鱼缸温度控制系统教材课程
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25
SSR的构成
26
27
固态继电器的特点
• 可以应对高速、高频开关 • 没有接触不良 • 发生干扰小 • 无动作音 • 接点无损耗
28
继电器开关的优点
• 继电器开关优点：
– 小电流控制大电流 – 低电压控制高电压 – 开合时间短 – 寿命长 – 输入输出隔离，抗干扰
29
继电器
30
开发板原理图设计
63
开始 初始化
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
NO 温度是否超过 范围？
YES
打开加热电路 打开LED指示
关闭加热电路 关闭LED指示
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
YES
NO
温度是否仍超 过范围？
64
程序设计流程图（二）
开始 初始化
采集温度
关闭加热电路 关闭LED指示
数据处理 并使用数码管显示
• HFE取决于集电极和发射极之间的电压差
80
基本概念介绍
• CTR(Current Transfer Ratio)：光电管的集 电极电流与LED正向电流之间的比率
• HFE：光电管的集电极电流与光电流之间 的比率
81
• 原理图
典型应用分析
82
• Vo和IF的关系示意图
83
光耦主要参数
• 正向压降 • 正向电流 • 反向电流 • 反向击穿电压 • 集电极-发射极反向击穿电压 • 输出饱和压降 • 暗电流 • 电流传输比
PSEN#, ALE)以及输入控制线(EA#, INT0#, INT1#, RST, T0和T1)构成
34
外部总线扩展方法
• 线选法 • 译码法
35
开发板系统总线扩展
36
继电器和LED灯控制电路
37
SN74LS377
• 8位D触发器 • 当允许控制端G#为低电平时，时钟端(CP)
脉冲上升沿作用下，输出端Q与数据端D相 一致。当CP为高电平或者低电平时，D对Q 没影响。
– 触点材料：银 – 触点类型：1Z – 微小型封装：15.4*10.4*11.6 – 低功耗：200/360/450mW – 环境温度：-30to+85℃
68
• 产品型号
69
• 内部结构
– 公共端、静触点、动触点
70
• 主要技术参数
– 工作电压：5V – 工作电流：40mA – 吸合电压：75%*5V – 释放电压：5%*5V – 动作/返回时间：10ms/5ms – 触点的负载能力：3A 120VAC/3A 24VDC – 触点电阻：100Ω – 机械寿命：10,000,000
43
138内部结构图
44
138真值表
45
138每个通道的使用
•
46
外设的系统总线挂载
47
作业
• 根据74LS138结构框图，写出Y0~Y7逻辑 表达式
• 试用两片3线-8线译码器74LS138组成4线16线译码器，将输入的Hale Waihona Puke Baidu位二进制代码译成 16个独立的低电平信号。
48
74LS138的其他应用
71
继电器驱动
• 电气条件
– 额定工作电压：5V – 额定工作电流：40mA
• 74LS377引脚的电气特性
72
• 74LS377引脚的电气特性
73
• 原理图设计
74
系统结构框图设计
数码管显示
CH452
LED指示
MCU
加热电路
鱼缸
温度传感器 DS18B20
75
光耦
• 什么是光耦
– 光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC） 亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它 是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发 光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光 敏半导体管）封装在同一管壳内。
• 当吸引的磁力大于簧片的弹力时，两触点 接触，此时接通簧片两端的电路，当吸引 的磁力小于簧片的弹力时，则两簧片分开， 簧片两端的电路断开
24
固态继电器
• 固态继电器（SSR,Solid State Relay）， 是无可动接点部分的继电器，在动作上与 有接点继电器相同，但是该继电器使用半 导体闸流管、晶闸管开关元件、二极管、 晶体管等开关元件。另外也使用名为光耦 合器的光半导体，使其输入输出绝缘。光 电耦合器的特点是用光的信号在绝缘空间 中进行传输，所以绝缘性更好，传动速度 也更快。
干簧继电器
21
干簧管
• 用两片既导磁又导电的材料做成簧片，平 行地封入装有惰性其他的玻璃管中组成开 关元件。两簧片的端部重叠并留有一定间 隙以构成触点
22
干簧管工作原理
23
干簧管工作原理
• 当永久磁铁靠近干簧管或由绕在干簧管上 的线圈通电后形成磁场使簧片磁化，簧片 的触点部分就感应出极性相反的磁极，异 名的磁极相互吸引。
– 动断型（D型）线圈不通电时两触点是闭合的 ，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头 “D”表示
– 转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共 有三个触点，即中间是动触点
