项目14温度控制器课件

项目14温度控制器信息工程系项目14温度控制器主要内容模数与数模转换温度传感器用C51编写控制程序的基本方法用Proteus实现单片机控制温度控制器的仿真用Keil软件进行单片机控制程序的调试项目14温度控制器学习目标了解单片机应用系统设计方法及开发工具。掌握用C51编写控制程序的基本方法。掌握用单片机实现温度控制的方法。项目14温度控制器教学重点和难点温度传感器及应用ADC与DAC的应用教学方法讲授法、演示法教学学时6课时应用系统设计14.1ADC与DAC14.2温度传感器AD590及应用14.3空调机温度控制系统14.4仿真实验本章小结习题

模拟信号：一种连续性信号。例如：温度、速度、电压、电流、压力等数字信号：一种非0即1的离散性信号，通常有TTL和CMOS两种电平。单片机系统中凡是遇到有模拟量的地方，就要进行模拟量向数字量、数字量向模拟量的转换，也就要涉及到单片机的数/模(D/A)和模/数(A/D)转换的接口技术。14.1ADC与DAC14.1.2DAC数模转换是将数字信号转换成模拟信号。数/模转换主要用于将单片机的数字量输出转化为实际的模拟量控制外接设备。

一般DAC是由电阻网络所构成的，常见的数模转换电路有：加权电阻网络R-2R电阻网络DA转换的IC有很多：按输入的二进制数的位数分类，有八位、十位、十二位和十六位等。按输出是电流还是电压分类，分为电压输出器件和电流输出器件。

我们教学常用的有DAC08321.D/A转换器的技术指标有关D/A转换器的技术性能指标很多，例如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类(二进制或BCD码)等。D/A转换器与接口有关的技术性能指标：分辩率。数/模转换的分辩率是指最小输出电压(对应的输入二进制数为1)与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比。例如8位数的分辨率为1/256≈0.004，10位数分辨率为1/1024，约等于0.001。由此可见数字量位数越多，分辨率也就越高。分辨率通常用数字输入信号的位数表示，有8位、10位、12位等。14.1.2DAC14.1.2DAC1.D/A转换器的技术指标建立时间。也称稳定时间，它是指从数字量输入到建立稳定的输出电流的时间，是描述D/A转换速率的一个重要参数。转换精度。由于转换器内部的误差等原因，当送一个确定的数字量给DAC后，它的实际输出值与该数值应产生的理想输出值之间会有一定的误差，它就是D/A转换器的精度。

14.1.2DACDAC0832引脚的功能定义如下：DI7～DI0：8位的数据输入端，DI7为最高位。IOUT1

：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。IOUT2

：模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1+IOUT2=常数。RFB：反馈电阻引出端，DAC0832是电流输出，为了取得电压输出，需在电压输出端接运算放大器。DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。VREF

：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10～-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。VCC：芯片供电电压，范围为(+5～15)V。AGND：模拟量地，即模拟电路接地端。DGND：数字量地。14.1.3DAC应用实例DAC0832有三种不同的工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。直通方式的接口与应用当ILE接高电平，CS、WR1、WR2和XFER都接数字地时，DAC处于直通方式，8位数字量一旦到达DI7～DI0输入端，就立即加到8位D/A转换器，被转换成模拟量。DAC0832直通方式输出连接图如下图所示。运放U3输出电压为UOUT=-(D/256)*VREF，图中如果向DAC0832传送的8位数据量为40H(01000000B)，则输出电压UOUT=-(64/256)*5V=-1.25V(反相)，其输出过程可用“MOVP0，#40H”一条指令完成。

