计算机机接口与控制技术2016_5

1、实验四 DS18B20温度传感器实验 n实验目的实验目的n了解温度传感器电路的工作原理n了解温度控制的基本原理n掌握一线总线接口的使用数字温度传感器DS18B20简介 nDallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “单总线”接口的温度传感器。现场温度直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。数字温度传感器DS18B20简介nDS18B20测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范

2、围内,精度为0.5C。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。数字温度传感器DS18B20简介nDS18B20内部结构nDS18B20内部结构主要由五部分组成：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。DS18B20的管脚排列如下:nDQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。n(1)光刻ROMn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

3、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。n(2)DS18B20中的温度传感器nDS18B20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。Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0232221202-12-22-32-4nLS Byte:nMS Byte:Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS2625

4、24n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以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再乘以0.0625即可得到实际温度。DS18B20温度传感器的存储器n(3)DS18B20温度传感器的存储器nDS18B20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。n该字节各位的意义如下： TMR1R011111n低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS

5、18B20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）n分辨率设置表: R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms(4)配置寄存器n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：n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

6、收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。DS18B20复位，在某种意义上就是一次访问DS18B20的开始，或者可说成是开始信号。ROM指令，也就是访问，搜索，匹配，DS18B20个别的64位序列号的动作。在单点情况下，可以直接跳过ROM指令。而跳过ROM指令的字节是0 xCC。nDS18B20功能指令有很多种，就不一一的介绍了，数据手册里有更详细的介绍。这里仅列出比较常用的几个DS18B20功能指令。0 x44：开始转换温度。转换好的温度会储存到暂存器字节0和10 xEE：读暂存指令。读暂存指令，会从暂存器0到9，一个一个字节读取，如果

7、要停止的话，必须写下DS18B20复位。0BEH : 发出读温度命令n本实验在读取温度的基础上，完成类似空调恒温控制的实验。用加热电阻代替加热电机。温度值通过LED静态显示电路以十进制形式显示出来，制冷采用自然冷却。本实验需要用到单片机最小应用系统（F1区）、串行静态显示（I3区）和温度传感器模块（C3区）。CONTROL接最小应用系统P1.4， DS18B20的DQ接最小应用系统P2.0，最小系统的P1.0，P1.1接串行静态显示的DIN，CLK端。12D1 CI N4 0 0 7+1 2 V213T2 C9 0 1 3VC C+1 2 VS1 CC ONTR OL+1 2 VR1 4 C7

8、 5 / 2 W+1 2 VC 3 C0 . 1 u F12354678J DQ1 0 0J DQA1K2C8E7U3 CTLP5 2 1C ONTR OL213T1 C9 0 1 3R 8 C1 KR 7 C1 0 KR 9 C1 0 KR 1 0 C1 0 0 KR 1 1 C2 2 KR 1 2 C1 0 0R 1 3 C2 . 2 KP1.489C51VCCVDDDQGNDDS18B20P2.0 接串静态led显示器P1.0P1.1DINCLK温度采集仿真参考程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsb

9、it DQ=P20;/ds18b20与单片机连接口sbit Din=P10;/sbit CLK=P11;/unsigned char code LED_Map18=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x58,0 x5e,0 x79,0 x71,0,0 x40 ;/0-F , ,-uchar data disdata5;uint tvalue;/温度值uchar tflag;/温度正负标志void delay(int count) unsigned int i;for(i=0;icou

10、nt;i+) ; /数码显示void display() uchar LED_code5; uchar i,j,chr,sel; / for(i=0;i4;i+) LED_codei=LED_Mapdisdatai; /LED_codei=LED_Map0; if(LED_code0=0)&(tflag=1)&(LED_code1!=0) LED_code0=0 x40;/显示负号 if(LED_code1=0)&(tflag=1) LED_code0=0 x40; for(i=0;i4;i+) chr= LED_code3-i; / if(i=1) chr= chr|0 x80; sel=0

