸汽压力和蒸汽流量是相互联系的，当蒸汽流量发生变化时，蒸汽压力势必也会产生变化。在常规控制系统中，只是将各个回路作为单回路来控制，回路之间是相对独立的，不能同时保证蒸汽压力和蒸汽流量的稳定，给企业带来了较大的经济损失。常规控制中，只是列出一些重要参数的报警显示，并没有在系统软件方面对报警点做相应的处理，这给锅炉的安全性带来了隐患。所以，对锅炉的智能改造是很有必要的。智能控制系统将锅炉系统的各个回路联系在一起，只要其中一个参数发生了变化，其他的参数会提前作出相应的变化。在锅炉系统中，首先发生变化的是蒸汽流量，进而使蒸汽压力发生变化，并对汽包液位、炉膛负压产生一定的影响。当系统检测到蒸汽流量发生变化时，会在第一时间内作出一系列的参数调整，以保证蒸汽流量变化后蒸汽压力、炉膛负压及其他参数的稳定。智能控制系统对安全方面也作出了比较全面的技术处理，对一些非重要参数做声光报警并记录，而对一些重要参数，如蒸汽压力的过高、汽包液位的过高、汽包液位的过低、炉膛负压的过高等涉及到安全性时，系统会停炉并伴有报警。当这些安全参数正常时，系统会自动地切除停炉设定，并自动切到智能控制。智能控制系统还会合理地控制燃烧回路，为燃料配置合理的空气量，以保证燃料的充分燃烧，提高锅炉的热效率并避免污染环境。目前，经有关专业部门鉴定，锅炉的灰渣含碳量均低于14，含氧量在8左右，具有相当的水平。1.2燃煤锅炉的锅炉燃烧自动控制锅炉自动控制系统由温度传感器信号放大电路等自动检测各路温度压力等信号，经信号处理、隔离放大、A/D转换后输入计算机运算、判断、分析，发出各控制信号。经MAX518转换后，输出电压通过I2C接口由单片机软件进行控制。控制鼓、引风机和炉排转速，改变鼓、引风量和给煤量。1.燃烧回路燃烧控制又为主汽压力控制回路，简单地说就是系统检测主汽压力的大小，和主汽压力的设定值进行比较，其偏差进行PID运算，运算信号经过伺服放大控制炉排电机转速；同时，给煤信号经过比例运算后控制鼓风风门挡板开度，达到调节鼓风量的目的，有的用户为了提高节能效果，还引入了烟道含氧量作为燃烧的约束条件。2.汽包水位三冲量控制回路通过给水控制，保证锅炉汽包水位维持在一定范围内。如果水位过低，会造成锅炉缺水的故障；水位过高，会引起蒸汽带水和汽包压力过高。一般情况下利用三冲量控制容易达到技术要求，而不需要任何先进控制算法。三冲量指水位，蒸汽流量，给水流量三个测量值。引入蒸汽流量的目的是为了克服虚假水位的影响。当锅炉负荷突然增加时（如用户打开用汽阀），蒸汽流量迅速增加，造成汽包内压力降低。这时，在汽包内部水面的气泡迅速变大，抬高了水位。这就是虚假水位。如果只根据水位控制，则在用汽增加时，进水反而减少。引入蒸汽流量作为前馈，则能在用汽量增加时，提前增加给水，有效地克服虚水现象。PID算法实现三冲量水位自动控制技术,可以将水位控制在设定值10mm范围内,远远高于国家标准。3.炉膛负压控制炉膛负压控制的主要目的之一是保证操作工人的安全，锅炉采用负压燃烧，如果炉膛内压力太大，炉火将从观察孔冒出，危害操作工人人身安全，同时造成环境污染。目的之二为保证系统的经济燃烧。负压太大，随引风流失的热能会增大，不利于经济燃烧，计算机将炉膛负压控制在-5-20Pa范围内，负压控制是通过调整引风机风门开度或风机速度完成的。对于技改系统，如果系统中引风机风门开度不足80%则建议采用控制器控制风量。一是利用控制器调速特性改善风量的控制品质；二是降低风机的电耗，增加改造系统的整体节能效果。引入鼓风量作为前馈，可以在鼓风量变化时提前控制引风量。3自动燃煤锅炉控制器具有如下优点：具有全自动工况控制功能以及手动/自动无扰切换功能,对锅炉实施自动控制使锅炉的压力、温度、水位保持稳定。对锅炉的重要参数,如:蒸汽炉的汽包水位、汽包压力、热水锅炉的出水温度、压力等,进行多重监视,可同时在现场、操纵台显示出来。鼓引风机采用变频控制技术，选用工控机和数字化仪表提高工作稳定性,抗干扰能力强、适合工作在环境恶劣场地,确保锅炉安全可靠运行,节煤,节电.