【正文】 引言隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)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(cè)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(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過(guò)對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)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(lái)，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開(kāi)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(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合傳感器技術(shù)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了這一溫度監(jiān)控系統(tǒng)。文中傳感器理論單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用熱敏電阻作為熱敏傳感器探測(cè)環(huán)境溫度的過(guò)程，以及實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過(guò)程。本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(cè)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施溫度監(jiān)控。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)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(dòng)電路六個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度監(jiān)控，完成了課題所有要求。1 設(shè)計(jì)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(xì)胞繁殖的溫度內(nèi)，這主要在控制程序設(shè)計(jì)中考慮。溫度控制范圍為15 ～25，升溫、保溫階段溫度控制精度為 。 （2）微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié) 正常情況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。（3）模擬手動(dòng)操作 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)操作。（4）微機(jī)監(jiān)控功能 顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出。 受控對(duì)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(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視培養(yǎng)液的溫度，并對(duì)當(dāng)前的溫度進(jìn)行控制。本控制對(duì)象為生物繁殖用培養(yǎng)液，采用繼電器進(jìn)行控制。2 系統(tǒng)的硬件配置 單片機(jī)和系統(tǒng)總線單片機(jī)：PIC16F877A（PIC16F877A為美國(guó)MICORCHIP公司生產(chǎn)的帶A/D轉(zhuǎn)換的8位單片機(jī)）。顯示系統(tǒng)：商用計(jì)算機(jī)。用戶內(nèi)存：256M RAM。系統(tǒng)總線：RS232C接口（又稱EIARS232C）RS232 C有25條線，分為5個(gè)功能組，包括4條數(shù)據(jù)線，11條控制線，3條定時(shí)線，7條備用線和未定義線。操作系統(tǒng)：Windows 2000。 硬件介紹 計(jì)算機(jī)工作的外圍電路設(shè)備（1）溫度傳感器溫度傳感器采用補(bǔ)償型NTC熱敏電阻其主要性能如下：①補(bǔ)償型NTC熱敏電阻 B值誤差范圍小，對(duì)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(cè)量和計(jì)量設(shè)備。②外型結(jié)構(gòu)和尺寸： 溫度傳感器結(jié)構(gòu)尺寸圖③主要技術(shù)參數(shù)：時(shí)間常數(shù)≤30S　　測(cè)量功率≤使用溫度范圍55～+125℃耗散系數(shù)≥6mW/℃　?、芙倒那€：（2）核心處理單元MicroChip PIC16F877A單片機(jī)MicroChip PCI16F877A單片機(jī)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(gè)周期外，其余的均為單周期指令。運(yùn)行速度：DC20M時(shí)鐘輸入。DC200ns指令周期。8K*14個(gè)FLASH程序存儲(chǔ)器。368*8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）字節(jié)。引腳輸出和PIC16C73B/74B/76/77兼容。中斷能力（達(dá)到14個(gè)中斷源）。8級(jí)深度的硬件堆棧。直接，間接和相對(duì)尋址方式。上電復(fù)位（POR）。上電定時(shí)器(PWRT)和震動(dòng)啟動(dòng)定時(shí)器。監(jiān)視定時(shí)器（WDT），它帶有片內(nèi)可靠運(yùn)行的RC振蕩器。可編程的代碼保護(hù)。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(jì)。在線串行編程(ICSP)。單獨(dú)5v的內(nèi)部電路串行編程(ICSP)能力。處理機(jī)讀/寫(xiě)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器。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(shí)典型值小于2mA。 在3v,32KHz時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器。Timer 1 ：帶有預(yù)分頻的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，在使用外部晶體時(shí)鐘時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器2個(gè)捕捉器，比較器和PWM模塊。其中 ：捕捉器是16位的。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(cè)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(cè)電路。（3）RS232C接口電路計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)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(yuǎn)程傳輸時(shí)，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(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。