温控窑炉控制器1.docx

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温控窑炉控制器1

一、题义分析与解决方案

1、题义需求与分析

由窑炉的工作原理可知本实验的工作流程是：

首先是预设温度值，用户从小键盘输入一个预设的温度值，并把它显示在LED灯上，其次是加热过程，PC机通过控制芯片接口使发热电阻发热，一段时间延时后，温度传感器将其测量的温度值通过硬件接口传送到PC机，所测的温度数据经过处理后传送到LED现实，将所测得的温度值与预设温度值比较，如果小于等于它，继续控制发热电阻发热，否则停止加热。

一段时间延时后再次将温度传感器所测得的值进行显示比较，使发热体的温度稳定在预设温度值的2℃范围内。

由上分析可知在实验需要解决如下几个问题：

（1）需要发热电阻给窑炉加热，并应该预设温度值，预设温度值要显示出来。

（2）如何控制温度传感器检测温度，并将检测到的温度值显示出来。

（3）需要对检测到的温度值进行半段控制窑炉的加热过程。

（4）如何输入预设温度值。

如何将检测到的温度值传送给CPU。

（5）如何运用PID算法实现对温度的只能控制。

设定温度功能的范围，使得窑炉温度稳定在设置的温度范围内。

（6）如何将预设温度值和所测温度值显示出来。

2、解决问题的思路及方法

（1）硬件部分

首先需要发热电阻RT1给系统加热；至于温度测控问题，需有温度传感器DS18B20，DS18B20将温度信息传递给芯片8255A，然后8255A与芯片ES-PCI相连；当温度低于设定值时利用，为了演示比较明显的加热效果此处可增设一个功能放大电路，同时利用逻辑笔（B2区）来测量发热电阻的工作情况；实验需要从键盘设定温度值并通过LED显示温度值，同时需要芯片8279控制。

综上所述列出硬件清单如下：

硬件

8255A

8279

DS18B20

键盘

LED灯

发热电阻

功能放大器

主要功能

控制温度传感器及发热电阻工作

控制键盘和LED工作

温度传感器，测量温度

输入设定温度

显示环境温度和设定值

实现加热功能

放大电路

（2）软件部分

软件应该具备以下几个主要部分：

（1）对温度传感器DS18B20初始化、启动，读、写温度，温度转换、显示；

（2）对芯片8255A的控制及如下操作：

读出DS18B20的温度，控制发热电阻通过加热升温；

（3）对通用控制芯片8279初始化，从键盘输入温度设定值，显示温度，清除显示等；

（4）对发热电阻RT1的操作（控制其加热与否）；

（5）另外还要设置一定的延时程序以满足不同芯片及元器件的工作时序；

（6）进制之间的转换运算：

（7）运用PID算法，通过比例运算，积分运算和微分运算来使温控器更好地适合不同系统的要求。

OUT=P*（e1）+（e1-e0）/I+D*（e1+e0）;其中e0是前一次的误差.e1是当前误差。

P,I,D是系数.

二、硬件设计

1.可编程并行接口芯片8255A

（1）8255A的作用

在本设计中8255A向温度传感器DS18B20发送操作指令并实现，诸如：

初始化DS18B20，读取温度值，对温度值进行十进制转换以及其他一些必要操作；同时8255A控制着发热电阻RT1的工作情况。

（2）8255A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，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。

端口A：

包含一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器，输入输出数据均受到锁存。

端口B和C:

都包含一个8位数据输入缓冲器和一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，输出数据能锁存，输入数据不锁存。

端口C:

