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温度控制系统
合肥学院
计算机科学与技术系
微机原理与接口技术
课程设计报告
2008~2009学年第1学期
课程
微机原理与接口技术
课程设计名称
温度控制系统
学生姓名
严世鑫
学号
0604031044
专业班级
网络工程专业<1>班
指导教师
张向东教授
2009年2月
1、题义分析与解决方案
1.1题义与需求分析
1设计并开发能检测温度信号,并能产生报警信号的系统;
2能判断所检测的温度值是否越界;
3若温度值低于25摄氏度则发光二极管报警,若温度高于35摄氏度则蜂鸣器报警
1.2解决问题的方法与思路
1.2.1硬件部分
实验采用:
温度传感器DS18B20用于检测温度值,可编程并行接口芯片8255一片,七段LED显示器,发光二极管一只,蜂鸣器一个。
1.2.2软件部分
①首先要对8255进行初始化设计,设置8255的工作方式并确定8255的端口地址;
②将温度界限值在LED上显示出来;
③启动DS18B20,发出温度检测命令,将温度值在LED上显示出来;
4把测得的温度值和界限值相比较,若不在25-35摄氏度则进行声光报警。
2、硬件设计
2.1可编程并行接口芯片8255A
2、硬件设计
2.1可编程并行接口芯片8255A
2.1.18255A的作用
利用8255A将界限值和温度值通过LED显示出来,同时8255A的PC0与DS18B20相连,向其发出温度检测命令及接受温度数据,PC5和蜂鸣器相连,PC4口与发光二极管相连,用于声光报警。
2.1.28255A的功能分析及技术参数
8255A是可编程并行接口,内部有3个相互独立的8位数据端口,即A口、B口和C口。
三个端口都可以作为输入端口或输出端口。
A口有三种工作方式:
即方式0、方式1和方式2,而B口只能工作在方式0或方式1下,而C口通常作为联络信号使用。
8255A的工作只有当片选CS效时才能进行。
而控制逻辑端口实现对其他端口的控制。
图2-18255A的内部框图
标识符
最小
最大
测试条件
输入低电平(VIL)
-0.5V
0.8V
输入高电平(VIH)
2.0V
5V
输出低电平(VOL)DB
0.45V
IOL=2.5mA
输出低电平(VOL)PER
0.45V
IOL=1.7mA
输出高电平(VOH)DB
2.4V
IOH=-400μA
输出高电平(VOH)PER
2.4V
IOH=-200μA
驱动电流
-1.0mA
-4.0mA
REXT=750Ω,VEXT=1.5V
供应电流
120mA
IIL(INPUTLOADCURRENT)
±10μA
VIN=0V~5V
IOFL(OUTPUTFLOATLEAKAGE)
±10μA
VOUT=0.45~5V
表2-18255A的技术参数表
参数说明:
输入最低电压:
min=-0.5V,max=0.8V
输入最高电压:
2.0V
输出最低电压:
0.45V
输出最高电压:
2.4V
2.1.38255A的方式控制字
D7D6D5D4D3D2D1D0
1
0
0
0
1
0
0
1
1:
工作方式A口方式0输出B口方式0输出
C口高4位输入C口低4位输入
图2-28255A的方式控制字表
1方式0的工作特点:
是这种方式通常不用联络信号,不使用中断,三个通道中的每一个都有可以由程序选定作为输入或输出。
2通道的功能为:
两个8位通道:
通道A和B。
两个四位通道:
通道C高4位和低四位,任何一个通道可以作输入/输出,输入是不锁存的,输出是锁存的,在方式0时各个通道的输入/输出可有16种不同的组合。
D7D6D5D4D3D2D1D0
0
X
X
X
写入位编码
写入内容
写入位编码0写入0
D0-D7000-1111写入1
图2-38255A的置位/控制字表
2.2.DS18B20温度传感器
2.2.1DS18B20温度传感器的作用
利用温度传感器检测温度,并转换为数字量和设定的界限值比较。
2.2.2DS18B20的功能特点
DS18B20可编程温度传感器有三个管脚。
GND为接地线,DQ为数据输入输出接口,通过一个较弱的上拉电阻与CPU相连。
VDD为电源接口,既可由数据线提供电源,又可由外部提供电源,范围3.0—5.5V。
本系统中使用外部电源供电。
其主要特点为:
①用户可以自行设定报警上下限温度值;
②不需要外部组件,能测量-55—+125°C范围内的温度;
③在-10—+85°C范围内的测温准确度为±0.5°C;
④通过编程可以实现9—12位的数字读数方式,可在至多750MS内将温度转换成12位数字,测温分辨率可达到0.0625°C;
⑤独特的单总线接口方式,与微处理器连接时仅需要一条线既可实现和微处理器的双向通讯。
图2-4DS18B20内部结构图
DS18B20的内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,配置寄存器。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