11、 x80; for(j=0;j1; delay(1); CLK=1; delay(1); /*ds1820程序*/ void delay_18B20(unsigned int i)/延时1微秒 while(i-);void ds1820rst()/*ds1820复位*/ unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ复位 delay_18B20(4); /延时 DQ = 0; /DQ拉低 delay_18B20(100); /精确延时大于480us DQ = 1; /拉高 delay_18B20(40); uchar ds1820rd()/*读数据*/ unsigned char

12、 i=0; unsigned char dat = 0; for (i=8;i0;i-) DQ = 0; /给脉冲信号 dat=1; DQ = 1; /给脉冲信号 if(DQ) dat|=0 x80; delay_18B20(10); return(dat); void ds1820wr(uchar wdata)/*写数据*/ unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0 x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; / read_temp()/*读取温度值并转换*/ uchar a,b; d

13、s1820rst(); ds1820wr(0 xcc);/*跳过读序列号*/ ds1820wr(0 x44);/*启动温度转换*/ ds1820rst(); ds1820wr(0 xcc);/*跳过读序列号*/ ds1820wr(0 xbe);/*读取温度*/ a=ds1820rd(); b=ds1820rd(); tvalue=b; tvalue=8; tvalue=tvalue|a; if(tvalue0 x0fff) tflag=0; else tvalue=tvalue+1;/求负数绝对值 tflag=1; tvalue=tvalue*(0.625);/温度值扩大10倍，精确到1位小数

14、return(tvalue); /*/ void ds1820disp()/温度值显示 disdata0=tvalue/1000;/百位数 disdata1=tvalue%1000/100;/十位数 disdata2=tvalue%100/10;/个位数 disdata3=tvalue%10;/小数位 if(disdata0=0) disdata0=0 x10;/如果百位为0，不显示 if(disdata1=0) disdata1=0 x10;/如果百位为0，十位为0也不显示 display(); /*主程序*/ void main() uint i; while(1)read_temp();

15、/读取温度 ds1820disp();/显示 for(i=0;i255;i+) delay(100); 实验五 步进电机控制实验一、实验目的一、实验目的1.掌握采用单片机控制步进电机的硬件接口技术2.掌握步进电机驱动程序的设计和调试方法3.熟悉步进电动机的工作特性n二、实验说明二、实验说明n步进电动机又称脉冲电动机，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。它的角位移量或线位移量S与脉冲数K成正比。也就是说，转速n与脉冲频率F成正比。故调节脉冲信号的频率便可以改变它的转速。通过对每相线圈中的电流顺序切换来使电机作步进式旋转。改变各相线

16、圈中脉冲的先后顺序，可以改变电机的旋转方向。n在这里我们让电机进行三种方式的运行；n双五拍（ABBCDDA）n单五拍（）n单、双八拍（）n各种工作方式的时序如下图所示；I N 11I N 22I N 33I N 44I N 55I N 66I N 77O U T 11 6O U T 31 4O U T 41 3O U T 51 2O U T 61 1O U T 71 0O U T 21 5C O M9G N D8U3 MU L N 2 0 0 3V C C122334455R P 11 KV C CBCDA123456MMO T O - SV C CABCDP 3 MS AP 4 MS BP

17、5 MS CP 6 MS D2 0 * 4nP1口控制电机产生脉冲，P2.0，P2.1，P2.3口控制电机的正转，反转，停止。实验电路PROTEUS仿真电路参考程序#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void delay(uint a); const uchar step_table1=0 x01,0 x02,0 x04,0 x08;/ sbit zhengzhuang=P20; sbit fanzhuang=P21; sbit stop=P22; void delay(uint a) uint i,j;

18、 for(i=a;i0;i-) for(j=122;j0;j-); void main() uchar i,flag0; while(1) zhengzhuang=1; fanzhuang=1;stop=1; flag0=0; if(!zhengzhuang)&(fanzhuang)&(stop) flag0=1;if(zhengzhuang)&(!fanzhuang)&(stop) flag0=2; if(!stop) flag0=3;if(flag0!=0) for(i=0;i4;i+) if(flag0=1)P1=step_table1i; if(flag0=2)P1=step_tabl