16
开关模型
• 单刀单掷SPST • 双刀单掷DPST
单刀双掷SPDT 双刀双掷DPDT
17
继电器的分类
• 按照工作原理或结构特征分类
38
ULN2003D
• 达林顿管 • 作用：提高驱动能力，主要是为了驱动
MOTOR电路 • 后面的实验中具体介绍
39
• MCU总线电路
40
• 74LS138译码电路
41
74LS138
• 74LS138 ：3 －8 线译码器
42
74LS138工作原理
• 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选 通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将 地址端（A、B、C）的二进制编码在一个 对应的输出端以低电平译出。
• 若将选通端中的一个作为数据输入端时， 74LS138还可作数据分配器（原理图设计）
• 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩 展成 32 线译码器
49
• 作业：
– 写一个跑马灯程序，练习LED灯的控制 （D15~D22）以及（D24~D26）
• 继电器原理：通过改变输入到线圈上的电 压，来改变电磁场，进而控制电路的开和 关（电磁式）
13
继电器的特性
Y Ya
Xb
Xa
X
• Xa——动作值
• Xb——释放值
• Ya——负载
14
继电器触点
• 继电器模型
– 静触点（一个或多个） – 动触点（公共端）
A
C
B
15
• 触点的基本形式：
– 动合型（H型）线圈不通电时两触点是断开的 ，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字 头“H”表示
58
温度采集
• DS18B20工作流程
复位信号
ROM功能命令
主机读写操作
器件功能命令
主机读写操作
59
• 发命令要求进行温度采集
– ow_reset(); – write_byte(0xcc); – write_byte(0x44);
• 读取温度
– ow_reset(); – write_byte(0xcc); – write_byte(0xbe); – temp_lsb=read_byte(); – temp_msb=read_byte();
• 继电器电路
31
外部总线扩展
• 外部总线系统 • 外部总线扩展 • 外部总线的扩展方法
32
外部总线系统
33
外部总线扩展
• P0口扩展为地址/数据复用口 • P2口高位地址 • 也就是说16位地址总线AB15~AB0由P2口
和P0口锁存器构成 • 8位数据总线DB7~DB0由P0口构成 • 控制总线CB由输出控制线(RD#, WR#,
62
继电器和LED控制
• 根据前面的判断，分两种情况进行控制
– 在温度范围内
• led_addr = LED_ADDR; • *led_addr = 0xff; • led_addr = ADDR; • *led_addr = 0x80;
– 超出温度范围
• led_addr = LED_ADDR; • *led_addr = 0x7f; • led_addr = ADDR; • *led_addr = 0x00;
76
光耦模型
光
输入
发 送
器
光
接 收
输出
器
77
• 光接收器
– 光电二极管 – 光电晶闸管 – 光电晶体管 – 光电复合晶体管
78
4N25
• 封装和内部结构
79
OC原理
• 红外LED发光管产生的红外光照射在光电晶 体管的感光性比较强的基极和集电极的结 合部，基极和集电极的结合部将光子的能 量转化为光电流，晶体管对光电流进行放 大，增益为HFE
– 加热电路控制开关（继电器）
• 初始化为关闭
55
• CH452初始化
– CH452_Write(CH452_SYSON2); – CH452_Write(CH452_BCD);
• DS18B20初始化
– ow_reset(); – write_byte(0xcc); – write_byte(0x44);
打开加热电路 打开LED指示
温度是否超过 范围？
NO
YES
65
循环控制语句
• 常见循环控制语句
– if...else...语句 – swich()语句 – for()语句 – while()语句 – do...while()语句 – goto语句
66
继电器
• SRS-05VDC-SL
67
• 特性介绍
– 电磁继电器 – 固态继电器 – 温度继电器 – 舌簧继电器 – 时间继电器
18
电磁继电器
• 电磁继电器原型
19
电磁继电器的主要参数
• 工作电压（电流） • 吸合电压（电流） • 释放电压（电流） • 动作时间 • 返回时间 • 触点的开闭能力 • 灵敏度 • 寿命
20
• 组成
– 干簧管 – 线圈
50
系统结构框图设计
数码管显示
CH452
LED指示
MCU
加热电路
鱼缸
温度传感器 DS18B20
51
程序流程分析
• 程序流程图
52
开始 初始化
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
NO 温度是否超过 范围？
YES
打开加热电路 打开LED指示
关闭加热电路 关闭LED指示
