【正文】 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 1 頁 共 42 頁 引言 隨著 “ 信息時代 ” 的到來，作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術(shù)得到了 顯著 的進步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，使得人們可以利用計算機實現(xiàn)自動測量、信息處理和自動控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。 傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能 。因此，不僅必須掌握各類 傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標，還必須懂得傳感器經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對傳感器應(yīng)用實例的原理和智能傳感器實例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測信號來自于各個應(yīng)用領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時效，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。 溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。 其發(fā) 展 速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。 為了提高對 傳感器的認識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設(shè)計了本系統(tǒng)。 本文利用單片機結(jié)合 傳感器 技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了這一 溫度監(jiān)控系統(tǒng) 。 文中傳感器理論單片機實際應(yīng)用有機結(jié)合，詳細地講述了利用熱敏電阻作為熱敏傳感器探測環(huán)境溫度的過程，以及實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過程。 本設(shè)計應(yīng)用性比較強，設(shè)計系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實驗室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測，利用單片機實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過計算機實施溫度監(jiān)控。設(shè)計后的系統(tǒng)具有操 作方便，控制靈活等優(yōu)點。 本設(shè)計系統(tǒng)包括溫度傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ，輸出控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，溫度顯示模塊和溫度調(diào)節(jié)驅(qū)動電路六個部分。文中對 每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度監(jiān)控，完成了課題所有要求。 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 42 頁 1 設(shè)計要求 控制要求 （ 1）生物繁殖培養(yǎng)液的溫度要保證在適于細胞繁殖的溫度內(nèi)，這主要在控制程序設(shè)計中考慮。溫度控制范圍為 15 ～ 25，升溫、降溫階段的溫度控制精度要求為 度，保溫階段溫度控制精度為 。 圖 （ 2）微機自動調(diào)節(jié) 正常情況下，系統(tǒng)投入自動。 （ 3）模擬手動操作 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動操作。 （ 4）微機監(jiān)控功能 顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實際值，控制量的輸出。 受控對象的數(shù)學(xué)模型 生物繁殖的培養(yǎng)液主要用于生物的繁殖研究，而溫度是影響生物繁殖的重要因素。本系統(tǒng)要求長時間監(jiān)視培養(yǎng)液的溫度，并對當(dāng)前的溫度進行控制。本控制對象為生物繁殖用培養(yǎng)液，采用繼電器進行控制。 2 系統(tǒng)的硬件配置 單片機和系統(tǒng)總線 單片機 ： PIC16F877A（ PIC16F877A 為美國 MICORCHIP 公司生產(chǎn)的帶 A/D 轉(zhuǎn)換的 8 位單片機）。 顯示系統(tǒng) ： 商用計算機。 用戶內(nèi)存 ： 256M RAM。 系統(tǒng)總線 ： RS232C 接口（又稱 EIA RS232C） RS232 C 有 25 條線，分為 5 個功能組，包括 4條數(shù)據(jù)線， 11 條控制線， 3條定時線， 7 條備用線和未定義線。 操作系統(tǒng) ： Windows 2021。 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 42 頁 硬件介紹 計算機工作的外圍電路設(shè)備 （ 1）溫度傳感器 溫度傳感器采用補償型 NTC 熱敏電阻其主要性能如下： ①補償型 NTC 熱敏電阻 B值誤差范圍小 ，對于阻值誤差范圍在 5％的產(chǎn)品，其一致性、互換性良好。 適合 于一般精度的溫度測量和計量設(shè)備 。 ② 外型結(jié)構(gòu)和尺寸： 圖 溫度傳感器結(jié)構(gòu)尺寸圖 ③ 主要技術(shù)參數(shù)： 時間常數(shù) ≤30S 測量功率 ≤ 使用溫度范圍 55～ +125℃ 耗散系數(shù) ≥6mW/ ℃ 額定功率 ④ 降功耗曲線： 圖 功耗 曲線圖 （ 2）核心處理單元 MicroChip PIC16F877A 單片機 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 42 頁 MicroChip PCI16F877A 單片機主要性能： 具有高 性能 RISC CPU 僅有 35 條單字指令。 除程序指令為兩個周期外，其余的均為單周期指令。 運行速度： DC20M 時鐘輸入。 DC200ns 指令周期。 8K*14 個 FLASH 程序存儲器。 368*8 個數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）字節(jié)。 引腳輸出和 PIC16C73B/74B/76/77 兼容。 中斷能力（達到 14個中斷源）。 8級深度的硬件堆棧。 