可分成两个4位端口，分别定义为输入或输出端口，还可定义为控制、状态端口，配合端口A和端口B工作。

其内部结构如图所示：

A组

端口A

8位

RESET

B组控制部件

CS

A0

A1

WR

RD

D7~D0

双向

PB7~PB0

PC3~PC0

PC7~PC4

Pa

PA7~PA0

B组

端口C

低4位

A组控制部件

B组

端口B

8位

A组

端口C

高4位

读/写

控

制

部

件

数据总线缓冲器

（3）8255A工作在方式0

方式0的工作特点：

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。

其功能为：

两个8位通道：

通道A、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；输出是锁存的；输入是不锁存的；在方式0时各个通道的输入/输出可有16种不同的组合。

方式0的使用场合：

同步传送是在外设控制过程的各种动作时间为固定，且已知的条件下使用的。

因此，传送中不要应答信号。

输入时，执行程序只要给出IN指令；而输出时，也只给出OUT指令，就能实现数据的输入或输出。

优点是程序简单，接口的硬件开销小。

查询式传输时，要先查询一个外设的状态，当该状态表示外设已准备好时，方能开始查询传输，否则CPU将继续查询。

但在方式0，没有规定固定的应答信号，所以，这时将通道A、B作为数据通道，把通道C的4个位（高4位或低4位）规定为输出口，用来输出一些控制信号，而把通道C的另外4个位规定为输入口，用来输入外设的状态。

这样，利用通道C来配合通道A和B的输入/输出操作。

8255Ａ方式选择控制字格式如下：

D7=1工作方式控制标志。

D5—D6组合设定A口工作方式：

00—方式0；01—方式1；10／11—方式2。

D4设定A口的输入／输出，D4＝1时A口输入，D4＝0时A口输出。

D3为C口高4位输入／输出选择，D3＝1时为输入，D3＝0时为输出。

D2为B口工作方式选择，D2＝1时B口方式1；D2＝0时B口方式0。

D1为B口输入／输出选择，D1＝1时输入；D1＝0时输出。

D0为C口低4位输入／输出选择，D0＝1时为输入，D0＝0时为输出。

（4）8255Ａ技术参数

8255A工作最大电流为120MA,VCC=-5V~+5V，I（DAR）工作电流最大为4MA。

8255的输出电压不高，连接到LED时，最好加入一个驱动器起到电流放大的作用。

8255A技术参数

测试条件

规范值

单位

大

小

输入低电平电压VIL

0.8

-0.5

V

输入高电平电压VIH

VCC

2.0

V

输出低电平电压VOL

ＩOL＝2.5mA

0.45

V

输出低电平电压VOL

ＩOL＝1.7mA

0.45

V

输出高电平电压VOH

ＩOR＝-400mA

2.4

V

输出高电平电压VOH

ＩOH＝-200mA

2.4

V

达林顿驱动电流ＩOAR

-4.0

-1.0

mA

电源电流　　　ＩCC

120

mA

输入负载电流　ＩIL

ＩIN＝0～VCC

10

-10

mA

输出浮动电流　ＩOF

ＶOR＝0.45～VCC

10

-10

mA

2.DS18B20温度传感器

（1）DS18B20的作用

本实验设计中DS18B20作为唯一的温度传感器，其作用是测量出试验中各种所需温度并经由可编程接口芯片8255A以及专用接口芯片8279将温度显示于LED上，最终实验温度的比较，制热等功能。

（2）DS18B20的功能特点和内部结构

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2-3DS18B20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。

（3）DS18B20测温原理和技术参数

斜率累加器

预置

比较

LSB

置位/清除

低温度系数晶振

计数器1

预置

加1

=0

温度寄存器

高温系数晶振

计数器2

=0

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。

下表显示了DS18B20用12位来存放温度的存储方式，其中最高位为符号位，负温度时S=1，正温度时S=0。

表2-212位存放温度时的格式

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：

87654321

TM

R1

R0

1

1

1

1

1

表2-3暂存器格式字

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:

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

表2-4分辨率表

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。

3.七段LED显示器

（1）七段LED显示器的作用

本实验设计用7段LED显示器的左四位来显示温度的设定值，剩下四位来显示实时的温度值，其中温度设定值的显示方法是从右到左依次显示设定值的低位到高位；而实时的温度值则采用动态的效果，并有小数位，能准确地反映温度的变化情况。

（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

（3）七段LED显示器主要技术参数

注：

此时的驱动电流为25mA

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

（4）七段LED显示器的内部结构

当七段数码管点亮其中几段可显示数字和简单的西文文字,将七段数码管连接到一起称为公共端,而放光二级管的正极则分别由引脚引出,便于控制哪个发光二级管点亮.

