计算机控制技术实验.docx

1、计算机控制技术实验 计算机控制技术课程实验指导书 电气工程与自动化 专业吴茂 王飞 编科学技术学院 二00六 年 九 月 摘 要本实验指导书根据计算机控制技术实验大纲的要求编写。本实验指导书编写了3个实验。实验一：A/D转换器实验；实验二：D/A转换器实验；实验三：温度数据的采集和数据处理。其中实验一是计算机控制系统输入通道的典型应用，实验二是计算机控制系统输出通道的典型应用，实验三则是计算机控制系统在温度测量方面的典型应用，即温度数据的采集和数据处理。其中实验一和实验二为设计性实验，是本实验课程的重点，实验三为综合性实验，是本实验课程的难点。通过这三个实验的开设使学生在理论学习的基础上加强实

2、际动手操作能力，以求做到感性认识与理性认识的统一。前言(一)本实验课程性质计算机控制技术是自动化类各专业的“主干专业课程”，实验课属工程技术类课程的实践环节。通过本实验课程的开设，使学生能够具备独立设计简单计算机控制系统的能力，使学生为今后将计算机控制技术广泛应用于工农业生产，交通运输以及国防建设的各个领域，提高生产过程的自动化程度而打下基础。(二)开设实验课目的与任务工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术。它主要研究如何将计算机技术和自动化控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。开设本课程的目的在于使学生了解和掌握

3、以微型机为核心组成的控制系统的硬件、软件基础知识和基本应用技术。（三）本实验课的主要容1、本实验指导书根据计算机控制技术实验大纲编写，根据实验教学大纲的要求，本实验指导书编写了3个实验，均为设计性实验：实验一 A/D转换器实验实验二 D/A转换器实验实验三 计算机温度数据采集及处理2、主要实验器材：单片机实验板（2005.03 VER2.0版，科学技术学院自动化系开发）示波器、数字万用表、A/D转换器、D/A转换器、数字温度传感器DS18B20(四)本实验课教学重点、难点、手段、方法等有关说明计算机控制技术课程的教学由两大部分组成：(一)理论教学容；(二)实验教学容。实验教学中的重点是实验一A

4、/D转换器实验和实验二D/A转换器实验。其中实验一是计算机控制系统输入通道的典型应用，实验二计算机控制系统输出通道的典型应用，而输入输出通道是计算机控制系统的重要组成部分。实验三是计算机控制系统的一个典型应用，即温度数据的采集和数据处理。实验三是本实验课教学的难点，它涉及到数字温度传感器的原理和应用，I2C数据通讯的原理和数据处理的方法。通过这三个实验的开设使学生在理论学习的基础上加强实际动手操作能力，以便做到感性认识与理性认识的统一。实验一 A/D转换器实验1实验二 D/A转换器实验2 实验三 计算机温度数据采集及处理 3主要参考书4附录1：温度传感器DS18B20简介5附录2：10位11路

5、串行A_D转换器TLC1543的应用12附录3：串行10位数_模转换器TLC5615及其在单片机中的应用14附录4：实验装置原理图16实验一 A/D转换器实验一、目的和要求1、了解串行A/D转换器TLC1543的工作原理。2、掌握A/D转换器程序设计方法以及与AT89C52单片机的接口电路。3、掌握A/D转换实验上机调试方法。二、实验容1、将TLC1543的IN0通道连接到实验板上的可调直流05V电源上。要求A/D转换的数字量，在实验板数码管上以十进制形成显示出来，取三位小数。2、编写和调试由单片机控制的TLC1543串行A/D转换、数据变换和数码管显示程序。3、测量A/D转换器TLC1543

6、的零点误差和线性度。三、仪器、设备和材料1、单片机实验板 一块、 2、PC计算机 一台、3、数字万用表 一块、4、螺丝批 一把、5、TLC1543 一片，6、导线 若干。四、实验原理1、参照TLC1543使用说明及实验板原理图及参考程序。五、实验步骤1、实验连线，将实验板上TLC1543的 A0端连接到实验板直流05V电源上（可调电阻电压输出端）。2、编写TLC1543串行A/D转换程序、数据变换和LED数码显示程序。3、将PC计算机上编写的实验程序代码下载到单片机实验板上，并调试程序。4、调节可调电阻，输出0V电压，记录数码管显示，测量其零点误差；调节可调电阻，输出一组电压值（05V），记录