19、e13-i;if(flag0=3)P1=0; P1=P1; delay(100); 实验六实验六 直流电机控制实验直流电机控制实验n一、实验目的一、实验目的n1.了解脉宽调制（PWM）的原理n2.学习用PWM输出模拟量驱动直流电机n3.熟悉51系列单片机的延时程序n二、实验说明二、实验说明nPWM是是一种脉宽调制信号，本实验用占空比不同的脉冲驱动直流电机转动，从而得到不同的转速。程序中通过调整输出脉冲的占空比来调节直流电机的转速。n使用光电测速元件测速，当它与圆盘上的空位相靠近时，光电元件输出低电平，当它被遮住时，光电元件输出高电平。圆盘转动一周时则产生12个脉冲，直流电机转动时，光电元件输出

20、连续的脉冲信号，单片机记录其脉冲信号，就可以测出直流电机的转速。另外增加显示电路，可把电机的转速显示出来。n本实验使用6V直流电机。PWM脉冲宽度调制脉冲宽度调制nPWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM调速基本原理t/T:为为PWM脉冲的占空比，脉冲的占空比，决定平均电压的大小！决定平均电压的大小！T T内平均电压内平均电压脉冲电压幅度脉冲电压幅度UP高电平高电平“1”低电平低电平“0”Tt实验六实验六 直流电机控制实验直流电机控制实验P1.7/INT089C51 接串静态led显示器P1.0P1.1D

21、INCLKPWM脉冲的占空脉冲的占空比，决定电机比，决定电机M1的转速。的转速。 光电测速光电测速P2.0控制电机运转、停止P2.0VCC74LS14是六反相器实验要求：1.编写直流电机控制程序2.设计PROTEUS仿真图3.仿真调试直流电机控制和速度显示程序直流电机控制仿真图直流电机控制仿真图参考程序#include typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; sbit PWM_out=P17;sbit mRun=P20;sbit Din=P10;/ sbit CLK=P11;/uint period=100;/pwmuin

22、t time=100;uint PWM_h=80;/pwmuint count=0; uint pulse_count=0;/uint speed=0;uint dat_t=0;uchar dispflag=0;uchar data disdata8;unsigned char code LED_Map18=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x58,0 x5e,0 x79,0 x71,0,0 x40 ;/0-F , ,-void delay(int count) unsigned

23、int i;for(i=0;icount;i+) ; /数码显示void display() uchar LED_code8; uchar i,j,chr,sel; / for(i=0;i8;i+) LED_codei=LED_Mapdisdatai; / LED_codei=0 x3f; for(i=0;i8;i+) chr= LED_codei; / if(i=6) chr= chr|0 x80; sel=0 x80; for(j=0;j1; delay(1); CLK=1; delay(1); void speed_disp()/速度显示 /speed=80;disdata5=speed

24、/100;/取10位 disdata6=speed%100/10;/取个位 disdata7=speed%10;/取个位 disdata0=16; disdata1=16; disdata2=16; disdata3=16; disdata4=16; if(disdata5=0) disdata5=0 x10;/如果十位为零则不显示 display(); 外部中断0服务子程序void int0() interrupt 0 using 0 /float t0;count+; /if (count=10)if (dat_t=1000) speed=(count-1)/12;dispflag=1;c

25、ount=0;dat_t=0;/定时器T0溢出中断服务子程序void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 xfc; /定时器装载初值，设置脉冲信号的占空比 1ms (65536-1000=fc18) TL0=0 x18; time+; dat_t+; if(timeperiod) time=0; if(timePWM_h)&(time=period) /*周期时间到，变高*/ PWM_out=0;/*经过反相器反相*/ void main() uchar flag0=0;P1=0 x00;PWM_out=0; speed=0;speed_disp(); TMO