（5）七段LED显示器的真值表

定义的十六进制

发光二极管

显示的数字

C0H

11000000

0

F9H

11111001

1

A4H

10100100

2

B0H

10110000

3

99H

10011001

4

92H

10010010

5

82H

10000010

6

F8H

11111000

7

80H

10000000

8

90H

10010000

9

88H

10001000

A

83H

10000011

B

C6H

10111001

C

A1H

10100001

D

86H

10000110

E

8EH

10001110

F

4.键盘

（1）键盘在本实验中的作用

由于本设计需要向系统输入一个温度设定值，所以键盘起到了输入温度设定值的作用。

（2）小键盘的电路结构及其与逻辑开关的比较

右图显示的是小键盘的电气结构，右图可以看出只有当行线和列线逻辑值相同时，按键才会显示正确的值。

小键盘的电路结构如下：

下表显示了小键盘与逻辑开关在实际应用中的区别：

逻辑开关

小键盘

连线较简单，以逻辑开关的上下切换来表示，易实现，易观察所输入的是哪8位二进制数据；用时短

连线较复杂，实现需编程实现CPU对键盘电路的扫描，察看是否有键按下，是哪个键。

扫描占用大量CPU时间，是CPU的效率降低。

5.专用接口芯片8279

（1）8279的作用

在本设计中，8279作为专用接口芯片连接着七段LED显示器和键盘，实现对输入温度设定值和显示实时温度的控制。

（3）8279功能分析

IR0

FIFO/传感器RAM的状态寄存器

D0D7

时钟复位

RDWRCS

I/O控制

数据缓冲器

8X8FIFO/传感器RAM

键盘去抖动与控制

控制与定时寄存器

16X8

显示RAM

显示地址寄存器

显示寄存器

扫描计数器

定时与控制

回复

OUTA0——OUTA3BD

CNTL/STB

OUTB0——OUTB3SL0—SL3shift

RL0——RL7

图2-78279内部逻辑框图

8279采用单±5V电源供电，40脚封装。

DB0～DB7：

双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。

CLK:

时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。

RESET：

复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。

CS：

片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可以对8279读/写操作。

A0:

缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。

RD：

读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。

WR:

写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。

IRQ:

中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线重又变为高电平。

在传感器工作方式中，每当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。

SL0～SL3:

扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字，这些可被编程或被译码。

RL0～RL7:

回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接，这些回送线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。

SHIFT:

换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT开关时，SHIFT输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮起来。

CNTL/STB:

当CNTL/STB开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平,对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFORAM中。

OUTA3～OUTA0及OUTB3～OUTB0:

显示输出A口及B口，这两个口是16×4切换的数字显示。

这两个端口可被独立控制，也可看成一个8位端口。

BD:

空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。

VCC:

＋5V电源输入线。

VSS:

地线输入线。

（3）8279的编程方法

1）8279可按其功能分为：

键盘功能块；显示功能块；控制功能块；与CPU接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分，它主要用来控制键盘和显示功能块工作。

控制和定时寄存器：

用于存贮来自CPU的编程命令，CPU对8279编程以确定键盘与显示器工作方式和其它工作条件时，先把命令控制数据放到数据总线上,然后使A0=1，WR=0，CS=0，并在WR上升沿把命令键存在控制和定时寄存器中，经译码，建立适当功能。