14.1.3DAC应用实例【例】

直通方式产生锯齿波电压信号(波形如下图所示)。解：电路如下图所示。集成运放在电路中的作用是把DAC0832输出电流转换为电压。即实现电流电压转换。锯齿波电压信号随时间变化而上升，达到最大值后，又从0开始上升，再到最大值如此循环下去。因此，只要让DAC0832输入的数字量也如此变化就可使输出端输出锯齿波。14.1.3DAC应用实例对锯齿波的产生作如下说明：①程序每循环一次，(R0)加1，因此实际上锯齿波的上升沿是由256个小阶梯构成的。但由于阶梯很小，所以看上去就如上图所表示的线性增长锯齿波。②延迟时间不同，波形周期不同，锯齿波的斜率就不同。参考程序如下：

ORG0000H MOVR0,#0;置转换初值DAC:MOVP0,R0;送数据到P0口,DAC0832同时进行转换 INCR0;转换数字量加1,当加到最大值0FFH时,再加1,R0变为0 ACALLDELAY ;延时量决定锯齿波周期 AJMPDACDELAY:……(略) END14.2温度传感器AD590及应用AD590体积小、使用方便的温度传感器。AD590有三只引脚，通常只使用其中的两只引脚，其特性为：它有非常好的线性输出性能，输出的电流与开氏温度成正比。温度每增加1℃，其电流增加1uA。开氏温度0时输出0A，开氏温度每上升1度电流增加1uA。开氏温度等于摄氏温度加273.有效温度感测范围为-55~150摄氏度。可采用的电源范围为4~30V。最简单的AD590接口是串接一个10K欧的电阻再接地，即可产生10*（273.2+T摄氏度）mV，这个电压先经一个运算放大器所组成的缓冲器，以避免负载效应。AD590温度与电流的关系如下表所示：摄氏温度AD590电流经10KΩ电压0℃273.2uA2.732V10℃283.2uA2.832V20℃293.2uA2.932V30℃303.2uA3.032V40℃313.2uA3.132V50℃323.2uA3.232V60℃333.2uA3.332V100℃373.2uA3.732V14.3空调机温度控制系统1.设计要求用MCS-51单片机设计一个空调机的温控系统。具体要求如下：实时测量环境温度，并显示当前温度值。当室温度高于设定温度，压缩机运转，使室温降低。当室温低于设定温度，压缩机停止运转。温度设定功能，通过按键输入压缩机启停的温度设定值。设定温度过程中显示设定温度值，以便于操作。设定完毕后，改为显示当前测定温度值。14.3空调机温度控制系统2.总体方案(1)系统设计根据设计要求，设计出温度控制系统的基本结构框图如下图所示。系统由四个主要功能模块组成：温度测量、按键输入，数码显示以及控制压缩机启停模块。温度测量模块的主要功能是将环境温度转化为电参数(电压)，并通过A/D转换得到数字量送入单片机。按键输入模块主要功能是实现设定温度值的输入。LED显示模块主要功能是显示当前环境温度值。因空调对温度精度要求不高，本例只要求显示两位整数的温度值。压缩机控制模块主要功能是单片机根据环境温度与设定温度的比较结果送出开关信号、控制压缩机的启停。14.3空调机温度控制系统2.总体方案(1)系统设计

温度控制系统的基本结构框图14.3空调机温度控制系统3.硬件设计系统的硬件电路包括主机、温度控制、压缩机的控制、按键及显示5个部分，系统硬件电路原理图如下图所示。

温度控制系统电路原理图14.3空调机温度控制系统4.软件设计(1)系统资源分配内部RAM分配情况。(2)软件设计流程主要包括5个模块：主程序按键设定温度模块十进制调整和数据转换模块控制模块显示模块

主程序流程图14.3空调机温度控制系统5.系统调试与脱机运行完成了硬件设计、制作和软件编程之后，要使系统能够按设计意图正常运行，必须进行系统调试。系统调试包括硬件调试和软件调试两个部分，软硬件的调试是不可能绝对分开的，硬件的调试常常需要利用调试软件，软件的调试也可能需要通过对硬件的测试和控制来进行。

