單片機教學案例基于18b20溫度控制系統(tǒng)設計

1、 子情境一 設計規(guī)劃 子情境二 溫度控制部分 子情境三 整體設計情境八 基于18b20溫度控制系統(tǒng)設計1.項目任務分析溫度控制系統(tǒng)設計與制作溫度測量溫度顯示溫度調(diào)節(jié)功能設置電源傳感器顯示電路升降溫度按鍵電源電路型號和電路LED或LCD加熱制冷鍵盤電路電源器件 設計課題：設計單片機溫度控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)設計要求完成以下任務： 1、設計系統(tǒng)可自動完成對象的溫度控制任務。 2、當作工廠產(chǎn)品設計，并作為實驗板考慮功能擴展。溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃溫度控制系統(tǒng)設計分為兩大部分組成：1、設計項目的提出和總設計規(guī)劃，單元電路試驗，標準化設計。 經(jīng)過前兩個項目的學習，對單片機基礎知識有了一定的了解，其中顯示、鍵盤

2、、電源、單片機電路設計等有一定的認識，現(xiàn)在難點是溫度傳感受器和加熱制冷部件的設計，另外增加“產(chǎn)品”化設計要求。2、原理圖設計、電路板設計、系統(tǒng)應用程序設計、 溫度控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試， 當?shù)谝徊酵瓿珊筮@些相對容易了，和前面項目工作差不多，只是多花時間完成每一步，當然設計前對不明確的地方還是進行試驗。溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃1.項目任務分析提出項目和任務學生試驗論證老師匯總規(guī)劃實施步驟安裝與調(diào)試項目實施過程理實一體化模式電路和程序設計1.項目任務分析溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃溫度測量精度傳感器安裝位置型號和電路單片機程序經(jīng)AD轉換傳感器數(shù)字傳感器傳感器型號、讀取方法傳感器型號、連接方法單片機接口1.項目任務

3、分析溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃幾位數(shù)字驅動方式電路試驗動態(tài)顯示行列驅動LED驅動電路LCD驅動電路電路試驗溫度顯示顯示電路LED或LCD1.項目任務分析溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃執(zhí)行部件溫度設置控制范圍按鍵個數(shù)加熱器加熱壓縮機制冷鍵盤電路六個按鍵掃描方式功能設置按鍵鍵盤電路1.項目任務分析溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃溫度調(diào)節(jié)升降溫度加熱制冷溫度控制系統(tǒng)設計與制作傳感器溫度顯示溫度調(diào)節(jié)功能設置電源由程序協(xié)調(diào)各部分工作1.項目任務分析溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃2.項目任務分解總體方案和論證 1、溫度控制需用一到兩條線控制加熱和制冷輸出，其驅動可選取可控硅或繼電器，它們的工作電壓都是220V，要求單片機和它們之間加光耦隔離。

4、 2、顯示溫度，用3個數(shù)碼管顯示溫度，采用掃描方式，字驅動要用去7-8條I/O線，位驅動用去3條線。只是設置溫度和實時溫度有可能用兩顯示。 3 、鍵盤處理，用于輸入溫度和校正溫度，需用去26條線。 4 、精確溫度的控制，還是用到北京腔時間，可采用單片機定時器加軟件校時的方法產(chǎn)生，就不占用口線，如果用外接時鐘芯片，當計劃外接串行時鐘芯片DS1302，以防掉電和今后改進設計，就會占用23條口線。 5、溫度傳感器，串行溫度將用13條口線。 溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃 根據(jù)以上要求共約1518條I/O線，考慮采用AT89C2051單片機作核心，其有15條I/O線，P1口四位和74247作數(shù)碼管字顯示驅動，節(jié)

5、省出4條口線，用PNP三極管作位驅動，增加一片24C02作掉電后的數(shù)據(jù)保存。用雙向可控硅驅動功率負載。 由于各器件都可用+5V電源，采用9V變壓器供電，自帶5V穩(wěn)壓電路，這樣一來設計目標基本確定。數(shù)碼管采用DIP插座，加熱和制冷設備采用HB-9500 300V 20A插座，溫度傳感器用SIP4插座，四六個功能鍵，一個復位鍵。采用6 MHz晶振。如有多余的IO口線用于增加可能的其它功能。溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃2.項目任務分解硬件設計 根據(jù)設計要求，采用Protel軟件繪出電路原理圖和PCB電路圖，也可以用其它軟件，注意按鍵、顯示、傳感器等設計成插座，用排線引出主電路板，數(shù)碼管用三位一組電路板，帶符

6、號顯示，按鍵采用薄膜超薄成品，設計圖采用是雙面走線圖，由于電路相對復雜，可能花很多時間了解電路設計參數(shù)，才能設計出這些電路圖。 本次PCB主板采用155CM雙面板布線，在微機上設計好的圖紙經(jīng)電路板廠加工成電路板，按設計圖安裝好元件，進行硬軟件調(diào)試。這里要做的工作很多，由于篇幅的關系從略處理。溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃2.項目任務分解軟件設計 本次軟件設計的難點是傳感器和串行存儲器，精確溫度控制時加熱器還用到加熱算法，它們的編程還需試驗進行理論準備和使用試驗，光傳感器就應進行虛擬仿真試驗、在仿真器上進行讀數(shù)試驗、在成品板上應用試驗，再才使用。這里老師給出了一個主程序框架，由主程序、中斷子程序、子程序三