减少劳动强度,改善工作环境,提高工作效率采用自动控制,能使操作者摆脱脏、热、累的工作环境,紧张、繁忙的工作变得轻松自如,操作者只需坐在操纵台前就可对锅炉的运行状况了如指掌,工作效率大为提高。4水系统设备控制功能齐全，多种控制方式可选；操作简单、人性化设计；保护功能齐全，快速有效；使锅炉的运行更加安全可靠；扩展简单方便，满足在系统上的各种控制要求；输入模拟量信号种类多，采用高速数模转换，采集精度高；提供内部实时时钟，精确记录系统时间；可在运行中实时记录锅炉的运行状态、运行参数与故障状态，为分析锅炉的运行效率提供详细的数据；内部集成了自检程序，可检测控制器自身的故障，结果直接显示；采用软硬件多方面抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力.第二章自动燃煤锅炉控制器2.1自动燃煤锅炉控制器的整体设计2.1.1功能要求1温度采集使用2路温度传感器，以保证锅炉的安全运行。2温度数显在控制器面板显示测量与设定温度，温度范围均为099.9，测量温度显示用红色数码管，设定温度用绿色数码管。3温度控制第一次启动时，开机后，测量温度低于设定温度时（099.9），鼓风机运转，1分钟后给煤机自动运行。测量温度达到设定温度后，风机、煤机同时停止，此时，测量水温逐渐降低，低于设定温度10后，风机自动运转，5分钟后煤机自动运行。水泵在水温超过另一设定点时自动运转（设定温度可调）。4循环定时输出测量水温升到设定温度后，风机、煤机停止工作，水泵继续运转。停机时间达到设定时间时，循环定时器启，即20分钟后风机自动运行，风机运行5分钟后，煤机自动运转，风机运转10分钟，煤机运转5分钟后，风机、煤机均停止工作。20分钟后继续按此规律循环。5风机、煤机调速功能调速范围为0额定转速。6煤机超载保护给煤机由于某种原因卡住电机转不动时，风机、煤机全停（超载程度可调）。7报警输出水温升到85时，发出警报声，超温指示灯亮，同时，风机煤机全停，水泵继续运转；水温低于报警温度2时，设备恢复正常运行，报警声停止。当给煤机构由于某种原因使电机超载时（超载程度可调），发出另一种报警声，超载指示灯亮，同时风机煤机全停，水泵继续运转，人工排除故障后，手动复位，重新启动。8复位功能自动复位：停电后20分钟内重新来电时，自动复位，即使设备自动投入运行。手动复位：停电20分钟后重新来电时，发出报警声，通知用户重新点火和启动。9指示灯设风机运行指示灯、煤机运行指示灯、水泵运行指示灯、超载指示灯、超温指示灯、循环定时器指示灯和2路温度传感器温度差值指示灯。2.1.2单片机的选择就本设备的控制要求来说，许多种类的单片机都能胜任。但不同单片机具有不同的特点，比较之下，美国微芯公司的PIC16F877比较适合完成自动燃煤锅炉的控制任务。首先，此系统有许多运行参数需要设定，且掉电后不能丢失，这就需要EEPROM存储器来存储设定参数，许多单片机片内不具有EEPROM存储器，需要外接EEPROM存储器，增加电路的复杂性，而PIC16F877单片机，片内具有256字节EEPROM存储器，能进行10万次擦写，完全满足参数存储的要求，另外HITECH公司的C编译软件有直接读写EEPROM存储器的函数，使用极为方便。其次，PIC16F877内部集成了8路10位A/D转换模块，正好适用于对温度、超载信号转换的模拟量进行A/D转换，无需外接A/D转换芯片。再者，PIC16F877引脚具有较强的电流驱动能力，对于较多的数字量输出控制具有足够的驱动裕量，无需外接驱动电路。还有，由于本控制系统的输入输出量较多（包括数字输入量、控制输入量、指示灯显示、定时器等），光靠单片机本身的管脚明显不够，需加以扩充。扩充I/O可采用并行和串行方法，相比之下，由于该设备对速度要求不高，可采用串行方式，且现在I2C接口芯片品种较多，节省总线资源，而PIC16F877正好具有I2C总线接口，十分适合利用I2C总线方式进行I/O扩充。最后，PIC16F877具有8K字节内存，足以满足本系统的程序对存储器的要求。因此，最终选用了PIC16F877单片机作为该设备的控制核心。