26、D=0 x01; /*定时器0方式1*/ TH0=0 xfc; /定时器装载初值，设置脉冲信号的占空比 1ms (65536-1000=fc18) TL0=0 x18; dat_t=0; ET0=1; /*开定时器0中断*/ TR0=1; /*启动定时器0*/ IT0=1; EX0=1; EA=1;while(1) mRun=1; if(mRun=0) EA=1; /*开CPU中断*/ flag0=1; if (dispflag=1) dispflag=0;speed_disp(); mRun=1; if(mRun=1) EA=0; /*关CPU中断*/ PWM_out=0; if( flag

27、0=1) speed=0;speed_disp(); flag0=0; 直流电机控制仿真结果直流电机控制仿真结果直流电机转速PID调节nPID调节器nPID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。npid 是控制系统中的重要参数，指控制方式，指输出与输入之间的响应方式，英文字母比例积分微分。顾名思义，比例是输出与输入是按一个比例进行的，可调节快慢，通常是改变反馈。积分是输出是输入的积分，就是累加，当输入变化很大输出只按时间长短变化，起到滤波作用，也叫滞后，等效于在输入端并连一个电容。微分是输出只对输入变化部分敏感，特别

28、是输入有尖峰的时候，输出剧烈的响应，但输入不变，不管有多大，输出就为零，因此，也叫超前调节，起加速作用，等效串联一个电容。PID调节器算法表达式连续形式表达式：离散等效：以求和替代积分，向后差分替代微分00( )( )ktie t dtTe i( )( )(1)de te ke kdtTn1.1. 位置式位置式PIDPID控制算法：控制算法：n在采样时刻在采样时刻t=it=i* *T T（T T为采样周期，为采样周期，i i为正整数），通过数值公式为正整数），通过数值公式近似计算得：近似计算得： 数字式PID算法种类46n. .增量式增量式PIDPID控制算法：控制算法：n 当执行机构需要的不

29、是控制量的绝对值，而是其增量时，由上当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是其增量时，由上式可导出增量式式可导出增量式PIDPID计算公式：计算公式：n上式可以进一步改写为：上式可以进一步改写为：n 式中：式中： 直流电机转速PID调节参考程序#include typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; struct PID /定义PID结构体int SetValue; /设定值/long SumError; /误差double Proportion; /比例系数double Integral; /积分系数double Der

30、ivative; /微分系数int LastError;int PrevError;sPID,*sptr= &sPID; sbit PWM_out=P17;sbit mRun=P20;sbit Din=P10;/ sbit CLK=P11;/uint period=100;/pwm周期uint time=50;uint PWM_h=0;/pwm脉宽uint count=0; uint pulse_count=0;/采集光电编码器脉冲数uint speed=0;uint dat_t=0;uchar dispflag=0;uchar data disdata8;unsigned char code

31、 LED_Map18=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x58,0 x5e,0 x79,0 x71,0,0 x40 ;/0-F , ,-void delay(int count) unsigned int i;for(i=0;iSumError = 0;sptr-LastError = 0; /Error-1sptr-PrevError = 0; /Error-2sptr-Proportion = 2.3; /比例系数sptr-Integral = 1.2; /积分系数sptr-D

32、erivative = 0.1; /微分系数sptr-SetValue =33;/设定转速对应光电编码器脉冲数/*函数名:int PID_Calc(int MeasureValue)*函数功能:PID算法 调节PWM增量*函数参数:MeasureValue 测得的速度 PID_Adjust PWM返回值*/int PID_Calc(int MeasureValue)register int iError, PID_Adjust; iError = sptr-SetValue - MeasureValue; /计算增加量PID_Adjust = (int)(sptr-Proportion * i