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
3
系统结构框图设计
数码管显示
CH452
LED指示
MCU
加热电路
鱼缸
温度传感器 DS18B20
5
加热方案的设计
• 常见的加热方案设计
– 化石燃料、生物燃料
• 固体酒精 • 煤气
– 电能加热
• 空调 • 热得快 • 电磁炉
6
• 方案选择
– “热得快”
7
热得快的原理
• 结构组成
– 电热丝 – 金属管 – 绝缘材料（氧化镁粉） – 加热电路
YES
NO
温度是否仍超 过范围？
53
程序代码设计
• 系统初始化 • 采集温度 • 数据处理 • 温度显示 • 温度判断 • 打开/关闭加热电路 • 打开/关闭LED指示
54
系统初始化
• 需要进行初始化的设备
– CH452数码管驱动器 – DS18B20温度传感器 – LED指示灯
• 初始化为熄灭
84
光耦的分类
85
使用光耦的好处
• 绝缘安全 • 噪声隔离 • 信号传递
86
60
数据处理和温度显示
• 数据处理 • 数码管温度显示
61
温度范围判断
• 通过数据处理后得到
– Temp_Decimal
温度的小数部分
– Temp_Integer
温度的整数部分
• 只要将Temp_Integer和Temp_H和Temp_L 进行比较
– Temp_H和Temp_L中分别存放的是温度范围的 上限和下限，这个在变量定义部分进行设定
鱼缸温度控制系统
实验二：继电器控制水温
1
实验目的
• 掌握继电器的原理、使用方法 • 通过继电器的开关来控制对鱼缸水的加温
2
实验要求
• 使用温度传感器进行温度的采集 • 使用数码管显示采集到的温度 • 设定温度的范围，如果超出范围（温度范
围使用整数表示，两位），则对鱼缸的水 进行加热 • 使用LED等指示工作状态：加热和停止
• 核心
– 电热丝
8
加热电路的设计
• 核心部件
– 电热丝（热得快）
• 控制开关
9
控制开关
• 机械开关
– 机械操作完成开关控制
• 继电器
10
机械开关分类
• 旋转式波段开关 • 直键式波段开关 • 拨动式波段开关 • 拨码开关 • 按键开关 • 微动开关
11
• 举例（图）
12
继电器
• 继电器（Relay）定义：当输入量(激励量) 的变化达到规定要求时，在电气输出电路 中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电 器
56
• LED灯初始化
– led_addr = LED_ADDR; – *led_addr = 0xff; – 注意：#define LED_ADDR 0x4000
57
• 继电器初始化
– led_addr = ADDR; – *led_addr = 0x80; – 注意：#define ADDR 0x2000
SSR的构成
26
27
固态继电器的特点
• 可以应对高速、高频开关 • 没有接触不良 • 发生干扰小 • 无动作音 • 接点无损耗
28
继电器开关的优点
• 继电器开关优点：
– 小电流控制大电流 – 低电压控制高电压 – 开合时间短 – 寿命长 – 输入输出隔离，抗干扰
29
继电器
30
开发板原理图设计
63
开始 初始化
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
NO 温度是否超过 范围？
YES
打开加热电路 打开LED指示
关闭加热电路 关闭LED指示
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
YES
NO
温度是否仍超 过范围？
64
程序设计流程图（二）
开始 初始化
采集温度
关闭加热电路 关闭LED指示
数据处理 并使用数码管显示
• HFE取决于集电极和发射极之间的电压差
80
基本概念介绍
• CTR(Current Transfer Ratio)：光电管的集 电极电流与LED正向电流之间的比率
• HFE：光电管的集电极电流与光电流之间 的比率
81
• 原理图
典型应用分析
82
• Vo和IF的关系示意图
83
光耦主要参数
• 正向压降 • 正向电流 • 反向电流 • 反向击穿电压 • 集电极-发射极反向击穿电压 • 输出饱和压降 • 暗电流 • 电流传输比
PSEN#, ALE)以及输入控制线(EA#, INT0#, INT1#, RST, T0和T1)构成
34
外部总线扩展方法
• 线选法 • 译码法
35
开发板系统总线扩展
36
继电器和LED灯控制电路
37
SN74LS377
• 8位D触发器 • 当允许控制端G#为低电平时，时钟端(CP)
脉冲上升沿作用下，输出端Q与数据端D相 一致。当CP为高电平或者低电平时，D对Q 没影响。
– 触点材料：银 – 触点类型：1Z – 微小型封装：15.4*10.4*11.6 – 低功耗：200/360/450mW – 环境温度：-30to+85℃
68
• 产品型号
69
• 内部结构
– 公共端、静触点、动触点
70
• 主要技术参数
– 工作电压：5V – 工作电流：40mA – 吸合电压：75%*5V – 释放电压：5%*5V – 动作/返回时间：10ms/5ms – 触点的负载能力：3A 120VAC/3A 24VDC – 触点电阻：100Ω – 机械寿命：10,000,000
43
138内部结构图
44
138真值表