2.1.3控制器的总体考虑根据对该控制装置的控制要求，它应需要具备以下几部分电路。1双单片机结构为确保锅炉运行的安全，防止发生温度超限导致锅炉爆炸，控制器采用了双单片机结构。其中一个单片机负责正常的锅炉控制，称为主单片机；另一单片机专门负责锅炉温度超限之后的应对控制，称为从单片机。只要有一个单片机系统能正常工作，就会确保锅炉温度不超过上限值。其工作原理为：负责正常控制的主单片机负责全部控制过程，当温度超过限制时，停止煤机、风机运转（停止加热），启动水泵（降温）从而确保温度不超过上限。如果主单片机不发生故障就可保证锅炉安全，但当其发生故障时，锅炉安全无法保证。为此，增加了一路专门负责温度超限控制的从单片机。这样，当主单片机出现故障时，若从单片机发现温度超限，就会自切断电源（停止加热），从而确保锅炉安全。2温度传感器信号放大电路温度采集使用Cu50温度传感器，温度测量采用电桥结构。输出信号由于有共模电压，采用AD623测量放大器进行差分放大，电路如图2.1所示。图2.1温度信号放大电路3显示键盘电路显示部分要求使用2排LED数码管，上排显示测量温度，下排显示设定温度。设定参数时上排为设定值，下排显示设定参数代号。在此采用2片Philips公司的SAA1064LED数码管驱动器件（每片驱动4个数码管）。SAA1064通过I2C接口与PIC16F877I2C接口连接，接收PIC16F877送来的显示数据。另设6只LED发光管指示锅炉的工作状态（风机、煤机、水泵、循环、超载、超温、温差）。每只LED发光管由2N5551三极管驱动，三极管由Philips公司生产的I2C接口I/O扩展器PCF8574控制。PCF8574具有8路I/O接口，数据传输采用I2C接口总线，便于与PIC16F877连接，节省I/O口线。该设备的操作通过4只按键进行，包括“选择”键、“增加”键、“减少”键和“确认”键。通过“选择”键可选择不同的参数设定功能（在下排LED数码管显示F1F11）。每一功能显示状态下，通过“增加”、“减少”键可修改参数值，但并不记忆，只有按“确认”键后，设定参数方存入EEPROM中。通过反复按“选择”键，可在正常显示及各设定状态之间转换。4只按键与RB1、RB2、RB3、RB4单片机I/O口连接，通过读取相应端口可知是否有键按下，从而进行相应操作。4风机调速电路锅炉鼓风采用直流风机，该风机本身具有PWM调速控制电路，通过调节PWM输入端信号占空比即可调节风机转速（0100%）通过PIC16F877的PWM信号输出端口控制风机控制电路PWM输入端，软件调节信号占空比实现调速。5煤机调速电路给煤机构驱动动电机为直流无刷电机，内部具有调速电路，可调节其输入电压(05V)来控制电机转速，达到控制供煤量的目地。要控制电机控制电路电压输入端电压，单片机需要外接D/A转换电路，在此采用MAX518双路输出D/A转换芯片，其输出电压通过I2C接口由单片机软件进行控制。6煤机超载检测电路为保证给煤电机在机械部分卡住的情况下不因过载而损坏，设置了过载保护电路。由于电机功率不大，电机超载检测电路采用在电路中串联电阻，通过检测电阻上电压从而反映电路中电流的方法，来检测电机的负载情况。其中电压经光电隔离和放大检波后，送入单片机A/D输入端，由单片机判断电机是否超载。由于要检测220V强电的电流大小，电压检测电路中必须使用隔离技术，在此采用光电隔离放大器，由运放TLC2272、光耦PC827及检波电路构成，如图2.2所示。对于数字信号的传输，采用光电耦合器进行隔离没有任何问题。但是由于光电耦合器具有较大的非线性，直接用来传输模拟量时精度较差。因此采用一种精度较高、电路简单的光电隔离传输电路。该电路如图2.3所示，包括2个光电耦合器T1和T2，以及运算放大器A。图2.3光电隔离放大电路7报警电路由NE555芯片及阻、容器件组成约1000Hz的振荡电路直接驱动扬声器，由单片机控制振荡电路的振荡与否。8功率输出控制电路风机、煤机、水泵，以及超限时煤机和风机电源的切断，采用三极管驱动继电器的方法进行控制。三极管由单片机相应输出端来控制。