【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的。主要由輸入電路和輸出電路等組成，輸出電路通常是觸點(diǎn)。當(dāng)感應(yīng)元基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 52 頁(yè) 件中的輸入量變化到某一定值時(shí)繼電器動(dòng)作，輸出觸點(diǎn)便接通和斷開控制回路?？刂评^電器種類繁多。常用的繼電器，按用途分可分為中間繼電器、電流繼電器、電壓繼電器、時(shí)間繼電器、熱繼電器以及 溫度、壓力、計(jì)數(shù)、頻率、速度繼電器等?？刂评^電器按結(jié)構(gòu)分為電磁式和電子式兩大類，其中電磁式繼電器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠，在機(jī)床電路中被廣泛應(yīng)用。電子元器件的發(fā)展應(yīng)用，推動(dòng)了各種電子式的小型繼電器的出現(xiàn)，這類繼電器比傳統(tǒng)的繼電器靈敏度更高、壽命更長(zhǎng)、動(dòng)作更快、體積更小，一般都采用密封式或封閉式結(jié)構(gòu)，用插座與外電路連接，便于迅速替換，能與電子線路配合使用。 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。它的分類方法很多，如果按動(dòng)作原理分類有；電磁式、感應(yīng)式、電動(dòng)式、電子式繼電器及熱繼電器。電磁 式繼電器主要包括電壓式繼電器、電流式繼電器。 （ 1） 電壓繼電器 電壓繼電器按功能分為控制用的中間繼電器和保護(hù)用的過(guò)電壓、欠電壓和零電壓繼電器。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。主要用途是在低壓控制電路中擴(kuò)展其他電器的觸點(diǎn)數(shù)目或觸點(diǎn)容量，起信號(hào)中繼作用。電路正常工作時(shí)，欠電壓繼電器吸合，當(dāng)電路電壓減小到某一整定值時(shí)，欠電壓繼電器釋放，對(duì)電路實(shí)現(xiàn)欠電壓保護(hù)。電路正常工作時(shí)，過(guò)電壓繼電器不 會(huì) 動(dòng)作，當(dāng)電路電壓超過(guò)某一整定值時(shí)，過(guò)電壓繼電器吸合，對(duì) 電路實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)。零電壓繼電器是當(dāng)電路電壓降低到 5% UN～ 25% UN 時(shí)釋放，對(duì)電路實(shí)現(xiàn)零電壓保護(hù)。 （ 2） 電流繼電器 電流繼電器反映的是電流信號(hào)，使用時(shí)，應(yīng)將其勵(lì)磁線圈和負(fù)載串連，其線圈匝數(shù)少而粗，不致影響負(fù)載電路。常用的電流繼電器有欠電流和過(guò)電流繼電器兩種。電路正常工作時(shí)，欠電流繼電器吸合，當(dāng)電路電流減小到某一整定值以下時(shí)，欠電流繼電器釋放，對(duì)電路起欠電流保護(hù)。電路正常工作時(shí)，過(guò)電流繼電器不 會(huì) 動(dòng)作，當(dāng)電路電流超過(guò)某一整定值時(shí)，過(guò)電流繼電器吸合，對(duì)電路起過(guò)電流保護(hù)。 加熱控制電路 在讀 取到從溫度傳感模塊采集到的溫度數(shù)值后，與事先設(shè)定好的溫度值進(jìn)行比較，若當(dāng)前檢測(cè)得的溫度比設(shè)定的溫度低，則需要對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行加熱處理。本系統(tǒng)利用高阻抗的電阻絲來(lái)對(duì)培養(yǎng)液加熱。如下圖 8所示，在檢測(cè)到溫度比設(shè)定的溫度低時(shí)， 管腳輸 第 19 頁(yè) 共 52 頁(yè) 出高電平，從而 NPN管道通，驅(qū)動(dòng)繼電器啟動(dòng)，從而為高阻抗加熱電阻絲通電加熱生物培養(yǎng)液。利用改進(jìn)的 PID 算法來(lái)計(jì)算 PWM 脈寬得出控制輸出。從而根據(jù)檢測(cè)到的 溫度而自動(dòng)調(diào)節(jié) 繼電器導(dǎo)通時(shí)間。 圖 8 加熱電路 降溫控制電路 若當(dāng)前檢測(cè)得的溫度比設(shè)定的溫 度高，則需要對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行降溫處理。本系統(tǒng)利用半導(dǎo)體降溫片來(lái)對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行降溫。其優(yōu)點(diǎn)是 是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高 ，且無(wú)污染。實(shí)際使用中也是同電阻絲加熱模塊一樣，采用繼電器，在滿足制冷條件下繼電器接通，接通制冷電源， 利用改進(jìn)的 PID算法來(lái)計(jì)算 PWM 脈寬得出控制輸出。從而達(dá)到根據(jù)檢測(cè)到的溫度而自動(dòng)調(diào)節(jié) 繼電器導(dǎo)通時(shí)間 當(dāng)然，實(shí)際使用時(shí)也可以采用電風(fēng)扇，即再在滿足制冷條件下繼電器接通，電風(fēng)扇的電機(jī)接通電源而轉(zhuǎn)動(dòng)制冷。也是 利用改進(jìn)的 PID 算法來(lái)計(jì)算 PWM 脈寬得出控制輸出。基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 52 頁(yè) 從而達(dá)到根據(jù)檢測(cè)到的 溫度而自動(dòng) 調(diào)節(jié) 風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。 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。