修平科技大學四技機械工程系

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押崎苗
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1 修平科技大學四技機械工程系專題製作報告溫度感測器的設計與實現指導老師 : 劉柏挺班級 : 夜四技機械三甲組員 : 張盛閎 YA99014 陳俞憲 YA99009 李致緯 YA99032 中華民國一 O 二年六月二十七日

2 摘要本專題利用溫度晶體來感測溫度, 輔以 PWM 方式的調控由於控制簡單, 故不用可程式控制器來控制, 而使用 8051 單晶片來做控制當溫度到達設定的溫度後能啟動風扇來冷卻, 此裝置能應用於一般的冷卻系統或加熱系統 II

3 目錄摘要目錄 I 圖目錄 III 表目錄 IV 第一章前言 1-1 動機溫度感測器的設計與實現的簡初步設計概念製作流程.. 5 第二章單晶片簡介的介紹的接腳說明振盪器特性 I/O 埠的結構與運作存取外部記憶體計時器 / 計數器 DS18B20 溫度晶體.. 18 第三章控制線路的設計 3-1 按鍵輸入風扇控制. 22 第四章零件表與程式列表 4-1 零件表程式列表. 26 第五章結果與討論 5-1 本溫度感測器成品說明溫度感測器實際量測本溫度感測器的實現本溫度感測器成品說明 33 第六章專題心得專題心得 I

4 參考文獻 II

5 圖目錄圖接腳圖圖邏輯符號圖圖 2-3 振盪器圖表圖 2-4 A.PORT 0 BIT 圖 2-5 B.PORT 1 BIT 12 圖 2-6 C.PORT 2BIT 圖 2-7 D.PORT 3BIT 圖 2-8 計時 / 計數器模式控制暫存器圖 2-9 計時 / 計數器控制暫存器圖 2-10 DS18B20 晶體接腳圖 3-1 設計概念方塊圖 21 圖 3-2 按鍵電路圖 22 圖 3-3 驅動風扇的驅動電路 23 圖 3-4 控制線路圖圖 5-1 本溫度感測器成品說.. 33 圖 5-2 冰箱內部測量溫度.. 34 圖 5-3 本溫度感測器所量到的溫度.. 34 圖 5-4 本溫度感測器置於運作中的電腦主機殼內量測 35 圖 5-5 主機板溫度測試監視軟體所量測到的溫度. 35 圖 5-6 完成圖.. 36 III

6 表目錄表 4-1 零件表表 4-2 程式列表 IV

7 第一章前言 1-1 動機現在氣候不如往常, 日夜溫差大, 如果我們想要良好的溫度環境, 然後去加以控制, 那我們就需要透過溫度感測器來做溫度的控制, 但是溫度感測器種類很多, 而這次我們是利用溫度晶體, 來進一步溫度感測和分析, 最後交由 89C51 去進一步判斷, 並使用 PWM 方式控制電晶體開關, 來控制風扇的轉速利用感測器的方法來測量溫度, 不只在日常生活中隨處可見 ( 如冷氣電冰箱等 ), 所以我們請教了一些電子科系的朋友們指導如何使用一些電子零件去加以控制和顯示 1-2 溫度感測器的設計與實現的簡介在目前科技發達以及生活便利的現在社會, 不論是在日常生活中, 或者工商業的發展, 甚至是學術之研究溫度對我們而言, 是一項很重要的參數, 是不可或缺且與我們息息相關的在生活上, 天氣冷或熱時, 我們常用冷暖氣機來控制溫度使溫度控制在一定的範圍之內, 以達到恆溫之目的, 來讓我們覺得舒適在工業及學術研究上, 溫度所扮演的角色能決定產品的好壞公共安全實驗數據的可靠性等由此可得知溫度的重要性, 因此倘若未來人們能夠更善加的利用溫度了解溫度, 相信將會一直持續的為人類帶來更多的福祉此專題的目的, 讓我們更深刻的了解到溫度感測元件的動作原理, 以即認識更多的感測元件 ; 也讓我們對於感測元件電路有更多的認知因此, 經過此專題的製作, 應當對於培養我們有關於感測與控制方面的思考模式設計概念, 會有相當大的助益, 令我們受益匪淺 5

8 1-3 初步設計概念使用溫度電晶體配合控制電路與單晶片的使用來量測溫度, 然後以七段顯示器來顯示溫度溫度的設定則使用按鈕開關來為之, 最後以小型風扇來實現 1-4 製作流程討論討論議決初步設計材料準備零件製作電路製作組合零件檢修調整測試撰寫專題報告 6

9 第二章 8051 單晶片簡介的介紹 8051 是 INTEL 公司開發相當成功的單晶片, 在教育界中用來當作單晶片學習的入門首選, 由於其使用的普及, 因此目前有好幾家設計半導體晶片的公司也有製造與 8051 相容的單晶片, 而有些公司所製造出來的單晶片其執行的速度更快, 可以高達 40MHz, 若使用者想加快單晶片系統的執行速度時可以選用此一類型的 8051 晶片由於 8051 在教育界的大量使用, 業界也有不少的使用, 所以未來的市場還是相當被看好無怪乎還有眾多的廠商紛紛推出相容的單晶片, 及支援 8051 程式的發展工具 [1,2] 目前市面上還有一種名為 AVR 的單晶片 ( 由 ATMEL 公司所開發及生產 ) AVR 系列單晶片擁有 8051 及 PIC 的特色 AVR 單晶片是精簡指令集電腦 (RISC) 的微控制器 (MCU), 所有執行效能較 8051 好, 但是卻有複雜指令集電腦 (CISC) 有較多較好用的指令可以用, 以及原廠提供的完整開發工具, 將使 AVR 單晶片更有競爭力 (T2) (T2EX) RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD XTAL2 XTAL1 V SS P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P 圖 2-1:8051 接腳圖 V CC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VPP ALE/PGOR PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 7