2.2.3DS18B20的测温原理和技术参数
DS18B20的测温原理:
图2-5DS18B20的测温原理图
DS18B20的测温原理如图所示,图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震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。
图中还隐含着计数门,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后进行计数,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 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器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2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值,这就是DS18B20的测温原理。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
表
2-2DS18B20温度值格式表
这是12位转化后得到的12位数据,存储在18B20的两个8比特的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
DS18B20的存储器:
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
暂存存储器包含了8个连续字节,前两个字节是测得的温度信息,第一个字节的内容是温度的低八位,第二个字节是温度的高八位。
第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝,第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝,这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第六、七、八个字节用于内部计算。
第九个字节是冗余检验字节。
该字节各位的意义如下:
TMR1R011111
低五位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率,如下表所示:
(DS18B20出厂时被设置为12位)
分辨率设置表:
表2-3分辨率表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
根据DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位,复位成功后发送一条ROM指令,最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待16~60微秒左右,后发出60~240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。
2.3蜂鸣器
2.3.1蜂鸣器的作用
在本实验中,蜂鸣器用作声音报警。
2.3.2蜂鸣器的功能
蜂鸣器是将电能转化成声能,并将声能辐射到空气中去的一种电声转换器件。
2.3.3蜂鸣器的技术参数
图2-6蜂鸣器内部结构图
它一般包括灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性、失真、音质听感评价等。
本实验电压范围为0-5V。
2.4发光二级管
2.4.1发光管的作用
对超过界限的温度值进行发光报警。
2.4.2发光管的物理构造
发光管,采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成,其内部结构为一个PN结,具有单向导电性。
2.4.3发光管的工作原理
当在发光二极管PN结上加正向电压时,PN结势垒降低,载流子的扩散运动大于漂移运动,致使P区的空穴注入到N区,N区的电子注入到P区,这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合,复合时产生的能量大部分以光的形式出现。
2.4.4发光管的技术参数
发光管的压降一般为1.5—2.0V,其工作电流一般取10—20mA为宜。
2.5七段LED显示器
2.5.1七段LED显示器的作用
本次设计需要用到LED显示器显示预设的温度界限值以及测定的温度值。
2.5.2七段LED显示器功能分析
七段LED显示器可以控制在哪几个数位上,哪几个发光二极管亮,从而显示数字。
其工作原理:
如果发光二极管共阳极,则输入为0时亮,为1时不亮,反之如果发光共阴极,则输入1时亮,0时不亮。
发光二极管时一种外加电压超过额定电压时发生击穿,并因此能产生可发光的器件,数码显示器通常由多个发光二极管来组成七段或八段笔画显示器,当段组合发光时,便会显示某一个数码管或字符,七段代码的各位用作a—g和DP的输入