其工作原理如圖 9： 圖 9半導(dǎo)體降溫片工作原理圖 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?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(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。 若當(dāng)前檢測(cè)得的溫度比設(shè)定的溫度高，則需要對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行降溫處理。在 檢測(cè)到的溫度比設(shè)定的溫度偏低時(shí)， 管腳輸出高電平，從而 NPN管道通，驅(qū)動(dòng)繼電器啟動(dòng)，從而為半導(dǎo)體制冷片通電是培養(yǎng)液達(dá)到制冷的目的。本系統(tǒng)利用半導(dǎo)體降溫片來(lái)對(duì)培養(yǎng)液進(jìn)行降溫。其優(yōu)點(diǎn)是 無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高，且無(wú)污染。實(shí)際使用中也是同電阻絲加熱模塊一樣，采用繼電器，在滿足制冷條件下繼電器接通，接通制冷電源， 利用改進(jìn)的 PID算法來(lái)計(jì)算 PWM脈寬得出控制輸出。從而達(dá)到根據(jù)檢測(cè)到的 溫度而自動(dòng)調(diào)節(jié)繼電器導(dǎo)通時(shí)間。電路圖如圖 10 第 21 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 10 降溫電路 報(bào)警電路 如果培養(yǎng)液里的溫度過(guò)高或者是過(guò)低了，超出 了其允許的某個(gè)溫度范圍，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶，可以讓用戶采取更為快速和有效地措施來(lái)避免或是減少損失。報(bào)警電路圖下圖 11 所示。當(dāng)微機(jī)判斷當(dāng)前溫度值超出范圍時(shí)，將 管腳置低電平，利用非門來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭報(bào)警。 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 11 報(bào)警電路 鍵盤電路 在過(guò)程控制和智能化儀表中，通常是用單片微機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理的，為實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，鍵盤是個(gè)必不可少的功能配置。利用按鍵可以實(shí)現(xiàn)向單片微機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令、功能切換等，是人工干預(yù)單片微機(jī)系統(tǒng)的主要手段。 鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。按鍵所用 開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。一個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過(guò)程，在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短一般為 5～ 10ms。按鍵的穩(wěn)定閉合期長(zhǎng)短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為十分之幾秒到幾秒的時(shí)間。 鍵的閉合與否，反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。為了確保單片微機(jī)對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵，必須消除抖動(dòng)的影響。 鍵盤接口的工作原理鍵盤可分為兩類：獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤。各個(gè)鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵獨(dú)立地與一根數(shù)據(jù)輸入線相連接。任何一個(gè)按鍵按下時(shí)，通過(guò)門電 路都會(huì)向 CPU申請(qǐng)中斷，在中斷服務(wù)程序中，讀入 P1 口的值，從而判斷是哪一個(gè)按鍵被按下。對(duì)按鍵是否被按下，需采用軟件消抖的辦法，以消除按鍵在閉合和斷開瞬間所伴隨有一連串抖動(dòng)所帶來(lái)的不利影響。矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。將行、列線信號(hào)配合起來(lái)并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。矩陣鍵盤按鍵的識(shí)別方法：識(shí)別鍵盤有無(wú)鍵被按下，所有列線均置為 0 電平，檢查各行線電平是否有變化， 第 23 頁(yè) 共 52 頁(yè) 如果有變化，則說(shuō)明有鍵被按下。識(shí)別出具體的按鍵，逐列置零電平，其余各列置為高電平，某行電平由高電平變?yōu)榱?電平，可確定此行此列交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。 單片微機(jī)在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中單片微機(jī)工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不要過(guò)多占用單片微機(jī)的工作時(shí)間。鍵盤工作方式有三種，即：編程掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。 矩陣式鍵盤的工作過(guò)程。