10 的接腳說明圖 2-2:8051 邏輯符號圖圖 2-1 為 8051 晶片的 40 支接腳 DIP 包裝的接腳圖一如 Intel 公司其它的 CPU 晶片一樣,8051 晶片也有許多接腳是多用途的在此將說明每一支接腳的信號名稱及其功能用途信號名稱後面括號中的數字代表其接腳號碼 Vss(20): 接地 (GND) 電源信號 Vcc(40): +5V 電源輸入端 XTAL1(19),XTAL2(18): 工作頻率輸入信號若使用石英振盪晶體時, 則應將石英晶體的兩支接腳接到 XTAL1 與 XTAL2 接腳上若使用外部的脈波信號源時波信號應接至 XTAL 接腳上, 而 XTAL2 則必須接地可使用的工作頻率範圍為 :1.2~l2 MHz RST/VST(9): 硬體重置 (Reset) 輸入信號當本接腳收到一個由 low 上升為 high 的轉態信號時,8051 將被重置, 此時 8051 將其內部的特殊功能暫存器 (Special Function Register,SFR) 設定為預設值, 並由位址 0000H 開始執行程式本接腳 (VPD) 亦可用於 8051 的功率下降 (Power Down) 模式, 當 VPD 維持約 +5V 而 Vcc 低於規定的 +5V+5% 時,VPD 將供應電源 ( 稱之為 Standby Power) 給其內部的 RAM 使用, 以保存其資料 8

11 EA(31): 外部存取致能 (External Access Enable) 輸入信號決定程式記憶體最前面 bytes(0000h-0fffh) 是來自晶片內部的 ROM/EPROM(/EA=H), 或來自外部的 ROM/EPROM(/EA=L) 注意 : 由於 8031 晶片無內部的 ROM/EPROM, 故 803l 的 /EA 必須接地 ( 即低電位信號 ) P0.0~P0.7(39~32): 埠 0 本接腳有兩種用途 : 當作 I/O 埠時為 8 位元雙向開吸極 (Open Drain) 的 I/O 埠, 將信號 1 寫入埠 0 時, 可使其接腳進入高阻抗狀態, 此時可當作 I/O 輸入接腳, 每支接腳可驅動 8 個 LS TTL 負載本接腳亦當作多工式的低階位址 (A0-A7) 及資料 (DO-D7) 匯流排, 可供存取外部的記憶體通常在每一個指令週期中先送出低階位址信號 ( 此時亦伴隨著送出 ALE 信號 ), 然後再送出資料信號, 故這 8 支接腳又稱之為 AD0-AD7 P1.0~P1.7(1~8): 埠 1 為 8 位元雙方向性的 I/O 埠將信號 l 寫入埠 l 時, 可使其接腳由其內部提升為高電位狀態, 此時可當作 I/O 輸入接腳每支接腳可驅動 4 個 LS TTL 負載在 8052 系列晶片中,P1.0 及 P1.1 可做如下之用途 : T2(P1.0): 計時器 / 計數器 2 外部信號輸入端 T2EX(P1.1): 計時器 / 計數器 2 在捕捉 (Capture) 模式時的觸發 / 重新載入信號輸入端 P2.0~P2.7(21~28): 埠 2 本接腳有兩種用途 : 當作 I/O 埠時為 8 位元雙向 I/O 埠將信號 1 寫入埠 2 時, 可使其接腳由其內部提升為高電位狀態, 此時可當作 I/O 輸入接腳每支接腳可驅動 4 個 LS TTL 負載本接腳亦當作高階位址 (A8-A15) 匯流排, 以存取外部記憶體 P3.0~P3.7(10~17): 埠 3 為 8 位元雙方向性的 I/O 埠將信號 1 寫入埠 3 時, 可使其接腳由其內部提升為高電位狀態, 此時可當作 I/O 輸入接腳每支接腳可驅動 4 個 LS TTL 負載本接腳亦可使用於下列之用途 : RXD(P3.0): 串列埠信號輸入端 TXD(P3.1): 串列埠信號輸出端 INT0(P3.2): 外部中斷 0 信號輸入端 INT1(P3.3): 外部中斷 l 信號輸入端 T0(P3.4): 計時器 / 計數器 0 外部信號輸入端 T1(P3.5): 計時器 / 計數器 l 外部信號輸入端 WR(P3.6): 外部資料記憶體寫入閃控 (Strobe) 信號輸出 RD(P3.7): 外部資料記憶體讀取閃控 (Strobe) 信號輸出 PSEN(29): 程式儲存致能 (Program Store ENable) 閃控輸出信號在外部程式記憶體的指令碼擷取週期時,/PSEN 將送出一個閃控信號, 以 9

12 表示 CPU 正自外部的程式記憶體中讀取指令碼 ALE(30): 位址閂鎖致能 (Address Latch Enable) 輸出信號當 CPU 自外界記憶體中擷取指令碼或存取資料時,ALE 將會在一個匯流排週期 (Bus Cycle) 開始時送出 H 的信號, 表示 P0.0-P0.7(AD0-AD7) 正送出低階位址 A0-A7 信號, 以供外界電路鎖定這些低階位址信號由於 ALE 信號頻率固定為振盪器工作頻率的 1/6, 故 ALE 信號也可當作脈波信號源 2-3 振盪器特性 XTAL1 及 XTAL2 是輸入和輸出, 分別接到內部的反向放大器, 來組合成為一個內建的 (on-chip) 振盪器不管是晶體或是陶瓷的振盪器都可使用, 以 12MHz 振盪器為例, 搭配的電容 C1 C2 的大小約為 : 晶體振盪器 :30pF ± 10 陶瓷振盪器 :40pF ± 10 圖 2-3: 振盪器圖表鐘控 (clock) 也可以選擇由外部振盪源由 XTAL1 輸入, 此時 XTAL2 應保持不連接的狀態 10