2.1.4控制器的总体方案综合以上考虑，确定出燃煤锅炉控制器的总体结构框图如图2.4所示，程序流程见如图2.5。图2.4燃煤锅炉控制器结构框图图2.5燃煤锅炉控制器程序流程图第三章自动燃煤锅炉控制的组成3.1单片机的选择3.1.1PIC单片机简介美国亚利桑那州Microship公司推出的PIC系列8位微控制器是采用精简指令集RISC(ReducedInstructionSetComputer)结构的高性能的嵌入式微控制器(EmbeddedController)。它采用哈佛（Harvard）双总线以及两级指令流水线结构，具有的高速度、低工作电压、低功耗、强大驱动能力、低价格和OTP(OneTimeProgramming)技术等都体现了单片机工业的新趋势。PIC系列的微控制器在办公自动化设备、消费电子产品、电讯通信、智能仪器仪表、汽车电子、工业控制等不同领域获得了非常广泛的应用。PIC系列单片机的特点1)PIC系列单片机最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的要求是不同的。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。比如，PIC12C508单片机仅有8个引脚，它适用于要求I/O较少、RAM及程序空间不大、可靠性较高的单片机的场合。2)精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛结构总线，使其指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多余8位的数据位数，指令只有30几条，每条指令均为字长12位或14位的单字节指令，大多数指令都是一个周期。这与传统的采用复杂指令集结构的8位单片机相比，可以达到21的代码压缩，使指令的执行速度比一般的单片机要快45倍。3)产品开发容易、周期短，并且能够快速进入市场。PIC单片机采用了RISC指令集，指令少，且全部为单字长指令，易学易用，相对于CISC(复杂指令集)结构的单片机可节省30%以上的开发时间、2倍以上的程序空间。如果采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。4)功耗低。PIC单片机的CMOS设计结合了诸多的节电特性，使其功耗较低。PIC的静态设计可进入睡眠省电状态而不影响任何逻辑变量。工作电源电压有很宽的适应范围，从2.5V6.25V。5)丰富的I/O功能，内部带有13个定时器/计数器，有的还有多达8个通道的8位A/D转换器，两路脉宽调制(Capture/Compare/PWM)，串行通信接口USRT，多达14个中断源。6)低价实用。PIC单片机配备有OTP型、EPROM型、E2PROM型和Flash型等多种形式的芯片，其OTP型芯片的价格很低。7)PIC有优越的开发环境。OTP单片机开发系统具有实时性。PIC在推出一款新型号的同时，推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。8)PIC芯片引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220交流电源，可直接与继电器相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。9)自带内部自振式看门狗定时器，可以提高程序运行的可靠性。10)彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。PIC系列单片机和MCS_51系列单片机的比较总线结构方面MCS_51的总线结构是冯诺依曼结构，计算机在同一个存储空间取指令和数据，两者不能同时进行；PIC的总线结构是哈佛结构，指令和数据空间是完全分开的，一个用于指令，一个用于数据，由于可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐率。