直接，間接和相對尋址方式。 上電復(fù)位（ POR）。 上電定時器 (PWRT)和震動啟動定時器。 監(jiān)視定時器（ WDT），它帶有片內(nèi)可靠運行的 RC 振蕩器。 可編程的代碼保護。 低功 耗睡眠方式。 可選擇的振蕩器。 低功耗，高速 CMOS FLASH/EEPROM 工藝。 全靜態(tài)設(shè)計。 在線串行編程 (ICSP)。 單獨 5v 的內(nèi)部電路串行編程 (ICSP)能力。 處理機讀 /寫訪問程序存儲器。 運行電壓范圍 到 5v。 高輸入 /輸出電流 25mA。 商用，工業(yè)用溫度范圍。 低功耗： 在 5v,4MHz 時典型值小于 2mA。 在 3v,32KHz 時典型值小于 20uA。 典型的靜態(tài)電流值小于 1uA。 外圍特征： Timer 0 ：帶有預(yù)分頻的 8 位定時器 /計數(shù)器。 Timer 1 ：帶有預(yù)分頻的 16 位 定時器 /計數(shù)器，在使用外部晶體時鐘時在 SLEEP 期間仍能工作。 Timer 2 ：帶有 8 位周期寄存器，預(yù)分頻和后分頻器的 8位定時器 /計數(shù)器 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 42 頁 2個捕捉器，比較器和 PWM 模塊。 其中 ：捕捉器是 16位的，最大分辨率為 。 比較器是 16位的，最大分辨率為 200nS。 PWM 最大分辨率為是 10 位。 10位多通道模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器。 帶有 SPI（主模式）和 I2C（主 /從）模式的 SSP。 帶有 9位地址探測的通用同步異步接收 /發(fā)送（ USART/RCI）。 帶有 RD,WR 和 CS控制（只 40/44 引腳） 8 位字寬的并行從 端口。 帶有降壓的復(fù)位檢測電路。 （ 3） RS232C接口電路 計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同 的設(shè)備可以方便地連接起來進行通訊。 RS232C 接口（又稱 EIA RS232C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在 1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、 調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn) 廠家共同制定的用于串行通訊的標 準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（ DCE）之間 串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”該標準規(guī)定采用一個 25 個腳的 DB25 連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信 號的電平加以規(guī)定 。 ①接口的信號內(nèi)容 實際上 RS232C的 25條引線中有許多是很少使用的，在計算機通訊中一般只使用 39條引線。 RS232C最常用的 9條引線的信號。 ②接口的電氣特性 在 RS232C 中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。即：邏輯?！?1”， 5~15V；邏 輯“ 0” +5~ +15V 。噪聲容限為 2V。即 要求接收器能識別低至 +3V 的信號作為邏輯“ 0”，高到 3V 的信號 作為邏輯“ 1” 。 ③ 接口的物理結(jié)構(gòu) RS232C接口連接器一般使用型號為 DB25的 25芯插頭座 ,通常插頭在 DCE 端 ,插座在 DTE 端 . 一些設(shè)備與 PC 機連接的 RS232C 接口 ,因為不使用對方的傳送控制信號 ,只需三條接口線 ,即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號地”。所以采用 DB9的 9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。 ④傳輸電纜長度 由 RS232C 標準規(guī)定在碼元畸變小于 4%的情況下，傳輸電纜長度應(yīng)為 50 英尺，其實這個 4%的碼元畸變是很保守的，在實際應(yīng)用中，約有 99%的用戶是按碼元畸變 10~20%的范圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠超過 50 英尺。 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 42 頁 圖 Max232結(jié)構(gòu)圖 （ 4）繼電器 繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)，廣泛用于遙控，遙測，通信，自動控制，機電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。 繼電器是在自動控制電路中起控制與隔離作用的執(zhí)行部件，它實際上是一種可以用低電壓、小電流來控制大電流、高電壓的 自動開關(guān)。在本系統(tǒng)中，繼電器控制的自動溫度調(diào)節(jié)電路和 PCI16F877A 單片機中程序構(gòu)成溫度自動監(jiān)測電路，實現(xiàn)對生物培養(yǎng)液溫度的監(jiān)測和自動控制 （ 5）半導(dǎo)體降溫片及電阻加熱絲 ① 半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點，采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來制冷，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，效率較高。 其工作原理如圖 ： 圖 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 42 頁 半導(dǎo)體制冷片由許多 N型和 P型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸?，而 N P 之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾 心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，通上 電源 之後，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高。它的外觀如圖 所示。 2）本控制系統(tǒng)是對生物培養(yǎng)液進行溫度監(jiān)控，故太快的溫度變化對生物繁殖顯 圖 ②本控制系統(tǒng)是對生物培養(yǎng)液進行溫度監(jiān)控，過快的溫度變化對生物繁殖顯然是不利的，因此在本系統(tǒng)中采用的是高阻抗小功率加熱電阻絲進行溫度的小范圍調(diào)節(jié)。