2.5.3七段LED显示器技术参数
表2-4LED显示的技术参数
PCW
LF
Vr
Ir
If
p
对应变量
散射颜色
BT235
70
25
5
≥1.5
≤2.5
200
SEL-10
红
BT144
100
40
5
≥0.5
≤2.5
565
绿
BT134
100
40
5
≥0.5
≤2.5
585
蓝
主要参数:
此时的驱动电流为25mA。
2.5.4七段LED显示器内部结构
图2-7LED显示器内部结构
2.5.5七段LED显示器真值表
表2-5LED真值表
定义的十六进制
发光二极管
显示的数字
3FH
00111111
0
06H
00000110
1
5BH
01011011
2
4FH
01001111
3
66H
01100110
4
6DH
01101101
5
7DH
01111101
6
07H
00000111
7
7FH
01111111
8
6FH
01101111
9
77H
01110111
A
7CH
01111100
B
46H
01000110
C
5EH
01011110
D
7BH
01111011
E
71H
01110001
F
本试验主要使用了DS18B20,8255,七段LED显示器以及发光二极管和蜂鸣器。
其中DS18B20用来进行温度的采集,8255是用来接受DS18B20采集的温度,并将其转换成十进制温度完成输出的工作,七段LED显示器是将8255输出的数据进行显示(显示的时候输出一位小数值),发光二极管和蜂鸣器是对越界温度值产生报警信号。
8255的PA口和PB口分别作为七段LED显示器的段选和位选,可以把界限值和温度值通过LED显示。
8255的PC口的PC0和DS18B20相连,PC4和发光二极管相连PC5口和蜂鸣器,控制系统进行声光报警。
2.6硬件总逻辑图及说明
本试验主要使用了DS18B20,8255,七段LED显示器以及发光二极管和蜂鸣器。
其中DS18B20用来进行温度的采集,8255是用来接受DS18B20采集的温度,并将其转换成十进制温度完成输出的工作,七段LED显示器是将8255输出的数据进行显示(显示的时候将温度界限值和当前测得的温度以十进制的形式输出,在输出的时候要求将温度上限值和温度下限值同时显示在LED上,并且在显示当前温度时保留以为小数),发光二极管和蜂鸣器是对越界温度值产生报警信号。
8255的PA口和PB口分别作为七段LED显示器的段选和位选,可以把界限值和温度值通过LED显示。
8255的PC口的PC0和DS18B20相连,PC4和发光二极管相连,PC5口和蜂鸣器,控制系统进行声光报警。
图2-8硬件总逻辑图
3、控制程序设计
3.1控制程序设计思路说明
由于DS18B20采用串行数据传送和单总线数据传输方式,其数据输入输出都由同一条线完成。
因此,对读写的操作时序要求严格。
为了保证DS18B20有严格的读写时序,需要做较精确的延时。
在操作中用到的延时有15us,90us,270us,540us等,可以在程序设计时用延时子程序来读写延时操作。
首先对8255初始化,将8255的C口清零,防止刚开始就报警,A口用于LED的段选,B口用于LED的位选。
启动DS18B20开始温度检测,发出温度转换命令,通过8255的PC0按位传输到DS18B20,再把测量的温度值按位暂存在寄存器AX中,并且将温度存入变量TEMP中。
在将温度显示的时候将温度分成两部分,界限温度和当前测得的温度。
界限值分为温度上限和下限,将其同时用LED显示出来,在显示当前测得的温度时,分成整数部分和小数部分,首先AX中存储的温度的高十二位清零,剩下的为小数位,将其右移四位(相当于除以16),并且将余数送显。
再将TEMP中存储的温度放入AX中,将整数送显。
并将DS18B20测得的温度与预先设定好的温度界限值进行比较,如果大于温度上限测蜂器发出声音报警,若测得的温度小于温度下限值则发光二极管发光,光报警。
3.2程序主流程图
Y
N
Y
N
报警程序流程
3.3控制程序
.MODELTINY
PCIBAR3EQU1CH;8位I/O空间基地址(它就是实验仪的基地址,也为DMA&32BITRAM板卡上的8237提供基地址)
Vendor_IDEQU10EBH;厂商ID号
Device_IDEQU8376;设备ID号
.STACK300
.DATA
IO_Bit8_BaseAddressDW?
msg0DB'BIOS不支持访问PCI$'
msg1DB'找不到StarPCI9052板卡$'
msg2DB'读8位I/O空间基地址时出错$'
Con_8255DW00F3H
PC_8255DW00F2H
PB_8255DW00F1H
PA_8255DW00F0H
TABDB3Fh,06h,5Bh,4Fh,66h,6Dh,7Dh,07h,7Fh,6Fh,77h,7Ch,39h,5Eh,79h,71h
TAB2DB0BFH,086H,0DBH,0CFH,0E6H,0EDH,0FDH,087H,0FFH,0EFH
LIMIT_1DW0190H
LIMIT_2DW0140H
TEMPDW?