13 2-4 I/O 埠的結構與運作的 4 個 I/O 埠都是雙向的, 每一個都含有閂鎖 ( 特殊功能暫存器的 P0 P1 P2 P3) 輸出驅動器及輸入緩衝器 (PS: 有些特殊的 8051, 如華邦電子出的 W78E51 系列, 多的 P4, 此特殊的 8051 不在此介紹 ) 埠 0 和埠 1 的輸出驅動器, 以及埠 0 的輸入緩衝器, 可用於存取外部記憶體, 在此應用時, 埠 0 輸出外部記憶體的低位元組位置, 並可多工時序來寫入或讀取外部記憶體如果外部記憶體是 16 位元的位置, 埠 2 輸出外部記憶體的高位元組位置, 否則埠 2 的 SFR 會發送到外部接腳所有的埠 3 接腳, 以及埠 1 的兩支接腳 ( 當 8052 時 ) 是多功能接腳, 這些接腳本身是輸出 / 入腳, 但也可以用於特殊功能如下 : P1.0:T2( 當 8052 時, 計時器 / 計數器 2 外部輸入 ) P1.1:T2EX( 當 8052 時, 計時器 / 計數器 2 捕捉 / 重載觸發 ) P3.0:RXD( 串列輸入埠 ) P3.1:TXD( 串列輸出埠 ) P3.2:/INT0( 外部中斷 0) P3.3:/INT1( 外部中斷 1) P3.4:T0( 計時器 / 計數器 0 外部輸入 ) P3.5:T1( 計時器 / 計數器 1 外部輸入 ) P3.6:/WR( 外部記憶體寫入 ) P3.7:/RD( 外部記憶體讀取 ) 以上的特殊功能必須在相關的 SFR 位元被設定為 1 時才被啟動 I/O 埠結構圖 2-4~2-7 是分別顯示 8051 典型 4 個 I/O 埠的一個位元閂鎖 (Latch) 及 I/O 緩衝器 (Buffer) 功能的等效圖解位元閂鎖相當於一個 D 型正反器, 用於閂鎖記錄來自內部匯流排的值, 來反應來自 CPU 的寫到閂鎖 (write to latch) 信號正反器的 Q 輸出, 被適當的連接到內部匯流排, 來反應來自 CPU 的讀取閂鎖 (read latch) 信號外部接腳被適當的連接到內部匯流排, 來反應來自 CPU 的讀取接腳 (read pin) 信號一些讀取 I/O 埠的指令, 會啟動讀取閂鎖信號, 其他則啟動讀取接腳信號 11

14 PORT 0 PORT 2 的輸出驅動部分, 是由一個內部控制信號, 來切換內部位址線及位址線 / 資料線匯流排, 此為使用於外部記憶體存取功能在外部記憶體存取期間,P2 的 SFR 保持不改變, 但 P0 的 SFR 均被寫入 1 如果一個 P3 位元閂鎖 ( 正反器的 Q) 內容是 1, 則輸出準位是由 ALTERNATE OUTPUT FUNCTION 來控制實際的 P3.X 接腳也與 ALTERNATE INPUT FUNCTION 永遠對應 PORT 的每一個接腳, 都有包含內部提升電阻,PORT 0 則是開汲極 (open drain) 輸出, 每一個 I/O 接腳都可被獨立使用於輸入腳或輸出腳其中, 若 P0 2 使用於位址 / 資料信號時, 則無法如此使用要將 I/O 腳當成輸入用途時, 該埠的位元閂鎖必須先輸出 1, 目的是要關閉埠位元輸出驅動的 FET, 如此,PORT 的接腳會被內部提升電阻提升為高準位, 當然也可以由外部信號源拉至低準位 PORT 0 沒有內部提升電阻, 在 P0 的圖解中,I/O 埠內接一個輸出驅動器提升 FET, 此提升 FET 只有在外部記憶體存取期間才會被使用, 其他情況是關閉的因此,P0 接腳被使用於輸入時, 是開汲極 (open drain) 狀態, 寫 1 到閂鎖 ( 正反器 Q) 會讓兩個 FET 均關閉, 所以接腳狀態相當於浮接, 在此條件下可視為高阻抗輸入腳因此 PORT 有固定的內部提升電阻, 它們有時也被稱為半雙向埠, 當設為輸入時, 若外部信號源為低準位, 此提升電阻有提升電流的功用至於 P0, 在某些方面, 是被視為真正雙向埠使用, 因為當 P0 被設為輸入時, 接腳狀態是相當於浮接的在重置時,8051 會寫 1 到所有 I/O 埠, 如果隨後被寫入 0, 可再寫入 1 來轉回成輸入 12