正因为PIC系列单片机采用了哈佛双总线结构，因此程序和数据总线可以采取不同的宽度。数据总线是8位的，但指令总线分别为12、14、16位。存储器结构如图3-1：图3-1存储器结构示意图流水线结构方面MCS_51的取指和执行采用单指令流水线顺序结构，即取一条指令，执行完后再取下一条指令；而PIC的取指和执行采用双流水线结构，当一条指令被执行时，允许下一条指令被取出，这样就实现了单周期指令，如图3-2所示：图3-2指令流水线结构示意图寄存器组方面PIC所有的寄存器，包括I/O口，定时器和程序计数器都采用RAM结构形式，而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作；而MCS_51需要2个或2个以上的周期才能改变寄存器的内容。PIC微控制器所具有的优越性能主要归功于它的精简指令集（RISC）和所采用的哈佛（Harvard）结构，它具有分离的程序存储器空间（14位宽指令）和数据存储器空间（位宽数据）。同时可运用两级流水线指令进行取数和执行，除了跳转指令需要两个周期外，其余所有的指令都可在单周期内执行。PIC单片机分离的程序和数据空间可使指令字优化为任意宽度，从而使指令具有单字长的特性，且允许指令码的数据位数多于位，这样，就可达到的代码压缩和的速度。3.1.2选用PIC16F877的原因就本设备的控制要求来说，许多种类的单片机都能胜任。但不同单片机具有不同的特点，比较之下，美国微芯公司的PIC16F877比较适合完成自动燃煤锅炉的控制任务。首先，此系统有许多运行参数需要设定，且掉电后不能丢失，这就需要EEPROM存储器来存储设定参数，许多单片机片内不具有EEPROM存储器，需要外接EEPROM存储器，增加电路的复杂性，而PIC16F877单片机，片内具有256字节EEPROM存储器，能进行10万次擦写，完全满足参数存储的要求，另外HITECH公司的C编译软件有直接读写EEPROM存储器的函数，使用极为方便。其次，PIC16F877内部集成了8路10位A/D转换模块，正好适用于对温度、超载信号转换的模拟量进行A/D转换，无需外接A/D转换芯片。再者，PIC16F877引脚具有较强的电流驱动能力，对于较多的数字量输出控制具有足够的驱动裕量，无需外接驱动电路。还有，由于本控制系统的输入输出量较多（包括数字输入量、控制输入量、指示灯显示、定时器等），光靠单片机本身的管脚明显不够，需加以扩充。扩充I/O可采用并行和串行方法，相比之下，由于该设备对速度要求不高，可采用串行方式，且现在I2C接口芯片品种较多，节省总线资源，而PIC16F877正好具有I2C总线接口，十分适合利用I2C总线方式进行I/O扩充。最后，PIC16F877具有8K字节内存，足以满足本系统的程序对存储器的要求。因此，最终选用了PIC16F877单片机作为该设备的控制核心。其40脚DIP封装如下：3.2显示与键盘功能设计由于显示键盘部分采用8只数码管、7只LED发光二极管指示灯、4只按键，对于这样一种具体应用，如果采用并行接口连接或单片机直接驱动，都将需要大量的单片机I/O口线，为此采用了I2C总线I/O扩展芯片PCF8574和LED驱动芯片SAA1064，这种方式既发挥了PIC16F877具有I2C总线接口的优点，又使得电路的连接变得十分简洁。3.2.1数码管显示电路1LED数码驱动器SAA1064PHILIPS公司生产的I2C总线接口芯片SAA1064是一种四位LED数码管驱动集成电路。该芯片的SCL、SDA引出引脚可直接与单片机的2个输出/输入引脚相连，完成单片机对SAA1064的显示数据加载。SAA1064对输入的显示数据进行锁存，利用其内部的多路开关分时扫描驱动LED数码管显示。SAA1064驱动LED数码管的最高电压可达15V，最大电流可达21mA，且该输出电流可程控，以适应不同的显示亮度。其I2C总线的器件地址为0111。LED数码驱动器SAA1064内部结构如图2.6，外部引脚及其说明图2.7，其封装形式为双列直插式封装。