7、下数码管显示数据和数字万用表测量数据，将数据填入自行设计的表格中（分度值可取0.5V），根据数码管显示数据和万用表测量数据分别在坐标纸上画出TLC1543的线性度曲线，分析误差产生的原因。六、实验注意事项1、注意PC计算机与开发板的正确连线。2、注意调试程序的方法和技巧，在实验报告上说明调试过程的体会。实验二 D/A转换器实验一、目的和要求1、了解D/A转换器TLC5615的工作原理，2、掌握D/A转换器与单片机连接的接口电路和程序设计方法。3、掌握D/A转换实验上机调试方法。二、实验容1、从TLC5615串行口输入数字量，通过D/A转换产生锯齿波、方波和三角波。2、用示波器观察并记录下输出波

8、形。三、仪器、设备和材料1、单片机实验板 一块、2、PC计算机 一台、3、万用表 一块、4、螺丝批 一把、5、TLC5615 一块，6、导线 若干。 四、实验原理参照TLC5615使用说明及实验板原理图及参考程序。五、实验步骤1、编写调试程序2、用示波器观察DAOUT段的波形。六、实验注意事项1、注意电脑与开发板的连线的正确2、仔细调试程序实验三 计算机温度数据采集与处理一、目的和要求1、了解数字式温度传感器DS18B20的工作原理。 2、掌握温度测量与显示电路的硬件电路和程序设计。 3、掌握本实验上机调试方法。二、实验容1、完成数字化温度传感器DS18B20与单片机实验电路板的连接电路设计。

9、2、完成温度测量、温度数据换算和温度数据LED显示等程序的编写。 3、上机调试，观察温度显示数据随环境温度变化的情况。三、仪器、设备和材料1、单片机实验板 一块、 2、PC计算机 一台、3、温度传感器DS18B20 一块、4、导线 若干。四、实验原理参考实验指导书的附录。由美国DALLAS半导体公司生产的DSl8B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。DSl8B20采用DALLAS公司独特的“单线(1-Wire)总线”专有技术，测温在-10+85围，可确保测量误差不超过0.5。选用外部+5V

10、电源(允许电压围是3.05.5V)，进行温度数字转换时的工作电流约为1.5mA，待机电流仅25uA，典型功耗为5mW。数字温度传感器测量温度的原理是：DSl8B20部测温电路中低温度系数振荡器用于产生稳定的频率0,高温度系数振荡器则相当于T转换器，能将被测温度t转换成频率信号0，当计数门打开时，DSl8B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲0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。 五、实验步骤1、实验连线，选择实验板上单片机某引脚与DS18B20的数据口I/O脚连接，并且将DS18B20接上电源和接地。2、完成温度测量、温度数据换算和温度数据LED显示等程序的

11、编写。要求温度数据保留整数部分（小数部分四舍五入）。3、将PC计算机上编写的实验程序代码下载到单片机实验板上，并调试程序。六、实验注意事项1、注意温度传感器DS18B20的正确连线，特别注意电源和地线不能接反。2、程序设计要求在实验报告中画程序流程图，并加以必要的文字说明，实验报告附上你的程序清单。3、如果要求温度数据保留到小数点后一位（四舍五入），如何修改你的程序。4、注意调试程序的方法和技巧，在实验报告上说明调试过程的体会。主要参考书1、微型计算机控制技术，于海生等编著，清华大学，1999年3月第1版。2、微型计算机控制技术，新民、王燕芳编著，人民邮电，1999年6月第1版。3、微型计算机

12、控制技术，黄一夫主编，机械工业，1988年。4、单片机原理及其接口技术，胡汉才编，清华大学，2004年2月第2版。，5、 智能化集成温度传感器原理与应用，沙占友等著，机械工业，2002年7月第1版。附录1：DS18B20型单线智能温度传感器简介由美国DALLAS半导体公司生产的DSl8B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中，例如多路温度测控仪、中央空调、大型冷库、恒温装置等。此外巧妙利用DSl8B20部64位激光ROM中具有惟一性的48位产品序号，还可设计成专供大型宾馆客房或军事仓库使用的性

13、极佳的电子密码锁。DSl8B20的电源电压围均扩展到+3+5.5V，DSl8B20还能对温度分辨力进行编程，选择9位12位模式下工作，在12位模式下的最高分辨力可达0.0625。1、 DS18B20的性能特点（1）DSl8B20采用DALLAS公司独特的“单线(1-Wire)总线”专有技术，通过串行通信接口(I/O)直接输出被测温度值(9位二进制数据，含符号位)。（2）在测温围是-55+125时，测量误差不超过2，在-10+85围，可确保测量误差不超过0.5。温度数字量转换时间的典型值仅需93.75ms，比DS1820有很大的提高.（3）含64位经过激光修正的只读存储器ROM，扣除8位产品系列

