用MAXQ3212微控制設(shè)計數(shù)字溫度監(jiān)控器

摘要：該應(yīng)用筆記介紹了一款基于MAXQ3212微控制器的溫度監(jiān)控器，這個簡單系統(tǒng)將檢測到的環(huán)境溫度與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的門限進(jìn)行比較，并控制繼電器輸出比較結(jié)果。系統(tǒng)同時也包括一個1-Wire數(shù)字溫度計和由8位LED顯示驅(qū)動器驅(qū)動的4位、7段LED顯示器。利用微控制和高度集成的顯示驅(qū)動器，可有效降低外部元件的數(shù)量。

引言

很多應(yīng)用場合需要調(diào)節(jié)、控制溫度，例如，當(dāng)環(huán)境溫度過低時，利用一個燈泡即可提升一個封閉的小空間的溫度或烘干未干的油漆等類似物品。多數(shù)情況下，利用溫度檢測、電源開關(guān)和加熱源即可構(gòu)成一個閉環(huán)溫控系統(tǒng)。

本應(yīng)用筆記說明了如何使用MAXQ微控制器設(shè)計這樣的控制系統(tǒng)或溫度監(jiān)控器?？紤]到MAXQ3212所具備的功能及其設(shè)計簡單、價格低廉和隨處可得的低價位開發(fā)環(huán)境，MAXQ3210評估板(MAXQ3210-KIT)，我們選擇這款器件作為系統(tǒng)控制器。本文例程所使用的開發(fā)環(huán)境是MAX-IDE 1.0版和MAXQ3210仿真開發(fā)板A版。

系統(tǒng)設(shè)計詳細(xì)說明

概述

這個數(shù)字溫度監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施非常簡單，圖1是系統(tǒng)的電路圖。DS18B20 1-Wire?數(shù)字溫度傳感器用來檢測環(huán)境溫度，系統(tǒng)把這個溫度與用戶設(shè)置的溫度門限進(jìn)行比較，如果溫度低于用戶設(shè)置的門限，繼電器將產(chǎn)生控制信號。通常情況下系統(tǒng)通過4位LED顯示器指示環(huán)境溫度，當(dāng)用戶設(shè)置溫度時，LED用來顯示用戶的設(shè)置值。

MAXQ3212用作系統(tǒng)控制器，將兩個按鍵開關(guān)連接到處理器配置為輸入端口的引腳，實(shí)現(xiàn)用戶接口功能(設(shè)置上、下調(diào)節(jié))。另外一個微處理器端口用作信號輸出，控制繼電器動作。


圖1. 系統(tǒng)電路圖

利用一個4位、7段LED顯示器作為系統(tǒng)顯示，確保其在各種照明環(huán)境下提供有效顯示，不需要額外的系統(tǒng)背光。

為簡化處理器與顯示器之間的接口設(shè)計，提供必要的驅(qū)動電流和多路復(fù)用開關(guān)，本系統(tǒng)選用了Maxim的8位LED顯示驅(qū)動器ICM7218AIPI。該器件包含了所有與微控制器、共陽極LED顯示器直接連接的電路。LED驅(qū)動器可以最多驅(qū)動8位數(shù)字，但本系統(tǒng)只使用了4位顯示器。無需使用外部限流電阻即可驅(qū)動7段顯示器的每一段。

系統(tǒng)輸出控制標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)繼電器，把交流電切換到任意負(fù)載，可以按照負(fù)載的供電要求進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)采用了一個可以切換8A電流、線圈電壓恰好是5V系統(tǒng)供電電壓的繼電器。當(dāng)然，該繼電器可以工作在任何不超過最終驅(qū)動FET (BS170)額定電壓或電流的條件下。

考慮到這個系統(tǒng)實(shí)施的可行性，不需要進(jìn)行精確地系統(tǒng)仿真或優(yōu)化系統(tǒng)的閉環(huán)性能。實(shí)際溫度與所要求溫度門限的簡單比較是唯一的輸出切換規(guī)則。為了達(dá)到實(shí)際系統(tǒng)的要求，可以修改軟件子程序Relay_Switch。