15 圖 2-4 PORT 0 BIT 圖 2-5 PORT 1 BIT 13

16 圖 2-6 PORT 2 BIT 圖 2-7 PORT 3 BIT 14

17 2-5 存取外部記憶體存取外部記憶體包含程式記憶體或資料記憶體, 存取外部程式記憶體是使用 /PSN(program store enable) 信號來當讀取激發 (strobe) 信號, 而存取外部資料記憶體則是使用 /RD /WR( 與 P3.7 P3.6 作功能切換 ) 來當讀取激發信號抓取外部程式記憶體永遠都是使用 16 位元位址, 而存取外部資料記憶體則可使用 16 位元位址或 8 位元位址每當一個 16 位元位址被使用時, 高位元組位址會送到 PORT2, 在 8051 外部記憶體讀寫週期期間,PORT2 會保持位址信號的狀態 PORT2 因有位址輸出的功能, 所以內部有較 PORT1 PORT3 強的提升電阻在 PORT2 發出 1 的位置信號時,PORT2 的特殊用途暫存器的內容, 並不需要為 1, 且暫存器的內容值不會因 PORT2 輸出位置信號而改變如果外部記憶體存取週期後面, 無緊隨的下一個週期的外部記憶體存取, 則 PORT2 暫存器的內容值會在下一個指令週期時, 重新出現在 PORT2 的接腳上如果使用 8 位元的位址存取外部記憶體 PORT2 SFR 的內容值, 會在外部記憶體存取週期時, 輸出到 PORT2 接腳上, 此動作對記憶體分頁存取設計很有幫助在任何情況下, 低位元組位址信號和 8 位元資料信號, 會以 PORT 0 來做多工時序切換, 位址 / 資料信號會驅動在 PORT 0 輸出緩衝器的 2 個 FET, 因此, 在存取外部記憶體的應用上,PORT 0 接腳並非開汲極, 所以不需要外接提升電阻位址閂鎖致能 (ALE) 信號, 需被連接到一個具有能捕捉位址位元組 (address byte) 功能的外部閂鎖有效的位址位元組, 是在 ALE 信號為低電位時被送出來的, 接下來 : 當在寫入週期 (write cycle) 時, 資料位元組會在 /WR 信號動作 ( 低電位 ) 之前, 被送到 PORT 0, 且停留到 /WR 撤離 ( 高電位 ) 當在讀取週期 (read cycle) 時, 在讀取信號 /RD 撤離 ( 高電位 ) 前, 要讀取的有效資料, 都可被放置在 PORT 0 的接腳上在任何外部記憶體存取期間,CPU 會寫入 0FFH 到 SFR P0 暫存器, 用以清掉原先在 SFR P0 暫存器的內容, 如果使用者在外部記憶體存取的抓取 (fetch) 期間寫值到 PORT 0, 會導致 CPU 欲抓取的程式碼受到影響, 即 CPU 會抓取錯誤的外部記憶體裡的程式指令碼或資料, 因此, 絕對不要在使用外部記憶體的設計上, 寫資料到 PORT 0 15

18 外部程式記憶體存取條件有兩種 : 當 /EA 腳信號為動作時, 即 /EA 腳低電位信號輸入或是, 當程式計數器值超過內部實際的程式碼空間, 如 8051 最大為 4KB(0000H ~ 0FFFH), 8052 最大為 8KB(0000H ~ 1FFFH) 當 CPU 執行超過內部實際的程式碼空間時,PORT 2 的所有 8 位元將完全使用於輸出功能, 而且不可以被使用於一般用途的 I/O 腳應用在外部程式記憶體存取期間,PC(Program Counter 程式計數器 ) 的高位元組會輸出到 PORT 2, 在此時,PORT 2 內部使用較強的提升來搭配 PC 送出 1 信號 2-6 計時器 / 計數器 8051 有兩個 16 位元的計時 / 計數暫存器 : 計時器 0(Timer 0) 即計時器 1(Timer 1), 8052 除包含此二計時器外, 還增加計時器 2(Timer 2), 這些計時器都可被設定為計時器或是事件計數器設定為計時器時, 計數暫存器內容會在每個機器週期時, 遞增加 1 因此, 計數暫存器可用來計算機器週期數量, 一個機器週期需 12 個振盪頻率, 也就是說計時器的計數速率, 等於振盪器頻率的 12 分之 1( 有些特殊的 8051/52 是 4 分之 1, 此類特殊的 8051/52 的規格書會有說明 ) 設定為計數器時, 計數暫存器內容的遞增來源, 是由相對應的輸入腳 T0 T1( 在 8052 有 T2) 來反應, 反應方式是由 1 變成 0 時, 令計數暫存器了內容遞增加 1 除了計時器或計數器功能外, 計時器 0 及計時器 1 有 4 種作業模式 : 13 位元計時器 16 位元計時器 8 位元自動重載計時器, 以及劃分計時器在 8052 的計時器 2 有 3 種作業模式 : 捕捉自動重載, 以及 baud rate 產生器以上模式, 會在以後章節逐一詳細介紹計時器 0 計時器 1 計時 / 計數器 1 和 0 是同時存在於 8051 和 8052 內部, 計時器或計數器功能的選擇, 是依 SFR 的 TMOD 暫存器的 C/T 控制位元來決定這兩個計時 / 計數器有 4 種作業模式, 此 4 種作業模式可由 TMOD 的 M1 M0 位元對 (bit pairs) 來選擇模式對計時 / 計數器 1 和 0 都有相同的功能, 但模式 3 是不同的, 以下對此 4 種計時 / 計數器作業模式逐一介紹 16

19 (MSB) (LSB) GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 計時 / 計數器 1 計時 / 計數器 0 圖 2-8 計時 / 計數器模式控制暫存器 GATE: 閘控控制位元當設為 1 時, 對應的計時 / 計數器 x 的致能, 是對應的 /INTx 控制腳為高電位與 TRx 控制位元設定為 1 時來啟動當設為 0 時, 對應的計時 / 計數器 x 的致能, 是可隨時由對應的 TRx 控制位元設定為 1 時來啟動 C/T: 計時 / 計數器選擇位元當設為 1 時, 對應的計時 / 計數器 x 將操作於計數器功能, 計數的來源是由相對應的外部接腳 Tx(T0 或 T1 接腳 ) 來輸入當設為 0 時, 對應的計時 / 計數器 x 將操作於計時器功能, 計時的來源是由內部系統鐘控 (system clock) 除 12 來輸入 M1: 相對應的計時 / 計數器 x 的操作模式選擇位元 1 M0: 相對應的計時 / 計數器 x 的操作模式選擇位元 0 M1 M0 模式作業模式位元計時器模式由 8 位元的計時 / 計數器 THx 與 5 位元的計時 / 計數器 TLx 組成位元計時器模式由 8 位元的計時 / 計數器 THx 與 8 位元的計時 / 計數器 TLx 組成位元自動重載 (auto-reload) 計時器模式 8 位元的計時 / 計數器 THx 放置一個值, 此值會重複被自動載入到 TLx 來上數計時劃分計時器模式 TIMER 0:TL0 為 8 位元計時 / 計數器, 由 TIMER 0 的相關控制位元來控制 TH0 為 8 位元計時器, 由 TIMER 1 的相關控制位元來控制 TIMER 1: 計時 / 計數器 1 在此模式為停止狀態 17