14.4仿真实训（一）实验内容设计一个ADC0808与单片机的接口电路，并编写相应的应用程序，以实现将一路模拟量转换成数字量，并将该数字量换算成模拟量电压值在两位LED数码管上显示出来（LED显示方案参照动态显示）。测量精度为0.1V,晶振频率为6MHz。实验电路图参考程序ORG0000HAJMPSTARTORG000BHAJMPTT0ORG0030HSTART:MOVSP,#50HMOVA,#0MOV30H,AMOV31H,AACALLDISPMOVTMOD,#01H MOVTL0,#0F0H MOVTH0,#0D8H MOVIP,#02H MOVIE,#82H SETBTR0MOVDPTR,#7FF8H;启动AD转换MOVX@DPTR,A

LOOP:NOPACALLDISPSJMPLOOPTT0:PUSHACCPUSHDPHPUSHDPLMOVTL0,#0F0H MOVTH0,#0D8H MOVDPTR,#7FF8H MOVXA,@DPTR MOVB,#51 DIVAB MOV31H,A MOVA,B MOVB,#5 DIVAB MOV30H,A MOVDPTR,#7FF8H;启动AD转换MOVX@DPTR,APOPDPLPOPDPHPOPACCRETIDISP:MOVDPTR,#DISPTABMOVA,30H MOVCA,@A+DPTR MOVP1,A CLRP3.4 ACALLDEL1MS NOP MOVA,#0FFH MOVP1,A SETBP3.4MOVA,31H MOVCA,@A+DPTR ANLA,#7FH MOVP1,A CLRP3.5 ACALLDEL1MS MOVA,#0FFH MOVP1,A SETBP3.5 RETDEL1MS:MOVR6,#125DEL:NOPNOPDJNZR6,DEL RETDISPTAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H;0,1,2,3,4,5DB82H,0F8H,80H,90H,8CH,0FFH;6,7,8,9,P,灭 ENDPROTEUS软件的实验方法

1.新建设计文件、设置图纸尺寸、设置网格、保存设计文件。文件名为“signal”。2.选取元器件。AT89C51（单片机）、CRYSTAL(晶振)、CAP(电容)、CAP-ELEC(电解电容)、RES(电阻)、ADC0808,74LS373,74LS02,7SEG-MPX2-CA\POT-LIN。3.放置元器件、编辑元器件、放置终端、连线。按图4-2所示放置元器件并连线。4.设置元器件属性并进行电气规则检测。先右击再单击各元器件，按图4-2所示设置元器件的属性值。单击“工具”→“电气规则检查”，完成电气检测。5.添加源程序、编辑源程序、编译源程序。源文件名为“signal.asm”。6.加载目标代码文件。“ClockFrequency”栏中的频率要设为6MHz。7.仿真。单击仿真工具栏“运行”按钮，单片机全速运行程序。14.4.2实训步骤keil软件的实验方法1.新建工程文件，选择单片机型号为Atmel的89c51。2.建立源文件，加载源文件（右击工程窗口中的sourcegroup1，在弹出的快捷菜单中选择“增中文件到组sourcegroup1”），汇编源文件扩展名为.asm，C源程序文件扩展名为.C。3.设置工程的配置参数。（在工程窗口中右击target1，在弹出的快捷菜单中选择“设置目标target1的属性”），设置“目标”标签页的晶振频率设置，以及“输出”标签页的“生成HEX文件“选择框选中。4.进行编译和链接。5.进入调试模式。6.全速运行程序。14.4.3实训分析与思考一、实训分析 1.分析实验参考电路中ADC0808是如何与单片机实现接口的。 2.分析参考程序中是如何将数字量转换成模拟量电压值并通过LED显示出来。 3.分析本实验中隔多长时间对模拟量采样一次？即采样频率是多少？二、实训思考 1.ADC0808的时钟频率采用的是标准时钟500KHz，是否可改用单片机ALE引脚上的脉冲，为什么？ 2.若不用ADC0808，改用ADC0809是否可实现相同功能？为什么？14.4仿真实训（二）实验内容设计一个利用DS18B20与单片机构成的温度控制系统。并编写相应的应用程序，实现将利用ds18b20采集到得温度读入到单片机再通过四只数码管显示出来（LED显示方案参照动态显示）。晶振频率为12MHz。温度传感器DS18B20DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现９～１２位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；零待机功耗；温度以９或１２位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作DS18B20采用３脚PR－35封装或８脚SOIC封装。其内部结构框图如图所示。C64位ROM和单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器VddI/ODS18B20的测温原理器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器１；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器２的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将－55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器１、温度寄存器中，计数器１和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。减法计数器１对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器１的预置值减到０时，温度寄存器的值将加１，减法计数器１的预置将重新被装入，减法计数器１重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到０时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。芯片说明64位ROM的结构开始８位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后８位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。温度报警触发器ＴＨ和ＴＬ，可通过软件写入户报警上下限。DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为８字节的存储器。头２个字节包含测得的温度信息，第３和第４字节ＴＨ和ＴＬ的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第５个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3所示。低５位一直为１，ＴＭ是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为０，用户要去改动，R1和Ｒ0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。表1DS18B20温度转换时间表由表1可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存ＲＡＭ的第６、７、８字节保留未用，表现为全逻辑１。第９字节读出前面所有８字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第１、２字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。当符号位Ｓ＝０时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位Ｓ＝１时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表2是一部分温度值对应的二进制温度数据。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TＬ字节内容作比较。若Ｔ＞TH或T＜TL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。温度/℃二进制表示十六进制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.51111111111110000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H表2是一部分温度值对应的二进制温度数据系统对DS18B20的操作需注意由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作按协议进行。操作协议为：初使化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

