【正文】 perature Coefficient of Quiescent Current 靜態(tài)電流 /溫度系數(shù) + + + + μA/℃ Minimum Temperature for Rated Accuracy 最低溫度 額定精度 In circuit of Figure 1,IL=0 + + + + ℃ Long Term Stability 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 T J=TMAX,for 1000 hours 177。 mV/V 4V≤VS≤30V 177。 mV/mA Line Regulation 線路調(diào)整（ 注3) TA=+25℃ 177。 mV/mA TMIN≤TA≤TMAX 177。 ℃ Sensor Gain傳感器增益(Average Slope)平均斜率 TMIN≤TA≤TMAX + +, + + mV/℃ + + Load Regulation 負(fù)載調(diào)節(jié) (注3) 0≤IL≤1mA TA=+25℃ 177。 ℃ Nonlinearity非線性 (注 8) TMIN≤TA≤TMAX 177。 ℃ 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 52 頁 TA=TMIN 177。 ℃ TA=TMAX 177。 177。1/4℃ ； 校準(zhǔn)方式：直接用攝氏溫度校準(zhǔn)； 額定使用溫度范圍： 55～ +150℃ 。這么小的電流也使得該芯片在某些應(yīng)用中特別適合，比如在電池供電的場(chǎng)合中，輸出可以由第三個(gè)引腳取出，根本無需校準(zhǔn)。在常溫下， LM35 不需要額外的校準(zhǔn)處理即可達(dá)到 177。C，輸出電壓增加 10mV。如 果 將零輸入和滿量程輸出點(diǎn)相連的理論直線作為擬合直線；或?qū)⑴c特性曲線上各點(diǎn)偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線，此擬合直線稱為最小二乘法擬合直線。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào) 分為 階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。表征傳感器靜態(tài)特性的主 要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。目前對(duì)傳感器尚無一個(gè)統(tǒng)一的分類方法，但比較常用的有如下三種：１、按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、 流量、氣體成份等傳感器２、按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。 如下圖 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 52 頁 溫度檢測(cè)電路 溫 度檢測(cè)電路包括溫度傳感器、變送器和 A/D 轉(zhuǎn)換三部分。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ： 8位 CPU； 片內(nèi)振蕩器和 時(shí)鐘電路 ； 32 根 I/O 線； 外部存貯器尋址范圍 ROM、 RAM64K； 2 個(gè) 16 位的 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 5 個(gè) 中斷源 ，兩個(gè) 中斷優(yōu)先級(jí) ； 全雙工 串行口 ； 布爾處理器； 圖 2 （ 1）復(fù)位使單片機(jī)處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開始運(yùn)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種 軟件可選的掉電模式。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一 個(gè) ALE 脈沖。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口 ： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè)TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時(shí) ，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 第 5 頁 共 52 頁 GND：接地。 5 個(gè)中斷源 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器 該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。生物培養(yǎng)液微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如 圖 1所示 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 52 頁 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)選擇 單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要， AT89C51 具有大內(nèi)存、高速率、通用性、價(jià)格便宜等要求，所以本課題選擇 AT89C51 作為主控芯片。半導(dǎo)體制冷片用來降溫，高阻抗加熱絲用來加溫。 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述 圖 1 生物培養(yǎng)液微機(jī)溫度控制系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖 要設(shè)計(jì)完成一個(gè)生物培養(yǎng)液微型計(jì)算機(jī)溫度控制系統(tǒng)，我們可以把它的組成分成以下幾個(gè)部分：溫度檢測(cè)短路，信號(hào)放大短路， A/D 轉(zhuǎn)換電路，加熱控制電路，降溫電路，報(bào)警電路，鍵盤（溫度設(shè)置）模塊和 LED（溫度顯示）模塊，單片機(jī)判斷輸入溫度信號(hào)與設(shè)報(bào)警電路 LED 顯示 鍵盤電路 AT89C51單片機(jī) 加熱控制電路 高阻抗電阻絲 降溫控制電路 半導(dǎo)體制冷片 A/D 轉(zhuǎn)換 信號(hào)放大電路 溫度傳感電路 生物培養(yǎng)皿 PC 機(jī) 第 3 頁 共 52 頁 定的溫度的差距，再通過改進(jìn)的 PID 算法 給以調(diào)節(jié)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的測(cè)量與與控制，操作方便；缺點(diǎn)是調(diào)試過程復(fù)雜，成本較高。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于速度較快，但可靠性比較差控 制精度比較低、靈活性小、線路復(fù)雜、調(diào)試、安裝都不方便。