7、部分組成，用于測試電路，這個程序可完成計時顯示測試，完成了鍵掃描測試，但程序不能用于溫控，要求學習者自力更生編寫程序，并調(diào)試程序、修改程序，或者重新設計程序。也就是說最終的應用程序由大家自己編寫。溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃2.項目任務分解傳感器 在自動控制系統(tǒng)中，通常被控信號是由傳感器檢測得到的模擬電量，其信號幅值隨時間連續(xù)變化。而單片機只能處理數(shù)字信號或脈沖信號。因此，在單片機控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要用到 AD和 DA轉換器。 AD轉換器（ADC）是一種能把輸入模擬電壓變成與它成正比數(shù)字量的器件。常用的ADC按工作原理分為雙積分式AD轉換器和逐次逼近式AD轉換器，雙積分式AD轉換器抗干擾能力較強，逐次

8、逼近式AD轉換器轉換速度較高。 3.項目任務步驟溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃1、傳感器 ADC0809是一種八路模擬電壓輸入的8位逐次逼近式AD轉換器，和單片機的接口很方便。通過該電路及實驗來理解AD轉換器。 ADC0809內(nèi)部結構由八路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、256R電阻網(wǎng)絡、樹狀開關、逐次逼近式寄存器SAR、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成， 2、串行接口A/D轉換器 為了減少擴展接口電路對單片機引腳資源的占用，簡化系統(tǒng)結構，近年來出現(xiàn)了多種串行控制的接口器件，包括：A/D轉換器、D/A轉換器、實時時鐘、LCD顯示驅動器等。串行接口常用的標準有Philips公司的I2C總線，MOTORO

9、LA公司的SPI等。由于一般MCS-51系列單片機上沒有相應接口模塊，擴展時要根據(jù)接口器件要求，用并行口線仿真控制時序。3.項目任務步驟溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃位驅動字驅動247鍵盤6個溫度顯示3+3位數(shù)字傳感器AT89S51單片機加熱與制冷電源溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃4條3-6條1條1或2條1到3條預計電路方框圖3.項目任務步驟串行存儲器溫度控制系統(tǒng)設計與制作加熱制冷功率驅動電路和程序溫度顯示電路LED或LCD和顯示程序單片機系統(tǒng)程序傳感器鍵盤電路和程序電源電路和元器件 課程小結 本課程從項目分析和實施方案研究發(fā)現(xiàn)，接下來的工作是研究溫度傳感器電路、顯示電路、按鍵設置電路、功率驅動電路、單片機程序教

10、學等內(nèi)容、 其中重點和難點是溫度傳感器及其電路、加熱制冷電路及其程序編輯方法等。將用到AD轉換和一些特殊算法的編程技巧。3.項目任務步驟溫度控制系統(tǒng)設計規(guī)劃1. DALLAS公司DS18B20基本參數(shù) DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20、 DS1822，外形如三極管一樣,支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi),精度為0.5C。DS1822的精度較差為 2C ?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，新的產(chǎn)品支持3V的電壓范圍， DS18B20可以程序設定912位的分辨率，精度

11、為0.5C。用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS1822與 DS18B20軟件兼容，是DS18B20的簡化版本。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為2C，是經(jīng)濟型產(chǎn)品。 溫度控制部分 DS18B20內(nèi)部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下:DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。1. DALLAS公司DS18

12、B20基本參數(shù) 溫度控制部分 64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例:用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達，其中S為符號位。1. DALLAS公司DS18B20基本參數(shù) 溫度控制部分 這是12位轉化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特（位）的RA

13、M中，Bit0是最低位,二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于即可得到實際溫度。例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。1. DALLAS公司DS18B20基本參數(shù) 溫度控制部分 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM(數(shù)據(jù)緩沖寄存器)和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結構寄存器。前者暫存存儲器包含了8個連續(xù)字

14、節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是TH、TL的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結構寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計算。第九個字節(jié)是冗余檢驗字節(jié)。該字節(jié)各位的意義如下：TM R1 R0 1 1 1 1 1 如表所示。1. DALLAS公司DS18B20基本參數(shù) 溫度控制部分 該寄存器的低五位一直都是1 ，TM是測試模式位，用于設置DS18B20處在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如下表所示：（DS18

15、B20出廠時被設置為12位）. 1. DALLAS公司DS18B20基本參數(shù) 溫度控制部分 根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放（輸出高），DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，拉低總線，主CPU收到此信號表示復位成功。1. DALLAS公司DS18B20基本參數(shù) 溫度控制部分 DS1820雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接

16、方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： (1)較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用PL/M、C等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)。由于本節(jié)技術復雜性，對一般讀者DS18B20內(nèi)容只作閱讀。 2.溫度傳感器DS1820使用中注意事項 溫度控制部分(2)在DS1820的有關資料中均未提及單總線上所掛DS1820數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應用中并非如此。當單總線上