14、号和8位循环冗余校验码CRC之后，产品序号占48位。出厂前就作为DSl8B20惟一的产品序号，存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DSl8B20。（4）适配各种单片机或系统机。（5）用户可分别设定各路温度的上、下限并写入随机存储器RAM中。利用报警搜索命令和寻址功能，可迅速识别出发生了温度越限报警的器件。（6）含寄生电源。该器件既可由单线总线供电，亦可选用外部+5V电源(允许电压围是3.05.5V)，进行温度数字转换时的工作电流约为1.5mA，待机电流仅25uA，典型功耗为5mW。2、DS18B20的工作原理DSl8B20的原理与DS1820的原理是一样的。DS18B

15、20继承了DS1820的所有优点。DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，引脚排列如图附1所示。I/O为数据输入输出端(即单线总线)，它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选用的外部+5V电源端，不用时需接地。GND为地，NC为空脚。其部主要包括7部分：寄生电源；温度传感器； 64位激光(laser)ROM与单线接口；高速暂存器，即便笺式RAM，用于存放中间数据；TH 触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上、下限tH、tL值；存储与控制逻辑；8位循环冗余校验码(CRC)发生器。下面分别介绍各部分的工作原理。（a）（b）图附1 DS182

16、0/DS18B20的引脚排列(a) PR35封装 (b) SOIC封装图附2 多片DS1820(DS18B20)与80C31的接线 （1）测温电路原理 DSl8B20部测温电路中低温度系数振荡器用于产生稳定的频率0,高温度系数振荡器则相当于T转换器，能将被测温度t转换成频率信号0图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DSl8B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲0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、温度寄存器中。在计数门关闭之前若计数器已减至零，温度寄存器中的数值就增加0.5。然后，计数器依斜率累加器的状

17、态置入新的数值，再对时钟计数，然后减至零，温度寄存器值又增加0.5。只要计数门仍未关闭，就重复上述过程，直至温度寄存值达到被测温度值。这就是DSl8B20的测温原理。斜率累加器能对振荡器的非线性予以补偿，提高测量准确度。 需要指出，温度值本应为9位(其中，符号占一位)，但因符号位又被扩展成高8位，故实际以16位补码的形式读出。其中，高8位代表符号，“0”表示t0，“1”表示ttH或ttL，则将该器件的报警标志置位，并对主CPU发出的报警搜索命令做出响应。因此可用多片DSl8B20同时测量温度并进行报警搜索。一旦某个测温点越限，主CPU用报警搜索命令即可识别正在报警的DSl8B20，并且读出其序

18、号，而不必考虑其他未报警的D3、单线总线系统的通信协议 单线总线是一种具有一个总线主机(亦称主CPU)和一个或多个从机(从属器件)的系统，DSl820起从机的作用。下面介绍单线总线的通信协议。31主CPU访问DSl820的工作流程主CPU经过单线接口访问DSl820的工作流程为：对DSl820进行初始化ROM操作命令存储器(包括便笺式RAM和E2RAM)操作命令一数据处理。主CPU对ROM操作完毕，即发出控制操作命令，使DSl820完成温度测量并将测量结果存入高速暂存器中，然后读出此结果。32初始化单线总线上的所有处理过程均从初始化开始。初始化包括首先由主CPU发出一个复位脉冲，然后由从属器件

19、发出应答脉冲，通知主CPU。初始化时主CPU首先发出一个复位信号，将单线总线上所有DSl820复位；然后释放单线总线，改成接收状态，单线总线被上拉电阻只拉成高电平。在检测到此上升沿后，DSl820需要等待1560s才向主CPU发出响应脉冲。初始化过程的时序波形如图4-1所示。此后便可对ROM、RAM进行操作。图附4 初始化过程的时序波形33DS1820的通信协议 DSl820有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。通信协议规定了复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0和读1等几种信号的时序。除了应答脉冲，其余信号均由主CPU控制。 在对DSl820进行ROM及RAM操作之前，主CPU首

20、先发出一个复位脉冲(最小脉冲宽度为480s的低电平信号)；然后主CPU便释放单线总线(I/O线)，使之处于接收状态。单线总线经过上拉电阻被拉至高电平。当DSl820检测到I/O端的上升沿后，就等待1560s，再向主CPU发出应答脉冲(60240s的低电平信号)。在初始化过程中，复位脉冲与应答脉冲的波形参见图4-1。 34存储器操作命令存储器操作命令共6条，具体如下： (1)温度转换命令(CONVERTT)44H。令DSl820进行温度转换。如果主CPU在该命令之后为读时序，那么只要DSl820正忙于进行温度转换，即读得“0”；当温度转换完成时，DSl820则返回“1”。假如由寄生电源给DSl8