RS232C接口（又稱EIARS232C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè)25個(gè)腳的DB25連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信號(hào)的電平加以規(guī)定。①接口的信號(hào)內(nèi)容實(shí)際上RS232C的25條引線中有許多是很少使用的，在計(jì)算機(jī)通訊中一般只使用39條引線。RS232C最常用的9條引線的信號(hào)。②接口的電氣特性在RS232C中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯?！?”，5~15V；邏輯“0”+5~+15V噪聲容限為2V。即要求接收器能識(shí)別低至+3V的信號(hào)作為邏輯“0”，高到3V的信號(hào)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(hào)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(jī)連接的RS232C接口,因?yàn)椴皇褂脤?duì)方的傳送控制信號(hào),只需三條接口線,即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號(hào)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(zhǎng)度由RS232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度應(yīng)為50英尺，其實(shí)這個(gè)4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)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(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)50英尺。 Max232結(jié)構(gòu)圖（4）繼電器繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，廣泛用于遙控，遙測(cè)，通信，自動(dòng)控制，機(jī)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(dòng)控制電路中起控制與隔離作用的執(zhí)行部件，它實(shí)際上是一種可以用低電壓、小電流來(lái)控制大電流、高電壓的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。在本系統(tǒng)中，繼電器控制的自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)電路和PCI16F877A單片機(jī)中程序構(gòu)成溫度自動(dòng)監(jiān)測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物培養(yǎng)液溫度的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)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(diǎn)，采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來(lái)制冷，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，效率較高。：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桑鳱 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(lái)，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。正視圖側(cè)視圖2）本控制系統(tǒng)是對(duì)生物培養(yǎng)液進(jìn)行溫度監(jiān)控，故太快的溫度變化對(duì)生物繁殖顯②本控制系統(tǒng)是對(duì)生物培養(yǎng)液進(jìn)行溫度監(jiān)控，過(guò)快的溫度變化對(duì)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(jìn)行溫度的小范圍調(diào)節(jié)。3 溫度控制系統(tǒng)的組成框圖采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)。其中數(shù)字控制器的功能由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 培養(yǎng)皿的傳遞函數(shù)為，其中τ1為電阻加熱的時(shí)間常數(shù)，為電阻加熱的純滯后時(shí)間，為采樣周期。A/D轉(zhuǎn)換器可劃歸為零階保持器內(nèi)，所以廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為 （311） 廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)為 （312） 所以系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)為 (313) 系統(tǒng)的數(shù)字控制器為= （314） 寫(xiě)成差分方程即為 （315） 令 ,得 （316）式中 ——第次采樣時(shí)的偏差；——第次采樣時(shí)的偏差；——第次采樣時(shí)的偏差；4 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述PIC16f877A單片機(jī)加熱控制電路高阻抗加熱絲降溫控制電路半導(dǎo)體降溫片溫度傳感器培養(yǎng)皿TTL電平到EIA電平轉(zhuǎn)換電路商用計(jì)算機(jī)顯示終端 Chip PIC16F877A單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道，用于采集培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度信號(hào)。溫度傳感器輸出電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度給定值數(shù)字化后進(jìn)行比較，即可得到實(shí)際溫度和給定溫度的偏差。培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度設(shè)定值由Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)中程序設(shè)定。由Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字控制器進(jìn)行比較運(yùn)算，經(jīng)過(guò)比較后輸出控制量控制由加熱和降溫電路構(gòu)成的溫度調(diào)節(jié)電路對(duì)培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路把當(dāng)前溫度傳輸?shù)缴逃糜?jì)算機(jī)的串口中，由計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)的顯示培養(yǎng)皿中的溫度，正常情況下溫度控制由Micro Chip PIC16F877A單片機(jī)自動(dòng)控制。必要時(shí)，計(jì)算機(jī)也可以通過(guò)軟件來(lái)強(qiáng)制改變培養(yǎng)皿中溫度。