NUMDW?
DATA_1DB0FEh
.CODE
START:
MOVAX,@DATA
MOVDS,AX
MOVES,AX
NOP
CALLInitPCI
CALLModifyAddress;根据PCI提供的基地址,将偏移地址转化为实地址
CALLInit8255;初始化8255
;********************************
;主函数
;********************************
MAIN:
CALLSTART_Temperature;向DS18B20发送读温度指令
calldelay
CALLRD_Temperature;读出温度值,并转换为BCD码
MOVTEMP,AX
CALLDISPLAY_DATA;调用显示温度的函数
MOVAX,TEMP;将从DS18B20读取的温度存入AX中
CMPAX,LIMIT_1;将温度与上限值比较
JNBMAIN_1
CMPAX,LIMIT_2;将温度与下限值比较
JNAMAIN_2
JMPMAIN
MAIN_1:
CALLALARM;调用蜂鸣器报警子程序
JMPMAIN
MAIN_2:
CALLLED;调用二极管报警子程序
JMPMAIN
;********************************
;温度转换/显示
;********************************
DISPLAY_DATAPROCNEAR
;********************************
;显示从DS18B20中读取的温度值
;********************************
STEP_1:
movax,TEMP;将存于TEMP中的温度读入AX中
movdx,PA_8255;从PA口读取数字量实现位选
movbl,10
andax,000fh;AX前12位清0
mulbl
movbl,16
divbl;al为显示的数值0-9
calllay;调用显示带小数点的数的子程序
movcl,4
movax,TEMP
shrax,cl;乘以0.0625,相当于除以16,右移四位
next1:
movdx,0
movbx,10
divbx
movnum,ax;商在ax中
moval,dl;余数在dl中,并送显示
calllay1
movax,num
movcx,2
next11:
movax,num
movdx,0
movbx,10
divbx
movnum,ax;商在ax中
moval,dl;余数在dl中,并送显示
calllay
movax,num
loopnext11
;********************************
;显示温度下限值
;********************************
STEP_2:
movcl,4
movax,LIMIT_2
shrax,cl;乘以0.0625,相当于除以16,右移四位
movcx,2
next2:
movdx,0
movbx,10
divbx
movnum,ax;商在ax中
moval,dl;余数在dl中,并送显示
calllay
movax,num
loopnext2
;********************************
;显示温度上限值
;********************************
STEP_13:
movcl,4
movax,LIMIT_1
shrax,cl;乘以0.0625,相当于除以16,右移四位
movcx,2
next13:
movdx,0
movbx,10
divbx
movnum,ax;商在ax中
moval,dl;余数在dl中,并送显示
calllay
movax,num
loopnext13
STEP_3:
decbp;BP栈底指针
cmpbp,0h
JEDISP;循环显示转换后的数字量,使人眼感觉不到动态
JMPNEARPTRDISPLAY_DATA
DISP:
RET
DISPLAY_DATAENDP
;********************************
;整数的LED显示函数
;********************************
LAYprocnear
movbx,offsetTab;取TAB的偏移地址
xlat;经代码表转换为七段LED的段码中
movdx,PA_8255;从8255A的a口读取数字量,段选
outdx,al
moval,DATA_1;七段LED的位选,选取最低位,位选
movdx,PB_8255;b口位选
outdx,al;显示
ROLAL,1
movDATA_1,al
movch,10
LAY2:
decch
cmpch,0
jneLAY2
moval,0FFH;禁止显示,置全灭,防止显示出现覆盖现象
outdx,al
ret
LAYendp
;********************************
;带小数点的数的LED的显示函数
;********************************
LAY1procnear
movbx,offsetTab2
xlat;经代码表转换为七段LED的段码中
movdx,PA_8255;从8255A的a口读取数字量,段选
outdx,al
moval,DATA_1;七段LED的位选,选取最低位,位选
movdx,PB_8255;b口位选
outdx,al;显示
ROLAL,1
movDATA_1,al
movch,10
LAY1
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