20 (MSB) (LSB) TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 圖 2-9 計時 / 計數器控制暫存器符號位置 TF1 TCON.7 TR1 TCON.6 TF0 TCON.5 TR0 TCON.4 IE1 TCON.3 IT1 TCON.2 IE0 TCON.1 IT0 TCON.0 說明 TIMER 1 溢位旗號當計時 / 計數器 1 溢位時, 由硬體設定當處理器進入中斷向量服務常式後, 由硬體清除此位元 TIMER 1 運作控制位元由軟體設定 / 清除來控制計時 / 計數器 1 開 / 關 TIMER 0 溢位旗號當計時 / 計數器 0 溢位時, 由硬體設定當處理器進入中斷向量服務常式後, 由硬體清除此位元 TIMER 0 運作控制位元由軟體設定 / 清除來控制計時 / 計數器 0 開 / 關外部中斷 1 信號邊緣觸發旗號當外部中斷 1 信號邊緣觸發被偵測到時, 由硬體設定此位元, 當中斷處理完畢後自動清除外部中斷 1 信號型態控制位元由軟體設定 / 清除來指示外部中斷 1 的中斷信號是下降邊緣觸發 ( 設為 1), 還是低準位信號觸發 ( 設為 0) 外部中斷 0 信號邊緣觸發旗號當外部中斷 0 信號邊緣觸發被偵測到時, 由硬體設定此位元, 當中斷處理完畢後自動清除外部中斷 0 信號型態控制位元由軟體設定 / 清除來指示外部中斷 0 的中斷信號是下降邊緣觸發 ( 設為 1), 還是低準位信號觸發 ( 設為 0) 18

2-7 DS18B20 溫度晶體此溫度偵測專題, 是使用 DALLAS 出的溫度晶體可程式數位溫控 / 溫度計, 主要功能特色如下 [3]: 1 整合性晶體, 無需外加零件 2 單接腳, 通訊介面, 節省 MCU( 微處理器 ) 的輸出 / 入腳使用 3 偵測溫度範圍為 -55 度 C 到 +125 度 C 4 提供 8 位元攝式溫度測量, 解析度

21 2-7 DS18B20 溫度晶體此溫度偵測專題, 是使用 DALLAS 出的溫度晶體可程式數位溫控 / 溫度計, 主要功能特色如下 [3]: 1 整合性晶體, 無需外加零件 2 單接腳, 通訊介面, 節省 MCU( 微處理器 ) 的輸出 / 入腳使用 3 偵測溫度範圍為 -55 度 C 到 +125 度 C 4 提供 8 位元攝式溫度測量, 解析度 1 度 5 溫度轉換成數位的時間在 1 秒內 GND: 接地 DQ: 數位資料輸入 / 輸出 VDD: 工作電壓輸入圖 2-10 DS18B20 晶體接腳溫度晶體與微處理器通訊原理溫度晶體使用 2.7V 到 5.5V 的工作電壓, 使用 DQ Pin 與 MCU( 微處理控制器 ) 做通訊介面, 加上接地腳共 3 支接腳 MCU 可以只使用一支 19

22 I/O 控制腳, 連接到溫度晶體 DQ 腳, 來對溫度晶體做所有的控制, 所傳送的命令或資料順序為 : 1 起始 (Reset 信號 + Presence 信號 ) 2 傳送 8 位元命令給溫度晶體 3 依命令的特性, 傳送或接收 8 位元資料起始 : 傳送命令給溫度晶體前, 必須對 DQ Pin 做其特定順序的起始動作, 此順序動作包含 1 個由 MCU 送出的低電位重置脈衝, 然後由溫度晶體送出 1 個稱為 Presence 的低電位脈衝, 讓 MCU 知道溫度晶體有存在, 並準備接收 MCU 送來的命令當 MCU 送出 Reset 脈衝時, 要將此 1-wire 的 bus 拉到 LOW 電位, 並持續最少 480 us, 然後再回到 High 電位, 然後讀取 1-wir bus 狀態在溫度晶體測到 1-wire bus 由 LOW 變成 High 開始, 會等待 us, 然後將 1-Wire bus 拉成 LOW 電位 us, 然後回到 High 電位, 此 us 的 LOW 電位信號, 就稱為 Presence 脈衝讀取資料 : 當 8051 起使 1-Wire bus 後, 即可對溫度晶體讀取資料, 讀取資料前, 要傳給溫度晶體一個 8 位元的讀取命令, 表示 8051 要讀取某資料, 如 : 讀取溫度高位元組值, 或讀取溫度晶體內部狀態值溫度晶體在收到讀取命令後, 才會以讀取命令相對應的資料透過 1-Wire bus 傳送給 8051 寫入資料 : 寫入資料到溫度晶體順序也是一樣, 在 8051 起始 1-Wire bus 後, 先傳給溫度晶體一個 8 位元的寫入命令, 然後再傳 8 位元的資料給溫度晶體, 而當溫度晶體收到第一個寫入命令後, 會再接著接收下一個資料 ; 然後依寫入命令的種類, 將第二個收到的資料做適當的處理起始讀取資料寫入資料, 這三種動作就是 8051 對溫度晶體資料存取的主要三個動作類型, 歸納一下,8051 對溫度晶體讀取資料的步驟順序為 : 1. Reset (8051 發出 ) 2. Presence ( 溫度晶體發出 ) 20