控制：

它含基本的定时计数器，第一个计数器是一个分频系数为2-31的前置定时器，分频系数可由程序预置，使内部频率为100KHz，从而能给出5.1ms键盘扫描时间和10.3ms反跳时间，其它计数器将此基本频率分频后，提供适当的按键扫描、行扫描、键盘阵列扫描、以及显示器扫描次数。

扫描计数器：

扫描计数器有两种工作方式，在编码工作方式时，计数器提供一种二进制计数，通过管脚SL0-SL3输出后经外部译码才能提供给键盘和显示器的扫描作用，在译码工作方式时，扫描计数器对最低二位进行译码，SL0-SL3输出4选1的译码信号，作为显示器和键盘的译码扫描。

④键盘功能块包括：

返回缓冲器，键盘反跳及控制，8x8FIFO传感器RAM，FIFO/传感器RAM状态。

2）返回缓冲器与键盘反跳及控制

8条返回线被返回缓冲器缓冲，在键盘工作方式中，这几条线被逐个检测，以找出该行键中闭合的键。

如果反跳电路测知某键闭合，则它等待10.3ms，然后重核此键是否仍然闭合。

如果仍闭合，那么该键在矩阵中的行列地址以及SHIFT和CNTL的状态一起被送到FIFORAM中，其在FIFORAM中的数据格式如下:

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

CNTLSHIFTSCANRETURN

数据格式中，最高位CNTL，次高位为SHIFT状态，D5-D3来自扫描计数器，D2-D0来自返回计数器，扫描线计数器和回扫线计数器的值分别反映出被按下键的行、列的值，如果在传感器阵列中，返回线上的数据直接进入传感器RAM中相应于阵列中正被扫中的那行，这样每个开关位置就直接反映为一个传感器RAM的位置。

显示RAM和显示寄存器8279内部有16X8的显示RAM，通过显示寄存器和两个四位端口0UTA0-3，OUTB0-3来刷新显示。

显示器可以是白炽灯，也可以是8段数码管，显示RAM可以是16X8的形式，也可以构成两个16x4的RAM形式。

显示RAM可由CPU进行读写，被读写的RAM字节地址由显示地址寄存器指示。

显示地址寄存器保存当前CPU读或写的那个RAM地址，以及正显示着的那两个4位半字节的地址。

读写地址由CPU命令编程,也可置为每次读写后地址自动加1的工作方式。

在设置了正确的工作方式后，显示RAM可直接由CPU读出，半字节A和半字节B地址自动由8279更新，以适应由CPU送入的数据,A和B半字节可独立送入，也可作为一个字送入，随CPU所设置的工作方式而定。

3）FIFO/传感器RAM及其状态寄存器

FIFO/传感器RAM是一个双重功能的8×8位RAM。

在键盘或选通工作方式时，它是FIFORAM，其输入/输出遵循先入后出的原则。

此时，FIFO状态寄存器存放FIFO的工作状态，若FIFO不空，IRQ信号为高电平，向CPU申请中断。

在传感器矩阵方式工作时，该存储器用于存放传感器矩阵中每一个传感器的状态。

在此方式中，若检出传感器发生变化，则IRQ信号变为高电平，向CPU申请中断。

4）显示RAM和显示地址寄存器

显示RAM用于存储显示数据，容量为16×8。

在显示过程中，存储的显示数据轮流从显示寄存器输出。

显示寄存器分为A、B两组，OUTA3～0、OUTB3～0。

它们即可以单独送数，也可以组成一个8位的字，OUTA输出高4位，OUTB输出低4位。

显示寄存器的输出与显示扫描配合，轮流驱动被选中的显示器件，实现稳定的动态显示。

显示地址寄存器用来寄存CPU读/写显示RAM的地址，它可以由命令设定，也可以设置成在每次读出或写入之后自动递增。

（4）8279工作方式

1）键盘工作方式

通过命令字可将键盘工作方式设定为双键互锁与N键巡回两种工作方式。