DS18B20温度传感器与单片机的接口电路

DS18B20可以采用两种方式供电：一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，如单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时VDD端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。典型电路实验报告要求1.实验内容2.参考程序——包括地址、机器码、源程序。3.实验步骤——写出每个步骤的名称4.实验分析5.实验思考理论作业要求理论教材P272第5、6题本章小结主要围绕单片机应用系统开发为核心展开。首先，对单片机应用系统开发作一简要介绍。让读者对开发过程、开发环境、工具有初步的了解。然后，分别介绍组成单片机应用系统的四大模块技术：键盘、显示、数模转换、模数转换。最后介绍两个实用性较强的单片机应用系统实例。一个按键实际上就是一个开关。多个按键组合在一起就构成键盘，键盘可分为独立式键盘和矩阵式(也叫行列式)键盘两种，MCS-51可方便地与这两种键盘接口。独立式键盘配置灵活，软件识别简单，但占用I/O口线多，不适合较多按键的键盘。矩阵式键盘占用I/O口线少，节省资源。矩阵式键盘一般采用扫描方式识别按键，软件设计相对复杂，但只要学会调用本章实例所提供的子程序，用起来就很简单。使用机械式按键时，应注意去抖。

本章小结与单片机接口的常用显示器件分为LED和LCD两大类。LED显示器可分为LED状态显示器(发光二极管)、LED七段显示器(数码管)、LED十六段显示器和LED点阵显示器(大屏幕显示)。重点介绍了MCS-51单片机与LED七段显示器的接口技术，所列实例介绍了常用的显示技术。包括一位LED静态显示、多位LED静态显示、多位LED动态显示等的原理与编程。LCD显示可分为笔段型、字符型和点阵图形型。不含控制器的LCD还需另外选配相应的控制器和驱动器才能工作。本章介绍了最常用的笔段型LCD数码显示技术。液晶显示模块是把显示控制器、驱动器用厚膜电路做在显示模块印刷底板上，只需通过控制器接口外接数字信号即可；用起来比较容易方便。电子市场上有品种众多的液晶显示模块。使用时读者可到网上查阅相关资料。

本章小结A/D和D/A转换器是计算机与外界联系的重要途径。本章介绍了D/A转换芯片DAC08