2SAA1064的工作原理和使用说明2.1模拟输入电压寻址端ADR的用法SAA1064通过ADR脚输入不同的模拟电压，以确定其不同的器件地址。这一是有别于其他数字集成电路地址信号的接法。SAA1064规定输入该脚的电压值VEE、38VCC、58VCC、及VCC，分别对应于16进制地址70H、72H、74H、76H（写操作时）和71H、73H、75H和77H（读操作时）。因此在同一I2C总线上最多可并联四片SAA1064。表2.1是ADR引脚电平与引脚地址的对应关系表。图2.6SAA1064内部结构图SAA1064采用24脚DIP和SOT两种封装形式，下图所示为24脚DIP封装的引脚排列。各主要引脚的功能如下：ADR模拟输入电压寻址端；CEXT内部振荡器电容输入端，典型值为2.7nF；MX1多路选择开关输出1；MX2多路选择开关输出2；P1P8段数据输出口1；P9P16段数据输出口2；SDAI2C串行数据线；SCLI2C串行时钟线；VEE地线；Vcc电源，可为4.5V15V图3.6SAA1064外部引脚接线图引脚地址ADR引电平范围读/写操作从地址0A1A0mintypmax（01110A1A0R/W）000VEEVEE3/16Vcc70H/71H0015/16Vcc3/8Vcc7/16Vcc72H/73H0109/16Vcc5/8Vcc11/16Vcc74H/75H01113/16VccVccVcc76H/77H表2.1ADR引脚电平与引脚地址的关系表2.2时钟频率外部电容输入端CEXT为外部控制输入端，当工作于两路复用显示方式时，该端外接一只电容器，用以决定频率；当工作于静态显示方式时，该输入端接VEE或VDD或开路。2.3LED亮度控制SAA1064供给数码管的显示电流来自片内程控电流源。该程控位由控制字节中D6、D5和D4位的状态决定。由于占用了3个控制位，故该电源有8种电流输出，用于控制P1P16段输出脚上的LED数码管的亮度。2.4双路复用输出动态显示方式时，MX1和MX2为复用控制输出端，用以切换2对数码管轮流显示。该轮流导通的频率由CEXT端的电容器大小决定，电路原理图如图2.6，SAA1064的SCL、SDA分别与PIC16F877的RC3、RC4相连，且经上拉电阻接到+5V，而SAA1064的Vcc和数码管的供电电压相同。根据数码管要求的电压决定该电压大小，但最高不能超过+15V。图中数码管要求电压为+5V，且数码管必须为共阳接法。静态显示方式时，1片SAA1064只能驱动2只LED数码管，此时MX1为高电平，MX2为低电平，空着不用。3.通信模式SAA1064与主机之间的通信方式有2种模式：主发送从接收模式和主接收从发送模式。主发送从接收模式（写方式）主发送从接收模式的数据桢格式如图2.8所示。图中，S为起始位，A为从机应答位，P为停止位。图2.8主发送从接收模式数据帧格式其他位说明如下：SLAW位从机地址和写操作字节，格式如图2.9所示。其中A1和A0是芯片地址位，对应ADR引脚上用不同的模拟电平输入表示的2位引脚地址，用以区分多片扩展系统中的不同SAA1064芯片。SUBADR为片内子地址字节，格式如图2.10所示。图中SC、SB和SA构成一个3位的片子地址指针，用以指示将要写入数据的存储单元地址，其地址由片内逻辑可以自动增1。实际存在的物理单元地址只有5个：00H04H，分别作为控制寄存器、数码管1、数码管2、数码管3、数码管4的地址，另外3个地址保留未用。表2.2是子地址表。图2.9从机地址和写操作字节格式图2.10片子地址字节格式表2.2子地址表SCSBSA子地址功能0000000000H控制寄存器0000000101H数码管10000001002H数码管20000001103H数码管30000010004H数码管40000010105H保留未用0000011006H0000011107HCOM为命令控制字节，其访问地址为00H，由SUBADR中的SC、SB、和SA指示，该字节格式如图2.11所示。图中各位的定义如下：C0显示方式选择位：C0=0，为静态方式，即数码管1和数码管2连续亮；C0=1，为动态方式，即数码管1和3与数码管2和4轮流亮。