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(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)將檢測(cè)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(shí)也包括一個(gè)1-Wire數(shù)字溫度計(jì)和由8位LED顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，可有效降低外部元件的數(shù)量。

引言

很多應(yīng)用場(chǎng)合需要調(diào)節(jié)、控制溫度，例如，當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，利用一個(gè)燈泡即可提升一個(gè)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(cè)、電源開關(guān)和加熱源即可構(gòu)成一個(gè)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(jì)這樣的控制系統(tǒng)或溫度監(jiān)控器。考慮到MAXQ3212所具備的功能及其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉和隨處可得的低價(jià)位開發(fā)環(huán)境，MAXQ3210評(píng)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(jì)詳細(xì)說明

概述

這個(gè)數(shù)字溫度監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施非常簡(jiǎn)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(cè)環(huán)境溫度，系統(tǒng)把這個(gè)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(hào)。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(shí)，LED用來顯示用戶的設(shè)置值。

MAXQ3212用作系統(tǒng)控制器，將兩個(gè)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(gè)微處理器端口用作信號(hào)輸出，控制繼電器動(dòng)作。


圖1. 系統(tǒng)電路圖

利用一個(gè)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(jiǎn)化處理器與顯示器之間的接口設(shè)計(jì)，提供必要的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器可以最多驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)FET (BS170)額定電壓或電流的條件下。

考慮到這個(gè)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(jiǎn)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(jiǎn)單的DS18B20-PAR測(cè)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(cè)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(cè)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(gè)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(gè)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(hào)線和地線進(jìn)行通信。這種接口通過微控制器的一個(gè)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(hào)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(jì)中，接口設(shè)計(jì)并不重要，關(guān)鍵在于遠(yuǎn)端溫度的測(cè)量。

雖然系統(tǒng)中只用到了一個(gè)1-Wire器件，但是，1-Wire總線設(shè)計(jì)工作在一個(gè)主機(jī)和多個(gè)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(cè)量，Maxim還可提供多款具有類似功能的器件。例如，需要檢測(cè)多個(gè)位置的溫度時(shí)，可以使用DS28EA00，它可以簡(jiǎn)化1-Wire器件在1-Wire網(wǎng)絡(luò)中的物理位置識(shí)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(qǐng)參考應(yīng)用筆記3769，"用MAXQ3210構(gòu)建1-Wire溫度記錄儀"。這個(gè)軟件專為MAXQ3210和DS1822 Econo 1-Wire數(shù)字溫度計(jì)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(jì)。

MAXQ3212 I/O引腳

MAXQ3212共有15個(gè)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(dòng)器通信最少需要10條信號(hào)線(引腳)，4個(gè)引腳用于溫度設(shè)置的上、下調(diào)節(jié)，繼電器驅(qū)動(dòng)以及DS18B20的通信，共占用14個(gè)引腳。默認(rèn)情況下，MAXQ3212 15個(gè)引腳中的4個(gè)用于JTAG接口(P1.0、P1.2、P1.3、P1.4)，1個(gè)用于做復(fù)位輸入(P1.1)。雖然這5個(gè)信號(hào)控制調(diào)試功能，但也用作其它功能。在整個(gè)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(gè)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(jì)中，最終調(diào)試的應(yīng)用程序是顯示部分，因?yàn)樗鼈冃枰罅康腎/O引腳，但功能比較簡(jiǎn)單，僅需要少量的調(diào)試工作。

匯編程序在指令禁止這五個(gè)調(diào)試控制信號(hào)之前插入較長(zhǎng)的時(shí)間延時(shí)(大約5秒鐘)，這個(gè)延時(shí)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(shí)對(duì)器件進(jìn)行控制。

顯示器選擇

對(duì)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(jiǎn)單的彩燈就可以提供必要的顯示對(duì)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(dòng)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(hào)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(hào)。所以，我們選用了ICM7218解決這個(gè)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(dòng)LED顯示。簡(jiǎn)單通過8位信號(hào)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(gè)并行接口。所以，采用簡(jiǎn)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(shí)，軟件會(huì)把溫度默認(rèn)值設(shè)置為+72.5°F，并把這個(gè)值存儲(chǔ)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(huì)存進(jìn)這個(gè)EEPROM。由于EEPROM為非易失存儲(chǔ)器，即使在掉電情況下數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。

檢測(cè)到按鍵動(dòng)作時(shí)候，LED會(huì)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(huì)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(shí)間，溫度會(huì)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(shí)，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(gè)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(hào)位)結(jié)果按照以下方式儲(chǔ)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(gè)溫度傳感器的分辨率可以由用戶配置為9、10、11或12位，對(duì)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(shí)的默認(rèn)分辨率是12位，本應(yīng)用中被初始化為10位，此時(shí)，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(gè)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?yàn)闇囟纫孕?shù)形式表示，而且轉(zhuǎn)換時(shí)需要乘以1.8，所以用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行實(shí)數(shù)乘法運(yùn)算時(shí)，需要在不浪費(fèi)處理器資源的情況下盡量減小計(jì)算誤差。DS18B20初始化時(shí)，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?yàn)镸AXQ3212累加器的字節(jié)寬度為8位，可以方便地用一個(gè)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(gè)精度的數(shù)值轉(zhuǎn)換華氏度數(shù)據(jù)，足以滿足這個(gè)溫度傳感器的精度要求。

作為一個(gè)例子，我們可以計(jì)算測(cè)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(gè)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(jì)算結(jié)果。如果把這個(gè)結(jié)果去掉2位小數(shù)，得到75.5°F，可以達(dá)到用計(jì)算器進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)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(dòng)

本應(yīng)用使用兩個(gè)場(chǎng)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(shí)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(shí)，這個(gè)端口的默認(rèn)狀態(tài)就會(huì)觸發(fā)繼電器動(dòng)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?yàn)槔^電器被錯(cuò)誤地觸發(fā)，導(dǎo)致了一次不需要的動(dòng)作。為了解決這一問題，電路采用了2個(gè)串聯(lián)FET，共同控制繼電器動(dòng)作，處理器上電后的默認(rèn)狀態(tài)不會(huì)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(xiàng)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(gè)目錄下，即可在MAXQ3210評(píng)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(gè)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(jì)的雙層印制電路板所需的器件列表。

結(jié)論

MAXQ3212是一個(gè)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(gè)基于MAXQ3212 RISC微控制器的數(shù)字溫度控制器。通過MAXQ3212將檢測(cè)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(cè)環(huán)境溫度，并將溫度顯示在由Maxim的8引腳LED顯示驅(qū)動(dòng)器ICM7218驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，使系統(tǒng)的元件數(shù)量大大降低。