45
138每个通道的使用
•
46
外设的系统总线挂载
47
作业
• 根据74LS138结构框图，写出Y0~Y7逻辑 表达式
• 试用两片3线-8线译码器74LS138组成4线16线译码器，将输入的Hale Waihona Puke Baidu位二进制代码译成 16个独立的低电平信号。
48
74LS138的其他应用
71
继电器驱动
• 电气条件
– 额定工作电压：5V – 额定工作电流：40mA
• 74LS377引脚的电气特性
72
• 74LS377引脚的电气特性
73
• 原理图设计
74
系统结构框图设计
数码管显示
CH452
LED指示
MCU
加热电路
鱼缸
温度传感器 DS18B20
75
光耦
• 什么是光耦
– 光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC） 亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它 是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发 光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光 敏半导体管）封装在同一管壳内。
• 当吸引的磁力大于簧片的弹力时，两触点 接触，此时接通簧片两端的电路，当吸引 的磁力小于簧片的弹力时，则两簧片分开， 簧片两端的电路断开
24
固态继电器
• 固态继电器（SSR,Solid State Relay）， 是无可动接点部分的继电器，在动作上与 有接点继电器相同，但是该继电器使用半 导体闸流管、晶闸管开关元件、二极管、 晶体管等开关元件。另外也使用名为光耦 合器的光半导体，使其输入输出绝缘。光 电耦合器的特点是用光的信号在绝缘空间 中进行传输，所以绝缘性更好，传动速度 也更快。
干簧继电器
21
干簧管
• 用两片既导磁又导电的材料做成簧片，平 行地封入装有惰性其他的玻璃管中组成开 关元件。两簧片的端部重叠并留有一定间 隙以构成触点
22
干簧管工作原理
23
干簧管工作原理
• 当永久磁铁靠近干簧管或由绕在干簧管上 的线圈通电后形成磁场使簧片磁化，簧片 的触点部分就感应出极性相反的磁极，异 名的磁极相互吸引。
– 动断型（D型）线圈不通电时两触点是闭合的 ，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头 “D”表示
– 转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共 有三个触点，即中间是动触点
16
开关模型
• 单刀单掷SPST • 双刀单掷DPST
单刀双掷SPDT 双刀双掷DPDT
17
继电器的分类
• 按照工作原理或结构特征分类
38
ULN2003D
• 达林顿管 • 作用：提高驱动能力，主要是为了驱动
MOTOR电路 • 后面的实验中具体介绍
39
• MCU总线电路
40
• 74LS138译码电路
41
74LS138
• 74LS138 ：3 －8 线译码器
42
74LS138工作原理
• 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选 通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将 地址端（A、B、C）的二进制编码在一个 对应的输出端以低电平译出。
• 若将选通端中的一个作为数据输入端时， 74LS138还可作数据分配器（原理图设计）
• 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩 展成 32 线译码器
49
• 作业：
– 写一个跑马灯程序，练习LED灯的控制 （D15~D22）以及（D24~D26）
• 继电器原理：通过改变输入到线圈上的电 压，来改变电磁场，进而控制电路的开和 关（电磁式）
13
继电器的特性
Y Ya
Xb
Xa
X
• Xa——动作值
• Xb——释放值
• Ya——负载
14
继电器触点
• 继电器模型
– 静触点（一个或多个） – 动触点（公共端）
A
C
B
15
• 触点的基本形式：
– 动合型（H型）线圈不通电时两触点是断开的 ，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字 头“H”表示
58
温度采集
• DS18B20工作流程
复位信号
ROM功能命令
主机读写操作
器件功能命令
主机读写操作
59
• 发命令要求进行温度采集
– ow_reset(); – write_byte(0xcc); – write_byte(0x44);
• 读取温度
– ow_reset(); – write_byte(0xcc); – write_byte(0xbe); – temp_lsb=read_byte(); – temp_msb=read_byte();
• 继电器电路
31
外部总线扩展
• 外部总线系统 • 外部总线扩展 • 外部总线的扩展方法
32
外部总线系统
33
外部总线扩展
• P0口扩展为地址/数据复用口 • P2口高位地址 • 也就是说16位地址总线AB15~AB0由P2口