鍵掃描：先通過(guò)輸出口使所有列線輸出為低電平，然后從輸入口讀入所有行線的狀態(tài)。若行線中有低電平，則表明有鍵被按下。判斷按鍵位置。使列線從低位至高位逐位變低電平輸出，每次均讀入行線的 狀態(tài)，以確定那條列線為 “0” 狀態(tài)。由行、列線的狀態(tài)就可判斷是哪一個(gè)鍵被按下 當(dāng)判斷出哪個(gè)鍵壓下后，程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理程序。程控掃描方式： CPU 的控制一旦進(jìn)入監(jiān)控程序，將反復(fù)不斷地掃描鍵盤，等待輸入命令或數(shù)據(jù)。定時(shí)掃描方式：響應(yīng)定時(shí)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，對(duì)鍵盤掃描一遍，檢查鍵盤的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤的定時(shí)掃描。中斷掃描方式：當(dāng)鍵位上有鍵壓下時(shí)，由硬件電路產(chǎn)生中斷請(qǐng)求， CPU 響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，判斷壓下的鍵的鍵號(hào)，根據(jù)鍵的定義 (數(shù)字鍵或功能鍵 )作相應(yīng)的處理。 鍵盤模塊是本 控制系統(tǒng)的人機(jī)交流模塊部分，主要 為用戶提供進(jìn)行溫度的設(shè)置功能。該設(shè)置功能模塊中包括了 0到 9 的數(shù)字按鍵，啟動(dòng)設(shè)置按鍵，即“設(shè)置”按鈕，輸入錯(cuò)誤時(shí)的刪除按鍵，及“刪除”鍵。如圖 12 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 24 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 12 鍵盤電路 LED 溫度顯示模塊 由于任務(wù)書要求使用 LED 顯示溫度，而且溫度在 15?25℃范圍內(nèi)連續(xù)可控，溫度控制精度為 ℃。因此，本系統(tǒng)采用了四位共陽(yáng)極的ＬＥＤ七段數(shù)碼管。如圖 13 所示為 4位 7 段數(shù)碼管的原理圖。由于所有的段選線并聯(lián)到同一個(gè) I/O，由這個(gè) I/O 口來(lái)控制，因此，若是所 有的 4 位 8 段 LED 都選 通的話， 4 位 8 段 LED 將會(huì)顯示相同的字符。要使各個(gè)位 的 8 段 LED 顯示不同的字符，就必須采用動(dòng)態(tài)掃描方法來(lái)輪流點(diǎn)亮每一位 8 段 LED，即在每一瞬間只選通一位 8 段 LED 進(jìn)行顯示單獨(dú)的字符。在此段點(diǎn)亮?xí)r間內(nèi)，段選控制 I/O 口輸出要顯示的相應(yīng)字符的段選碼，而位選控制 I/O 口則輸出位選信號(hào)，向要顯示的位送出選通電平（共陰極則送出低電平，共陽(yáng)極則送出高電平），使得該位顯示相應(yīng)字符。這樣將四位 8 段 LED 輪流去點(diǎn)亮，使得每位分時(shí)顯示該位應(yīng)顯示的字符。由于人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間為 秒，當(dāng)每位顯示的間隔未超過(guò) 33ms 時(shí)，并在顯示時(shí)保持直到下一位顯示，則由于人眼的視覺(jué)暫留效果眼睛看上去就像是 4 位 8 段 LED 都在點(diǎn)亮。設(shè)計(jì)時(shí)，要注意每位顯示的間隔時(shí)間，由于一位 8 段 LED 的熄滅時(shí)間不能超過(guò) 100ms，也就是說(shuō)點(diǎn)亮其它位所用的時(shí)間不能超過(guò) 100ms，這樣當(dāng)有 N 位的 8 段 LED 用來(lái)顯示時(shí)，每一位間隔的時(shí)間 t 就必須符合下面的式子： t≦ 100ms/(N1) 第 25 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 13 LED 的動(dòng)態(tài)顯示原理圖 本 系統(tǒng)中 N＝ 4，則由式子可以算出 t≦ 33ms，就是每一位的間隔時(shí)間不能超過(guò) 33ms。當(dāng)然時(shí)間可以也設(shè)得短一些，比如 5ms或 1ms 也可以。 如下圖 14所示為該四位 8 段 LＥＤ數(shù)碼管顯示模塊的管腳連接圖。 從左到右，Ａ G依次接 , DP 接 管腳。 14為數(shù)碼管位選的輸入，依次接 管腳。 在進(jìn)行顯示編程時(shí)，首先選定需要顯示的位數(shù)，然后向段選位送數(shù)據(jù)。即可顯示。由于單片機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示管，因此不需外加驅(qū)動(dòng)電路了 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 14 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 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(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?！?1”， 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” 。 第 27 頁(yè) 共 52 頁(yè) 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。 圖 15 Max232 結(jié)構(gòu)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 28 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 16 串行電路圖