17、所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時要加以注意。(3)連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產(chǎn)生畸變造成的。因此，在用DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。2.溫度傳感器DS1820使用中注意事項 溫度控制部分2.溫度傳感器DS1820使用中注意事項 溫度控制部

18、分 (4)在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序會進入死循環(huán)。這一點在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。測溫電纜線建議采用屏蔽4芯雙絞線，其中一對線接地線與信號線，另一組接VCC和地線，屏蔽層在源端單點接地.當用和DS18B20相連接時參考程序如下。 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 1000HMAIN: LCALL INIT_18B20 ；調(diào)復位子程序MOV A,#0CCH LCALL WRITE_18

19、B20 ； 跳過讀序列號操作MOV A,#4EH ；寫限制溫度命令LCALL WRITE_18B20 2.溫度傳感器DS1820使用中注意事項 溫度控制部分整體設計1 設計任務與要求一升水由1kw的電爐加熱,要求水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設定,并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整,以保持設的的溫度基本不變.1.1 基本要求1.2 主要性能指標1.溫度設定范圍:4090C,最小區(qū)分度為1 C2.控制精度:溫度控制的靜態(tài)誤差1 C3.用十進制數(shù)碼顯示實際水溫.4.能打印實際測量值1 設計任務與要求整體設計單片機應用技術1 設計任務與要求1.3 擴展功能1.具有通信能力2.采用適當?shù)目刂品椒p小系統(tǒng)的調(diào)

20、節(jié)時間和超調(diào)量3.溫度控制的靜態(tài)誤差0.2 C4.能自動顯示水溫隨時間變化的曲線2 總體論證1.總體方案確定2.確定系統(tǒng)功能,性能指標整體設計2.1 總體方案確定1.控制方案選擇:A 輸出開關量控制B 比例控制(P控制)C 比例積分控制(PI控制)D 比例積分加微分控制(PID控制)2.系統(tǒng)組成:本例將單片機為核心構建控制應用系統(tǒng)2 總體論證整體設計2.2 確定系統(tǒng)功能,性能指標本系統(tǒng)具備的功能:1.可以進行溫度設定,并自動調(diào)節(jié)水溫2.可以調(diào)整PID控制參數(shù),滿足不同的要求3.可以實時顯示給定溫度與水溫實測值4.可以打印給定溫度和水溫實測值本系統(tǒng)主要性能指標如下:1.溫度設定范圍:4090 C

21、,最小區(qū)分度為1 C2.溫度控制靜態(tài)誤差1 C3.雙3位LED數(shù)碼管顯示4.采用微型打印機打印2 總體論證整體設計3 系統(tǒng)設計1 軟,硬件功能劃分2 系統(tǒng)功能劃分,指標分配和框圖構成整體設計3 系統(tǒng)設計3.1 軟,硬件功能劃分1.速度估算 經(jīng)計算得到:在不考慮容器熱容量和環(huán)境溫度影響的情況下,用1kw電爐加熱1升水并使水溫上升1k所需的時間為4.186s,由此可見,對于指令執(zhí)行時間極其短的單片機系統(tǒng)來說,控制速度幾乎沒有任何限制.2.軟、硬件功能劃分 硬件主要功能：溫度信號的傳感,放大,A/D轉換 及輸出信號的功率放大. 軟件主要功能：PID運算,輸入信號濾波,大部分 控制過程.整體設計3 系

22、統(tǒng)設計系統(tǒng)功能劃分,指標分配和框圖構成傳感器信號放大A/D電爐功率放大單片機基本系統(tǒng)鍵盤顯示微型打印機系統(tǒng)組成方框圖整體設計輸入通道硬件線路設計4 硬件開發(fā)硬件電路設計與制作整體設計輸出通道硬件線路設計4 硬件開發(fā)硬件電路設計與制作整體設計人機對話通道整體設計1.單片機基本系統(tǒng)調(diào)試2.人機通道調(diào)試3.前向通道調(diào)試4.后向通道調(diào)試4 硬件開發(fā)硬件電路的調(diào)試整體設計1、單片機基本系統(tǒng)調(diào)試A 晶振電路B 復位電路C 電源4 硬件開發(fā)硬件電路的調(diào)試整體設計人機通道調(diào)試A LED顯示B 鍵盤輸入4 硬件開發(fā)硬件電路的調(diào)試整體設計前向通道調(diào)試A 靜態(tài)工作點調(diào)整B A/D轉換器調(diào)試4 硬件開發(fā)硬件電路的調(diào)試整體設計后向通道調(diào)試A 靜態(tài)調(diào)試B 動態(tài)調(diào)試4 硬件開發(fā)硬件電路的調(diào)試整體設計5 軟件開發(fā)1 確定輸入/輸出關系、數(shù)學模型和算法2 劃分程序模塊,編寫程序流程圖3 編寫程序并翻譯成目標程序4 軟件調(diào)試整體設計5 軟件開發(fā)5