23 3. 讀取命令 (8051 發出 ) 4. 讀取資料 ( 溫度晶體發出 ) Reset:8051 發出約 us 長的低電位脈衝 Presence: 溫度晶體回應一個約 us 長的低電位脈衝讀取命令 :8051 送出 8 位元的讀取命令讀取資料 : 溫度晶體依讀取命令的種類, 傳送回 8 位元的相對應資料 8051 對溫度晶體寫入資料的步驟為 : Reset:8051 發出約 us 長的低電位脈衝 Presence: 溫度晶體回應一個約 us 長的低電位脈衝寫入命令 :8051 送出 8 位元的寫入命令寫入資料 :8051 送出 8 位元的資料寫入 8 位元命令及寫入 8 位元資料到溫度晶體的細部動作在與寫入 8 位元資料到溫度晶體, 是依低電位時間的長短來表示 1 或 0, 而不是看 1-Wirs Pin 是高電壓位還是低電位, 說明如下 : 寫 1 : 8051 將 1-Wire bus 拉到 LOW 電位, 並在 15 us 內要放開 1-Wire bus 回到 HIGH 電位寫 0 : 8051 將 1-Wire bus 拉到 LOW 電位, 並保持最少 60 us 的時間從溫度晶體讀取 8 位元資料 : 溫度晶體是在 8051 傳送 8 位元讀取命令後, 才會傳送 8 位元資料給 8051, 所以第一個 8 位讀取命令的動作與傳送資料到溫度晶體是相同的在 8051 傳送完 8 位元讀取命令, 然後放開 1-Wire bus 1us 後, 再拉 1-Wire bus 1us, 表示開始要讀取溫度晶體, 從拉 LOW 開始 15us 時溫度晶體會以 1-wWire bus 的電位來表示 1 和 0, 也就是說 :HIGH 電位就是 1,LOW 電位就是 0, 而不是用低電位的長短來辨別, 這與 8051 傳到溫度晶體時的方式不同 21

24 第三章控制線路的設計圖 3-1 為本專題的設計概念方塊圖電池電源系統電源電源開關 2 位數 LED 七段顯示器系統重置電路工作頻率振盪電路 8051 MCU 風扇 DS1821 溫度轉換晶片 1-wire 通訊介面按鍵圖 3-1 設計概念方塊圖 3-1 按鍵輸入 4 支腳的平頭按鍵開關是常使用易購得的零件, 此開關雖然有 4 支腳, 但其內部只有一組開關, 如圖 3-2 所示, 開關的第 1 2 腳在開關內部是接通短路的, 第 3 4 腳也一樣平時第 1 2 腳與第 3 4 腳是開路不導通, 當開關按下時, 讓第 1 22

25 2 腳與第 3 4 腳接通短路, 在應用上, 通常是將第 1 2 腳, 或是第 3 4 腳其中 1 腳接地, 而另一組的其中 1 腳接到 8051 的 I/O 控制腳, 用 8051 的 I/O 控制腳來讀取開關狀態平時按鍵開關未按下時,8051 的 I/O 控制腳無接地, 會讀到高電位 (High) 狀態當開關按下時,8051 的 I/O 控制腳接到地, 會讀到低電位 (Low) 狀態 3-2 風扇控制圖 3-2 按鍵電路圖方法是以 8051 I/O pin 低電位來驅動風扇, 因為在 8051 起動重置時,I/O pin 都是高電位, 為避免在 8051 重置時的 I/O 高電位使風扇起動, 所以設計上採用低電位來驅動風扇較合適 [4] 當 8051 I/O pin 為高電位時, 經電阻 R 到 PNP 電晶體 B 極,PNP 電晶體 E-B 不導通,PNP 電晶體的 E-C 極亦不導通, 如同開路,NPN 的 B 極無電壓,NPN 電晶體不導通, 風扇線圈不起動當 8051 I/O pin 為低電位時,PNP 電晶體 E-B 極得到順向偏壓 ( 大於 0.7V 的順向偏壓 ),PNP 電晶體 E-C 極導通, 使得 VCC 電壓進入 NPN 電晶體的 B 極,NPN 電晶體的 B-E 極得到順向偏壓, 使 C-E 極導通, 風扇的一端得以接地使風扇運轉, 如圖 3-3 所示整個成品的控制線路圖如圖 3-4 所示 23

26 8051 I/O pin 接風扇圖 3-3 驅動風扇的驅動電路 24

27 圖 3-4 控制線路圖 25

28 4-1 零件表第四章零件表與程式列表表 4-1 零件表零件名稱數量位置備註 AT89C51 1 U1 或 AT89S51 40 pin IC 座 1 U1 DS18B20 溫度感應晶體 1 CN1 1x3 圓孔座 1 CN1 插溫度晶體電容 10uF 電解 2 C1,C4 電容 0.1uF 1 C5 電容 30pF 陶瓷 2 C2,C3 2N4401 NPN 電晶體 1 Q4 其他 NPN 電晶體都可 2N2907 PNP 電晶體 3 Q3,Q5,Q6 其他 PNP 電晶體都可 12MHz XTAL 1 Y1 電阻 4.7K 歐姆 2 R2,R3 電阻 10K 歐姆 3 R1,R4,R13 風扇 1 二位數 LED 七段顯示器 1 D4 按鍵開關 1 K1~K3 電源開關 1 SW1 2 PIN 莫士座 2 CN2,J3 三號電池座 1 4 顆裝三號電池 4 電子板 1 26