用簡單的DS18B20-PAR測量環(huán)境溫度,在-10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)可以提供±0.5°C的測試精度。本系統(tǒng)中，所要求的工作溫度范圍為+12°C至+38°C (+55°F至+100°F)。芯片的溫度測試分辨率是9至12位，可由用戶選擇，關(guān)于分辨率的選擇可參考下述內(nèi)容。其它應(yīng)用中，每個DS18B20所包含的唯一的64位ID可以支持1-Wire網(wǎng)絡(luò)中掛接多個DS18B20。

1-Wire接口

Maxim的1-Wire總線采用獨(dú)特的串行通信接口，只需要一條信號線和地線進(jìn)行通信。這種接口通過微控制器的一個引腳即可實(shí)現(xiàn)與1-Wire器件的通信。接口還具有供電功能，稱為寄生電源，利用1-Wire信號線能夠在沒有1-Wire器件本地供電的情況下進(jìn)行工作。該系統(tǒng)設(shè)計中，接口設(shè)計并不重要，關(guān)鍵在于遠(yuǎn)端溫度的測量。

雖然系統(tǒng)中只用到了一個1-Wire器件，但是，1-Wire總線設(shè)計工作在一個主機(jī)和多個從機(jī)，即多點(diǎn)工作，本應(yīng)用中選用了一片DS18B20進(jìn)行溫度測量，Maxim還可提供多款具有類似功能的器件。例如，需要檢測多個位置的溫度時，可以使用DS28EA00，它可以簡化1-Wire器件在1-Wire網(wǎng)絡(luò)中的物理位置識別。

在溫度監(jiān)控應(yīng)用中，通過一條口線進(jìn)行逐位控制，實(shí)現(xiàn)1-Wire總線的通信。實(shí)現(xiàn)這一功能的軟件請參考應(yīng)用筆記3769，"用MAXQ3210構(gòu)建1-Wire溫度記錄儀"。這個軟件專為MAXQ3210和DS1822 Econo 1-Wire數(shù)字溫度計編寫。本應(yīng)用中只需把原來軟件里的9位分辨率更該成10位，應(yīng)用筆記3769也提供了1-Wire及其應(yīng)用的參考設(shè)計。

MAXQ3212 I/O引腳

MAXQ3212共有15個端口引腳可以使用：端口0有8條口線，端口1有7條口線。與ICM7218顯示驅(qū)動器通信最少需要10條信號線(引腳)，4個引腳用于溫度設(shè)置的上、下調(diào)節(jié)，繼電器驅(qū)動以及DS18B20的通信，共占用14個引腳。默認(rèn)情況下，MAXQ3212 15個引腳中的4個用于JTAG接口(P1.0、P1.2、P1.3、P1.4)，1個用于做復(fù)位輸入(P1.1)。雖然這5個信號控制調(diào)試功能，但也用作其它功能。在整個調(diào)試過程中需要特別考慮。

將控制位TAP和RSTD設(shè)置到相應(yīng)電平(分別為0和1)，這5個引腳的默認(rèn)調(diào)試功能可以被禁，可作為普通引腳使用，不再用于調(diào)試功能。本設(shè)計中，最終調(diào)試的應(yīng)用程序是顯示部分，因為它們需要大量的I/O引腳，但功能比較簡單，僅需要少量的調(diào)試工作。

匯編程序在指令禁止這五個調(diào)試控制信號之前插入較長的時間延時(大約5秒鐘)，這個延時允許調(diào)試板在禁止調(diào)試控制之前仍然具有處理器的控制權(quán)。由此，調(diào)試板能夠在必要時對器件進(jìn)行控制。

顯示器選擇

對顯示器的選擇主要考慮溫度監(jiān)控器用于室內(nèi)還是室外，光線的亮暗程度。這樣做的目的是希望在除了強(qiáng)光照射情況(比如陽光直射的室外)以外，在各種光照條件下都能看清LED的顯示結(jié)果。通常采用簡單的彩燈就可以提供必要的顯示對比度和可見性。LED顯示器不再需要額外電路，比如背光電路。