21、20供电，主CPU在发出该命令后立即将单线总线拉成高电平，并且保持500ms时间，以便在温度转换期间给DSl820提供所需要的电源。 (2)读暂存存储器(READ SCRATCHPAD)BEH。该命令为读暂存存储器9个字节的容。从字节0开始读，直至读到字节8。主CPU可以在读暂存存储器期间发出一个复位脉冲来终止读操作。 (3)写暂存存储器(WRITESCRATCHPAD)4EH。该命令发出后，主CPU送给DSl820的两个字节数据就分别写入丁H触发寄存器和Tl触发寄存器中，顺序是先写TH，后写TL。主CPU也可以在写暂存存储器期间发出一个复位脉冲来终止写操作。 (4)复制暂存存储器(COPYS

22、CRATCHPAD)48H。该命令把触发寄存器中的TH、TL字节分别复制到E2RAM的TH、TL字节上。若主CPU发出该命令后又进行读操作，只要DSl820正忙于复制，主CPU就读得“0”；当复制工作完成后，DSl820又返回“1”。如果由寄生电源供电，主CPU在发出该命令后就把单线总线拉到高电平，并保持10ms。 (5)重新调出E22RAM(RECALL E2RAM)B8H。该命令是把存储在E2RAM温度触发器TH、TL的数据重新调入暂存存储器的TH、TL字节。每次DSl820上电时也自动进行这种操作。因此，只要器件接通电源，暂存存储器的TH和TL中已经有有效的数据供使用。若主CPU在发出该

23、命令之后又进行读操作，只要DSl820正忙于进行调出，主CPU就读得“0”(表示“忙碌”)；完成调出操作后DSl820即返回“1”(表示“操作完毕”)。(6)读电源(READ POWER SUPPLY)B4H。此项命令发送给DSl820之后，对主CPU发出的每一条读命令，DSl820都向主CPU提供电源方式信号“0”(表示由寄生电源供电)或者“1”(表示由外部电源供电)。35读/写时序 主CPU通过时序(亦称作“时间片”)来写入或读出DSl820中的数据。时序用于传输数据位和指定进行何种操作的命令字。 (1)写时序。主CPU把I/O线(即单线总线，亦称数据线)从高电平拉至低电平时，作为一个写周

24、期的开始。写时序包括两种类型：写1时序，写0时序。写1或写0时序时必须保持至少60s，在两个写周期之间至少要有1s的恢复期。 DSl820在I/O线变为低电平后的1560s的时间进行采样。若I/O线为高电平，即认为写入了一位1；若I/O线为低电平，即认为写入了一位0。写时序的波形如图附5（a）所示。主CPU在开始写1周期时，必须将I/O线拉至低电平，然后再释放，15s将I/O线拉成高电平。主CPU在开始写0周期时，也应将I/O线拉至低电平，并保持60s的时间。图附5 读/写时序波形图(a)写时序 (b)读时序 (2)读时序。当主CPU将I/O线从高电平拉成低电平时，就作为一个读周期的开始，并且

25、I/O线保持低电平的时间至少为1s。DSl820的输出数据在读时序下降沿过后的15s有效。在此期间，主CPU应释放I/O线，使之处于输入状态以便读取数据。经过15s后读时序结束，I/O线经外部上拉电阻又变成高电平。读取一位数据至少需要60s时间，并且在两位数据之间至少要有1s的恢复期。读时序的波形如图附5(b)所示。 令初始化时间为TINIT，电路的时间常数为TRC。主CPU的采样时间为TSAMPLE，高电平的闽值电压为UIH。在如图4-4所示主CPU读一位数据的波形中，要求TINIT+TRC+TSAMPLE15s。经过改进后，主CPU读一位数据的波形如图4-5所示，采用尽量缩短TINIT、TRC的周期并把主CPU采样期安排到末尾的方法，可以使总线有更充裕的稳定时间。 36 读写时间片DSl820的读写时间片如图附6所示。这里讲的“时间片”(time slot)亦称时间间隙，简称时隙。该图对其他类型的单线智能温度传感器也适用。图中，tSLOT代表时间片，TREC为恢复时间。TLOW0、tLOWl分别表示在写0、写1时单线总线保持低电平的时间。tRDV为读数据有效时间。tRSTL为复位信号的低电平时间。tPDHIGH、tPDLOW分别表示应答信号的高、低电平时间。图附6 读一位数据的波形图图附7 改进后一位数据的波形图图附8 跳过ROM的操作流程图