29 4-1 程式列表表 4-2 程式列表 Main.c #include <reg51.h> #include "tick.h" #include "keypad.h" #include "led2x1c.h" #include "ds18xx.h" #include "pwm.h" #define HIGH_TEMP_VAL 30 // 高溫控制預設值 #define BLINK_TIME MS_300 // 閃爍間隔時間 #define KEY_SET KP_K1 // 溫度設定鍵 #define KEY_INC KP_K2 // 遞增鍵 #define KEY_DEC KP_K3 // 遞減鍵 typedef enum enumoperatingmode OP_TempControl, // 溫度控制作業 OP_FanTriggerDelay, // 風扇起動觸發延遲 OP_HighTempAdj, // 高溫控制值調整作業 OP_End OperatingModeIndex; void InitDS1821(void); void StartConvertTemperature(void); unsigned char ReadTemperature(void); void ReadTempProc(void); void ControlProc(void); unsigned char OpMode; // 作業程序碼 unsigned char OpRet; // 返回作業程序碼 27

30 unsigned char KeyIn; // 儲存目前按鈕狀態 unsigned char KeyRec; // 記錄前次按鈕狀態 unsigned int treadtemp; // 溫度轉換程序與讀取溫度值的間隔時間 unsigned int tblink; // 閃爍時間基準 unsigned int ttriggerdelay; // 風扇起動觸發延遲時間 unsigned char CurrentTemp; // 目前溫度值 unsigned char TempRec; // 溫度記錄 unsigned char TempControlHigh; // 高溫控制值 bit freadtemp; // 溫度轉換讀取辨示旗號 bit fset; // 溫度設定旗號 bit fblink; // 閃爍旗號 bit ffantrigger; // 風扇起動觸發旗號 main() InitTick(); // 初始系統鐘控計時 InitKeypad(); // 初始按鍵掃瞄 InitLed2x1c(); // 初始七段顯示 InitDS18XX(); // 初始 DS18XX 溫度晶體 InitPWM(); // 初始 PWM 控制 freadtemp = 0; // 初始溫度轉換讀取辨示旗號 fset = 0; // 初始設定模式旗號 TempRec = 0; // 初始溫度記錄 ffantrigger = 0; // 初始風扇起動觸發旗號 TempControlHigh = HIGH_TEMP_VAL; // 載入高溫控制預設值 treadtemp = GetSystemTick(); // 設定溫度轉換與讀取溫度值的間隔時間基準 KeyRec = KP_None; // 清除鍵盤碼記錄 OpMode = OP_TempControl; // 初始作業程序 while(1) KeyIn = GetKeyScanCode(); // 讀取按鍵狀態 28

31 if(keyin == KeyRec) // 檢查按鍵狀態更新 KeyIn = KP_None; // 狀態無改變, 設為無效碼 else KeyRec = KeyIn; // 記錄按鍵狀態化 ReadTempProc(); // 呼叫溫度控制程序 if(!fset && (CurrentTemp!= TempRec)) // 檢查溫度是否有變 ControlProc(); // 風扇控制處理 TempRec = CurrentTemp; // 記錄溫度 switch (OpMode) // 依作業碼處理相對作業 case OP_TempControl: // 溫度控制作業程序 if(keyin == KEY_SET) // 檢查是否是設定鍵 DspDec(TempControlHigh); // 顯示高溫控制值 fset = 1; // 設定調整旗號 fblink = 0; // 清除閃爍旗號 tblink = GetSystemTick(); // 設定閃爍時間基準 OpMode = OP_HighTempAdj; // 下一步 : 溫度調整作業程序 break; case OP_FanTriggerDelay: // 風扇起動觸發延遲 if(getsystemtick() == ttriggerdelay) // 檢查風扇起動觸發延遲時間是否到時 DutyByScale((CurrentTemp - TempControlHigh)/2); // 起動溫差對應的轉速 OpMode = OP_TempControl; // 回到溫度控制作業程序 OpMode = OpRet; // 返回作業程序 29

32 break; case OP_HighTempAdj: // 溫度調整作業程序 if(keyin == KEY_SET) // 檢查是否是設定鍵 fset = 0; // 清除調整旗號 Display7LEDSw(DISPLAY7LED_ON); // 打開 7 段顯示 OpMode = OP_TempControl; // 下一步 : 溫度控制作業 else if(keyin == KEY_INC) // 檢查是否是遞增鍵 if(tempcontrolhigh!= 99) // 檢查高溫控制值是否不等於最大值 TempControlHigh++; // 高溫控制值遞增 1 DspDec(TempControlHigh); // 顯示高溫控制值 ControlProc(); // 風扇控制處理 else if(keyin == KEY_DEC) // 檢查是否是遞減鍵 if(tempcontrolhigh!= 20) // 檢查高溫控制值是否不等於最小值 TempControlHigh--; // 高溫控制值遞減 1 DspDec(TempControlHigh); // 顯示高溫控制值 ControlProc(); // 風扇控制處理 if(fblink == 0) // 檢查閃爍旗號是否為 0 30

33 if((getsystemtick() - tblink) >= BLINK_TIME) // 檢查閃爍時間是否到時 Display7LEDSw(DISPLAY7LED_OFF); // 關閉 7 段顯示 tblink = GetSystemTick(); // 設定閃爍時間基準 fblink = 1; // 設定閃爍旗號 else if((getsystemtick() - tblink) >= BLINK_TIME) // 檢查閃爍時間是否到時 Display7LEDSw(DISPLAY7LED_ON); // 打開 7 段顯示 tblink = GetSystemTick(); // 設定閃爍時間基準 fblink = 0; // 清除閃爍旗號 break; ScanLed2x1c(); // 掃瞄七段顯示 /* 溫度控制程序 */ void ControlProc(void) 31