本應(yīng)用中不使用多路復(fù)用器，需驅(qū)動4位、每位7段的LED。不包括小數(shù)點(diǎn)位，共需要28條獨(dú)立的信號線(4位 x 7段)。顯然，如果沒有其它電路的話，MAXQ3212無法提供這么多端口信號。所以，我們選用了ICM7218解決這個問題，其內(nèi)部多路復(fù)用器可以提供最多8位顯示，不需要額外的限流電阻可直接驅(qū)動LED顯示。簡單通過8位信號和2路控制(模式、寫操作)就可以與處理器連接。

用戶輸入門限設(shè)置

鑒于MAXQ3212的端口資源，不可能為用戶輸入溫度門限提供一個并行接口。所以，采用簡單的上、下調(diào)節(jié)鍵增大或降低溫度門限。在系統(tǒng)初始上電時，軟件會把溫度默認(rèn)值設(shè)置為+72.5°F，并把這個值存儲到MAXQ3212 EEPROM內(nèi)。如果用戶增大或降低溫度設(shè)置點(diǎn)，新的溫度值就會存進(jìn)這個EEPROM。由于EEPROM為非易失存儲器，即使在掉電情況下數(shù)據(jù)也不會丟失。

檢測到按鍵動作時候，LED會顯示當(dāng)前的設(shè)置點(diǎn)。為了幫助指示正在顯示的是溫度門限，微控制器會打開最后一位小數(shù)點(diǎn) (通常為關(guān)閉狀態(tài))。如果按鍵保持足夠的時間，溫度會以大約每秒0.5°F的速度遞增或遞減。達(dá)到所要求的溫度時，用戶可釋放按鍵，立即建立新的溫度門限。顯示器隨后返回到環(huán)境溫度值，最后一位小數(shù)點(diǎn)關(guān)閉。

溫度轉(zhuǎn)換

這個應(yīng)用中，利用軟件把溫度從攝氏度轉(zhuǎn)換到華氏度。執(zhí)行DS18B20的“溫度轉(zhuǎn)換”命令，16位(帶符號位)結(jié)果按照以下方式儲存到溫度傳感器的寄存器中。

溫度高有效位

Bit 15	Bit 14	Bit 13	Bit 12	Bit 11	Bit 10	Bit 9	Bit 8
Sign	Sign	Sign	Sign	Sign	26	25	24

溫度低有效位

Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
23	22	21	20	2-1	2-2	2-3	2-4

這個溫度傳感器的分辨率可以由用戶配置為9、10、11或12位，對應(yīng)的溫度分辨率為0.5°C、0.25°C、0.125°C、0.0625°C。DS18B20上電時的默認(rèn)分辨率是12位，本應(yīng)用中被初始化為10位，此時，第1位和第0位(2-3，2-4)沒有意義，可以分辨最小溫度值是0.25°C。

在這個應(yīng)用里，以華氏溫度為單位顯示溫度。利用下列方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

華氏溫度 = (攝氏溫度 × 1.8) + 32(式1)

因為溫度以小數(shù)形式表示，而且轉(zhuǎn)換時需要乘以1.8，所以用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行計算。進(jìn)行實(shí)數(shù)乘法運(yùn)算時，需要在不浪費(fèi)處理器資源的情況下盡量減小計算誤差。DS18B20初始化時，溫度值的分辨率設(shè)置成10位，所以第1位和第0位沒有意義。在溫度小數(shù)部分的其余2位(第3位和第2位)提供0.25°C (0.45°F)的分辨率。因為MAXQ3212累加器的字節(jié)寬度為8位，可以方便地用一個字節(jié)作為溫度換算的小數(shù)部分，乘法器可以包含6位小數(shù)信息。從下面可以看出，可以用6位小數(shù)近似表示到0.8至0.8的99.61%。

2-1 = 0.500000 => 0.8的62.50%
2-2 = 0.250000 + 0.50000 = 0.750000 => 0.8的93.7%
2-5 = 0.031250 + 0.0750000 = 0.781250 => 0.8的97.65%
2-6 = 0.015625 + 0.781250 = 0.796875 => 0.8的99.61%