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 度 。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來自于各個(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)。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。 第 1 頁 共 52 頁 1 緒論 背景 在現(xiàn)代化 的到來 世界 ， 生物培養(yǎng)液的利用大大提高了生物的繁殖與生長(zhǎng)，但其溫度的控制至關(guān)重要，為此我們需要掌握其信息，同時(shí)信息需要溫度傳感器將信息傳遞出來。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。 溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。正常情況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。且要實(shí)現(xiàn)題目所有的要求難度較大。 方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)與高精度溫度傳感器結(jié)合的方式。 放大器的則是用來放大采集裝置采集的溫度，由于測(cè)量的溫度一般較小，所以要先用放大器進(jìn)行放大再輸入。顯示部分則用來顯示生物培養(yǎng)液微的溫度以及設(shè)定時(shí)設(shè)置的溫度值。 AT89C51 如圖 2 是一種帶 4K 字節(jié) FLASHC 存儲(chǔ)器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器 ，俗稱單片機(jī)。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器。壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 128 8位內(nèi)部 RAM 可編程串行通道 P0 口 ： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。 P1口 ： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 52 頁 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一 些控制信號(hào)。在FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET； /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí) 鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在閑置模式下， CPU 停止工作。 AT89C51 的 RST 引腳為復(fù)位端，該引腳連續(xù)保持 2個(gè)機(jī)器周期以上高電平，則可使單片機(jī)復(fù)位。 溫度傳感器電路 傳感器的定義是： 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類，可分為：輸出為開關(guān)量的開關(guān)型傳感器；輸出為模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。傳感器的動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。通常情況下，傳感器的實(shí)際靜態(tài)特性輸出是條曲線而非直線。 LM35 是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。 即： VoutLM35(T)=10mv/176。1/4℃ 的準(zhǔn)確率。 目前，已有兩種型號(hào)的 LM35 可以提供使用。 1引腳說明： ① 電源負(fù) GND； ② 電源正 VCC； ③ 信號(hào)輸出 S； 傳感器參數(shù) 供電電壓 35V 到 輸出電壓 6V 至 輸出電流 10mA 指定工作溫度范圍 LM35A 55℃ to +150℃ LM35C, LM35CA 40℃ to +110℃ LM35D 0℃ to +100℃ 電氣特性 Parameter 參數(shù) Conditions 條件 LM35A LM35CA Units (Max.) 單位 Typical 典型 Tested Limit 測(cè)試極限 ( 注4) Design Limit設(shè)計(jì)極限 ( 注5) Typical典型 Tested Limit 測(cè)試 極限(注 4) Design Limit設(shè)計(jì)極限 ( 注5) Accuracy 精度（注 7 ） TA=+25℃ 177。 ℃ TA=?10℃ 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)同外界交換信息所必須的接口器件，因?yàn)樗軐⒚枋鲎匀滑F(xiàn)象和生產(chǎn)過程的模擬量轉(zhuǎn)換成便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理數(shù)字量。因此，本系統(tǒng)選用 ADC0809 作為 ADC，來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。多路開關(guān)可選通 8個(gè)模擬通道，允許 8路模擬量分時(shí)輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。 21～ 28： 8 位數(shù)字量輸出端。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。當(dāng) ALE 線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將 A，B， C 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。又因?yàn)?ADC0809 的輸出電壓為 05V,所以最大可以放大5 倍， 系統(tǒng)中選用通用型放大器 μ A741 對(duì) LM35 輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行幅度放大，還可以對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配、波形變換、噪聲抑制等處理。 變送器則是把傳感器采集到的微弱的電信號(hào)放大以便轉(zhuǎn)送或啟動(dòng)控制元件。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器?？刂评^電器種類繁多。 繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號(hào)接通或斷開小電流控制電路的低壓電器器件。中間繼電器也是一種電壓繼電器，是控制電路使用最多的繼電器，它的觸點(diǎn)對(duì)數(shù)多、觸點(diǎn)容量較大、動(dòng)作靈敏度較高。零電壓繼電器是當(dāng)電路電壓降低到