33、Error /Ek项- sptr-Integral * sptr-LastError /Ek-1项+ sptr-Derivative * sptr-PrevError); /Ek-2项/储存当前误差，以便后面计算sptr-PrevError = sptr-LastError;sptr-LastError = iError;/返回增量值return (PID_Adjust);/数码显示/数码显示void display() uchar LED_code8; uchar i,j,chr,sel; / for(i=0;i8;i+) LED_codei=LED_Mapdisdatai; / LED_c

34、odei=0 x3f; for(i=0;i8;i+) chr= LED_codei; / if(i=6) chr= chr|0 x80; sel=0 x80; for(j=0;j1; delay(1); CLK=1; delay(1); void speed_disp()/速度显示 /speed=80;disdata5=speed/100;/取10位 disdata6=speed%100/10;/取个位 disdata7=speed%10;/取个位 disdata0=16; disdata1=16; disdata2=16; disdata3=16; disdata4=16; if(disda

35、ta5=0) disdata5=0 x10;/如果十位为零则不显示 display(); void int0() interrupt 0 using 0 /float t0;count+; /if (count=10)if (dat_t=1000) speed=(count-1)/12;dispflag=1;count=0;dat_t=0; void timer0() interrupt 1 using 1 TH0=0 xfc; /定时器装载初值，设置脉冲信号的占空比 1ms (65536-1000=fc18) TL0=0 x18; time+; dat_t+; if(timeperiod)

36、time=0; if(timePWM_h)&(time=period) /*周期时间到，变高*/ PWM_out=0;/*经过反相器反相*/ void main() uchar flag0=0;int PWM_PID;P1=0 x00;PWM_out=0; speed=0;speed_disp(); TMOD=0 x01; /*定时器0方式1*/ TH0=0 xfc; /定时器装载初值，设置脉冲信号的占空比 1ms (65536-1000=fc18) TL0=0 x18; dat_t=0; ET0=1; /*开定时器0中断*/ TR0=1; /*启动定时器0*/ IT0=1; EX0=1; E

37、A=1;PIDInit();while(1) mRun=1; if(mRun=0) EA=1; /*开CPU中断*/ flag0=1;if (dispflag=1) dispflag=0;speed_disp();/PWM_PID=PID_Calc(pulse_count);/计算PID调节值(1s调节1次) PWM_PID=PID_Calc(speed);/计算PID调节值(1s调节1次)if(PWM_h+PWM_PID0)PWM_h=PWM_h+PWM_PID;else if(PWM_h+PWM_PID=period)PWM_h=period;elsePWM_h=0; mRun=1;if(

38、mRun=1)EA=0; /*关CPU中断*/PWM_out=0; if( flag0=1) speed=0; speed_disp(); flag0=0; I2C总线协议 2条双向串行线，一条数据线SDA，一条时钟线SCL。 SDA每次传输8bit，即一字节。 支持多主控(multimastering)，任何时间点只能有一个主控。 总线上每个设备都有自己的一个addr，共7个bit，广播地址全0. I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号n开始信号开始信号 SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。n结束信号结束信号 SCL为高

39、电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。n应答信号：应答信号： 接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。 一、数据位的有效性规定一、数据位的有效性规定 I2C总线进行数据传送时，总线进行数据传送时，时钟信号为高电平期间时钟信号为高电平期间，数据，数据线上的数据必须保持稳定，只有在线上的数据必须保持稳定，只有在时钟线上的信号为低电时钟线上的信号为低电平期间平期间，数据

40、线上的高电平或低电平状态才允许变化。，数据线上的高电平或低电平状态才允许变化。nI2C总线的数据传送总线的数据传送二、起始和终止信号二、起始和终止信号n SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由高电平向低电线由高电平向低电平的变化表示起始信号；平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。线由低电平向高电平的变化表示终止信号。 三、数据传送格式三、数据传送格式（1）字节传送与应答）字节传送与应答n 每一个字节必须保证是每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传位长度。数据传送时，先传送最高位（送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有随一位应答位（即一帧共有9位）。位）。 （2）数据帧格式）数据帧格式 I2C总线上传送的数据信号是广义