用這個精度的數(shù)值轉(zhuǎn)換華氏度數(shù)據(jù)，足以滿足這個溫度傳感器的精度要求。

作為一個例子，我們可以計算測量溫度+24.2510，(018.116)攝氏度，可表示為：

溫度高有效位

Bit 15	Bit 14	Bit 13	Bit 12	Bit 11	Bit 10	Bit 9	Bit 8
0 (sign)	0 (sign)	0 (sign)	0 (sign)	0 (sign)	0	0	1

溫度低有效位

Bit 7	Bit 6	Bit 5	Bit 4	Bit 3	Bit 2	Bit 1	Bit 0
1	0	0	0	0	1	x	x

換一種方式表示，上面的數(shù)值可以表示為00000001 1000.01xx2，這個數(shù)乘以1.810。把1.810轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，用6位表示小數(shù)，結(jié)果轉(zhuǎn)換成常數(shù)0001.1100112。這種轉(zhuǎn)換方法如下：

???0000s0 011000.012 = 006116
× 00000000 01.1100112 = 007316
-----------------------
???00101011 .100100112 = 2B9316
+ 00100000 .000000002 = 32.010
-----------------------
???01001011 .100100112 = 4B9316 = 75.57421910

可以看出，75.574219是精確的計算結(jié)果。如果把這個結(jié)果去掉2位小數(shù)，得到75.5°F，可以達(dá)到用計算器進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時的0.15°F精度。如此精確的結(jié)果足以滿足這種應(yīng)用的要求。

雙FET線圈驅(qū)動

本應(yīng)用使用兩個場效應(yīng)管(FET)與處理器的輸出端口連接，控制繼電器開關(guān)。MAXQ3212端口的復(fù)位默認(rèn)狀態(tài)是弱上拉，高電平。因此，上電時其端口引腳為高電平，直到應(yīng)用軟件改變其狀態(tài)。如果利用一路n溝道FET (BS-170)控制繼電器線圈的供電，在處理器上電時，這個端口的默認(rèn)狀態(tài)就會觸發(fā)繼電器動作。直到應(yīng)用軟件將其置0為止。這種狀態(tài)是不期望出現(xiàn)的，因為繼電器被錯誤地觸發(fā)，導(dǎo)致了一次不需要的動作。為了解決這一問題，電路采用了2個串聯(lián)FET，共同控制繼電器動作，處理器上電后的默認(rèn)狀態(tài)不會觸發(fā)繼電器。

例程

該應(yīng)用的配套軟件可從： 下載(ZIP)，其中包含源代碼文件：Thermostat.asm、1-Wire.asm、BCD.asm、ThermDisp.asm和頭文件maxq3120.inc，其中頭文件包含MAXQ3210/MAXQ3212的寄存器定義。壓縮文件還包含MAX-IDE項目文件Thermostat.prj和可裝載十六進(jìn)制文件Thermostat.hex。把這些壓縮文件解壓到一個目錄下，即可在MAXQ3210評估軟件上編譯和運(yùn)行。2007年9月12日，在an3965_sw.zip程序文件中增加了另一個文件(Temp3Gerber.zip)，所增加的文件包括Gerber數(shù)據(jù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)該設(shè)計的雙層印制電路板所需的器件列表。

結(jié)論

MAXQ3212是一個用途廣泛的高性能RISC處理器，具有小尺寸、低成本特性，提供強(qiáng)大的功能支持，特別適合大批量生產(chǎn)的應(yīng)用。本應(yīng)用筆記介紹了一個基于MAXQ3212 RISC微控制器的數(shù)字溫度控制器。通過MAXQ3212將檢測到的環(huán)境溫度與用戶設(shè)置的溫度門限進(jìn)行比較，用于繼電器控制。利用DS18B20 1-Wire溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，并將溫度顯示在由Maxim的8引腳LED顯示驅(qū)動器ICM7218驅(qū)動的4位、7段LED顯示器上。所選擇的微控制器和高集成度顯示驅(qū)動器，使系統(tǒng)的元件數(shù)量大大降低。