和P0口锁存器构成 • 8位数据总线DB7~DB0由P0口构成 • 控制总线CB由输出控制线(RD#, WR#,
62
继电器和LED控制
• 根据前面的判断，分两种情况进行控制
– 在温度范围内
• led_addr = LED_ADDR; • *led_addr = 0xff; • led_addr = ADDR; • *led_addr = 0x80;
– 超出温度范围
• led_addr = LED_ADDR; • *led_addr = 0x7f; • led_addr = ADDR; • *led_addr = 0x00;
76
光耦模型
光
输入
发 送
器
光
接 收
输出
器
77
• 光接收器
– 光电二极管 – 光电晶闸管 – 光电晶体管 – 光电复合晶体管
78
4N25
• 封装和内部结构
79
OC原理
• 红外LED发光管产生的红外光照射在光电晶 体管的感光性比较强的基极和集电极的结 合部，基极和集电极的结合部将光子的能 量转化为光电流，晶体管对光电流进行放 大，增益为HFE
– 加热电路控制开关（继电器）
• 初始化为关闭
55
• CH452初始化
– CH452_Write(CH452_SYSON2); – CH452_Write(CH452_BCD);
• DS18B20初始化
– ow_reset(); – write_byte(0xcc); – write_byte(0x44);
打开加热电路 打开LED指示
温度是否超过 范围？
NO
YES
65
循环控制语句
• 常见循环控制语句
– if...else...语句 – swich()语句 – for()语句 – while()语句 – do...while()语句 – goto语句
66
继电器
• SRS-05VDC-SL
67
• 特性介绍
– 电磁继电器 – 固态继电器 – 温度继电器 – 舌簧继电器 – 时间继电器
18
电磁继电器
• 电磁继电器原型
19
电磁继电器的主要参数
• 工作电压（电流） • 吸合电压（电流） • 释放电压（电流） • 动作时间 • 返回时间 • 触点的开闭能力 • 灵敏度 • 寿命
20
• 组成
– 干簧管 – 线圈
50
系统结构框图设计
数码管显示
CH452
LED指示
MCU
加热电路
鱼缸
温度传感器 DS18B20
51
程序流程分析
• 程序流程图
52
开始 初始化
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
NO 温度是否超过 范围？
YES
打开加热电路 打开LED指示
关闭加热电路 关闭LED指示
采集温度
数据处理 并使用数码管显示
3
系统结构框图设计
数码管显示
CH452
LED指示
MCU
加热电路
鱼缸
温度传感器 DS18B20
5
加热方案的设计
• 常见的加热方案设计
– 化石燃料、生物燃料
• 固体酒精 • 煤气
– 电能加热
• 空调 • 热得快 • 电磁炉
6
• 方案选择
– “热得快”
7
热得快的原理
• 结构组成
– 电热丝 – 金属管 – 绝缘材料（氧化镁粉） – 加热电路
YES
NO
温度是否仍超 过范围？
53
程序代码设计
• 系统初始化 • 采集温度 • 数据处理 • 温度显示 • 温度判断 • 打开/关闭加热电路 • 打开/关闭LED指示
54
系统初始化
• 需要进行初始化的设备
– CH452数码管驱动器 – DS18B20温度传感器 – LED指示灯
• 初始化为熄灭
84
光耦的分类
85
使用光耦的好处
• 绝缘安全 • 噪声隔离 • 信号传递
86
60
数据处理和温度显示
• 数据处理 • 数码管温度显示
61
温度范围判断
• 通过数据处理后得到
– Temp_Decimal
温度的小数部分
– Temp_Integer
温度的整数部分
• 只要将Temp_Integer和Temp_H和Temp_L 进行比较
– Temp_H和Temp_L中分别存放的是温度范围的 上限和下限，这个在变量定义部分进行设定
鱼缸温度控制系统
实验二：继电器控制水温
1
实验目的
• 掌握继电器的原理、使用方法 • 通过继电器的开关来控制对鱼缸水的加温
2
实验要求
• 使用温度传感器进行温度的采集 • 使用数码管显示采集到的温度 • 设定温度的范围，如果超出范围（温度范
围使用整数表示，两位），则对鱼缸的水 进行加热 • 使用LED等指示工作状态：加热和停止
• 核心
– 电热丝
8
加热电路的设计
• 核心部件
– 电热丝（热得快）
• 控制开关
9
控制开关
• 机械开关
– 机械操作完成开关控制
• 继电器
10
机械开关分类
• 旋转式波段开关 • 直键式波段开关 • 拨动式波段开关 • 拨码开关 • 按键开关 • 微动开关
11
• 举例（图）
12
继电器
• 继电器（Relay）定义：当输入量(激励量) 的变化达到规定要求时，在电气输出电路 中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电 器
56
• LED灯初始化
– led_addr = LED_ADDR; – *led_addr = 0xff; – 注意：#define LED_ADDR 0x4000
57
• 继电器初始化
– led_addr = ADDR; – *led_addr = 0x80; – 注意：#define ADDR 0x2000