C1数码管1和3暗/亮选择位：C1=0为暗；C1=1为亮。C2数码管2和4暗/亮选择位：C2=0为暗；C2=1为亮。C3测试位：正常工作状态时C3=0;测试时C3=1，这时所有段的LED亮。C4输出电流控制位：C4=0时为0mA；C4=1时为3mA。C5输出电流控制位：C5=0时为0mA；C5=1时为6mA。C6输出电流控制位：C6=0时为0mA；C6=1时为12mA。DATA1-DATA4分别为动态显示方式时，4个LED显示器的段码数据单元的地址分别为01H-04H，2个段输出驱动口的最低有位LSB分别对应于管脚P1和P9。当数据字节中的每一位置“1”时，对应的数码管显示段输出低电平，对于共阳极的数码管对应比划被点亮；反之，则关闭该段比划的LED。主接收从发送模式（读方式）主接收从发送模式的数据珍格式如图12所示。在该模式中，开始是主发送从接收模式，后是从发送主接收模式。图中，S为起始位，A为从机应答位，A为主机应答位，P为停止位。-C6C5C4C3C2C1C0SSLARASTADATAAP图2.11命令控制字节格式图2.12主接收从发送模式的数据帧格式其他位说明如下：SLAR位从机地址和读操作字节，格式如图2.13所示。其中A1和A0是对应ADR引脚上用不同的模拟电平输入表示的2位引脚地址。STADATA为状态字节，实际上该字节只有一位最高位为有效位，被定义为上电复位状态位，(PR-PowerReset)。状态字节格式如图2.14所示。上电后，PR=1；对该位进行一次读操作，就对该位清零。若再对该位进行读操作，当PR=1时，表示在两次读操作期间出现过掉电和加电情况。利用这一功能，可以实现一些与上电有关的操作，例如用此为系统冷和热启动的标志等。01110A1A01PR0000000图2.13从机地址和读操作字节格式图2.14状态字节格式4.数码管显示程序设计利用SAA1064构成的数码管显示电路如图2.15所示。在软件编程时，首先为要显示的每一个数码管分配一个字形代码缓冲单元，上排数码管缓冲单元指定为disp4数组，下排数码管缓冲单元指定为disp14数组。数组内容由转换程序将要显示的数值转换后得到，然后由显示程序送往显示电路。转换子程序：voidconvert1()/上排数码管显示字形转换程序unsignedchartemp4,I,m;sprintf(temp,%4d,dispp);/将dispp中要显示数据转换成/ASCII码字符存于temp4数组中for(i=0;i4;i+)/ASCII字符转换成与其对应的/symbol23数组中的字形数据/放于disp4中if(tempi=0x20)dispi=0x00;elsem=tempidispi=symbolm;if(dot=0)/dot=0显示小数点if(disp2=0x00)disp2=0XBF;elsedisp2=disp2+0x80;voidconvert2()/下排数码管显示字形转换程序unsignedchartemp4,i,m;sprintf(temp,%4d,dispp);for(i=0;i4;i+)if(tempi=0x20)disp1i=0;elsem=tempidisp1i=symbolm;if(dot=0)if(disp12=0x00)disp12=0XBF;elsedisp12=disp12+0x80;显示程序：显示程序通过I2C接口总线将存于disp4及disp14数组中的字形显示数据发往SAA1064进行显示。voidi2cdisp()SEN=1;/启动I2C总线DELAY(100);do;while(SSPIF=0);SSPIF=0;SSPBUF=0X70;/发送上排数码管SAA1064写地址do;while(SSPIF=0);SSPIF=0;SSPBUF=0X00;/发送控制寄存器子地址do;while(SSPIF=0);SSPIF=0;SSPBUF=0X37;/发送控制命令do;while(SSPIF=0);SSPIF=0;SSPBUF=disp0;/发送显示最