34 // 風扇控制 if(currenttemp >= TempControlHigh) // 檢查是否到達高溫控制值 if(ffantrigger == 0) // 檢查風扇起動觸發旗號是否無設定 // 風扇由靜止變慢轉時, 需先用較大些的工作週期來啟動 PerformDuty(25000); // 風扇預起動觸發 ffantrigger = 1; // 設定風扇起動觸發旗號 ttriggerdelay = GetSystemTick() + MS_500; // 設有風扇起動觸發延遲時間 OpRet = OpMode; // 儲存返回作業碼 OpMode = OP_FanTriggerDelay; // 下一步 : 風扇起動觸發延遲 else // 風扇在轉動中變動轉速時, 直接變動工作週期即可 DutyByScale(CurrentTemp - TempControlHigh); // 起動溫差對應的轉速 else ffantrigger = 0; // 清除風扇起動觸發旗號 DisableDuty(); // 關閉高溫控制 /* 讀取溫度程序 */ void ReadTempProc(void) unsigned char temp; if(!freadtemp) // 檢查溫度轉換讀取辨示旗號是否沒設定 32

35 if((getsystemtick() - treadtemp) >= MS_200) // 檢查溫度轉換與讀取溫度值的間隔時間是否到時 StartConvertTemperature(); // 開始溫度轉換程序 treadtemp = GetSystemTick(); // 設定溫度轉換與讀取溫度值的間隔時間基準 freadtemp = 1; // 設定始溫度轉換讀取辨示旗號 else // 溫度轉換程序開始後, 約 300ms 再讀取溫度值 if((getsystemtick() - treadtemp) >= MS_300) // 檢查溫度轉換與讀取溫度值的間隔時間是否到時 temp = ReadTemperature(); // 讀取溫度值 CurrentTemp = temp; // 儲存目前溫度值 if(!fset) // 檢查是否不是在溫度設定模式 DspDec(CurrentTemp); // 顯示溫度值 treadtemp = GetSystemTick(); // 設定溫度轉換與讀取溫度值的間隔時間基準 freadtemp = 0; // 清除始溫度轉換讀取辨示旗號 33

36 第五章結果與討論 5-1 本溫度感測器成品說明 DS1821 數位式溫度偵測晶體 LED 顯示目前溫度值電源開關風扇接頭 5~6V 電源設定按鍵遞增按鍵遞減按鍵圖 5-1 本溫度感測器成品說明打開電源後,LED 顯示目前溫度值, 當溫度值小於設定值時, 風扇不 34

例如冰箱內的溫度與運作中的電腦主機的溫度圖 5-2 為冰箱內部測量溫度, 圖 5-3 為本溫度感測器所量到的溫度, 結果顯示是一樣的證明本溫度感測器有一定的準確性圖 5-2 冰箱內部測量溫度圖

37 轉動, 當溫度值大於等於設定值時, 則風扇開始轉動當室溫越高時, 風扇的轉速會越快, 直到全速轉動按設定按鍵會進入溫度設定模式, 此時顯示設定值, 並閃爍表示等待調整按遞增按鍵與遞減按鍵用以調整溫度控制值, 調好溫度控制值後, 再按一次設定按鍵則跳出溫度設定模式 5-2 溫度感測器實際量測首先測試溫度感測器的準確性與其應用性質, 藉由量測生活物品, 例如冰箱內的溫度與運作中的電腦主機的溫度圖 5-2 為冰箱內部測量溫度, 圖 5-3 為本溫度感測器所量到的溫度, 結果顯示是一樣的證明本溫度感測器有一定的準確性圖 5-2 冰箱內部測量溫度圖 5-3 本溫度感測器所量到的溫度將本溫度感測器置於運作中的電腦主機殼內量測到的溫度為 41 C, 如圖 5-4 所示利用主機板溫度測試監視軟體所量測到的溫度為 47 C, 如圖 5-5 所示會有這樣的差別是因為本溫度感測器是量測周遭的溫度, 35

38 無法直接量測到主機板溫度, 故溫度當然較低圖 5-4 本溫度感測器置於運作中的電腦主機殼內量測圖 5-5 主機板溫度測試監視軟體所量測到的溫度 36

39 5-3 本溫度感測器的實現圖 5-6 完成圖 37

40 第六章專題心得首先對於這個專題, 經過小組組員相互溝通後, 結合電子類科與機械類科的方向下去製作, 首先由我們三個人去構思, 決定由控制的方面下去討論對於電子方面的地方, 比較不是機械本科系的強項, 所以在構思與討論的時候, 有請教了一些從事電子行業的長輩們, 加上我們自己去找尋各種相關的資料, 對於大學專題製作這個科目, 由於小組成員本身白天皆有在工作, 然後晚上要來學校上課, 所以基本上只能利用課餘時間, 或是假日來進行討論與規劃一開始, 覺得時間很不夠用, 有時假日時間還是被本身的工作綁住, 無法達成協議, 但是第一次接觸後, 發現到由於夜間部同學都是課堂課, 似乎比較沒有能互動的地方, 透過專題製作這個科目, 可以讓我們覺得同學之間的互動更加重要了, 也比較有一種共同討論製作的參與感, 我們覺得這種感覺很棒, 雖然作品不是很完美, 但是都是小組成員一起集時間, 精神, 心思一起共同創造而來很有成就感, 感謝從事電子行業的長輩們大方協助, 才會有這個作品產生還有最感謝的就是劉柏挺老師, 給我們有這項作業, 讓我們不只學到了怎麼做出產品, 也讓我們學習了很多人與人之間的相處模式, 例如看到了老師煩躁的樣子, 我們就能體諒到老師, 這是最值得分享的一件事情了 38

41 參考文獻 1 D%E6%96%87/%E5%BE%AE%E8%99%95%E7%90%86%E6%A9 %9F/Homepage%E7%B6%B2%E9%A0%81/project/tue/team07/team 07.htm 2 陳益良唐和誠彭慧美沈雍超, Mcs-8051 入門與實習, 高立圖書有限公司, 盧明智盧鵬任, 感測器應用與線路分析, 全華科技圖書股份有限公司,

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