【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 k 次采樣時(shí)的偏差； )1( ?ke —— 第 1?k 次采樣時(shí)的偏差； )1( ?ku —— 第 1?k 次采樣時(shí)的偏差； 5 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 51 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 51中溫度傳感器和 Micro 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。 6 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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 武漢紡織大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 13 單片機(jī)控制流程圖 圖 61單片機(jī)控制流程圖 溫度變換程序模塊 溫度傳感器在 12℃到 60℃輸出 — ，溫度起點(diǎn)為 12℃，滿量程為 48℃。Micro Chip PIC16F877A 單片機(jī)內(nèi)嵌的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng) 輸出的數(shù)字量為開(kāi)始 初始化 PIC16F877A單片機(jī)端口地址 讀入預(yù)設(shè)溫度 值 啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果送入 NX 單元 NXFF0 F0NX0 降溫 加熱 工程量變換 溫度非線性溫度轉(zhuǎn)換 發(fā)送數(shù)據(jù)到串口 命令識(shí)別程序 從串口接受數(shù)據(jù) Y Y Y N N N 武漢紡織大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 14 0000000000B~1111111111B（ 0~5V），應(yīng)用以下變換公式進(jìn)行變換： AX=A0+(AMA0)(NXN0)/(NMN0) 式中， A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限。 AM為一次測(cè)量?jī)x表的上限。 AX實(shí)際測(cè)量值。 N0儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 NM儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 NX測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 溫度非線性轉(zhuǎn)換程序模塊 采用折線擬合法進(jìn)行線性化處理 如圖 所示，分為以下幾段： 當(dāng) ≤ Ax 時(shí)， T℃ =*WN+12 當(dāng) ≤ WN 時(shí)， T℃ =*WN+25 當(dāng) ≤ WN 時(shí)， T℃ =*WN+40 當(dāng) ≤ WN 時(shí)， T℃ =+50 表 61 溫度曲線實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù) 溫度 (℃ ) 12 13 14 15 16 17 18 電壓（ V） 溫度 (℃ ) 19 20 21 22 23 24 25 電壓（ V） 溫度 (℃ ) 26 27 28 29 30 31 32 電壓（ V） 溫度 (℃ ) 33 34 35 36 37 38 39 電壓（ V） 溫度 (℃ ) 40 41 42 43 44 45 46 電壓（ V） 溫度 (℃ ) 47 48 49 50 51 52 53 電壓（ V） 溫度 (℃ ) 54 55 56 57 58 59 60 電壓 （ V） 武漢紡織大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 15 圖 51 圖 62 溫度分段線限等效圖 7 通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 由于溫度采集和實(shí)施控制是通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而微機(jī)完成溫度監(jiān)控，所以需要采用單片機(jī)和微機(jī)之間的通信協(xié)議。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用條件為傳輸距離不超過(guò) 15米的短距離數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸數(shù)據(jù)量較小，所以采用在控制領(lǐng)域里應(yīng)用較廣泛 RS232C串行通信方式。 針對(duì)近程小批量的數(shù)據(jù)通信 ，設(shè)計(jì)時(shí)采用 3 線制（ RXD ， TXD ， GND） 軟握手的零MODEM方式。即：將 PC機(jī)和單片機(jī)的“發(fā)送數(shù)據(jù)線（ TXD）” 與“接收數(shù)據(jù)（ RXD）” 交叉連接，二者的地線（ GND） 直接相連而其它信號(hào)線如握手信號(hào)線均不用，而采用軟件握手。這樣即可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)，又可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)節(jié)約了成本。 由于 RS232C是早期為促進(jìn)公用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，其邏輯電平與TTL， MOS 邏輯電平不同。邏輯 0 電平 規(guī)定 為 +5~+15V之間，邏輯 1是電平為 5 ~15V 之間。因此在將 PC機(jī)和單片機(jī)的 RXD和 TXD交叉連接時(shí)， 必須 進(jìn)行電平轉(zhuǎn) 換。 下圖 即為通信時(shí)的硬件連接 圖， 其中器件 MAX232完成邏輯電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)。 武漢紡織大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 16 圖 71 電平轉(zhuǎn)換電路圖 注： 在 PC機(jī)中 9針 RS232接 口 中： 2線： RXD， 3線： TXD， 5線： GND 而在 25針 的 RS232接 口 中： 3線： RXD， 2線： TXD， 7線： GND 軟件設(shè)計(jì) 在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè)計(jì)時(shí)， 必須 解決好兩 個(gè) 方面的問(wèn)題：一是可 靠性， 二是 速度。 而這兩方面的問(wèn)題，可 靠性 是 第 一位的 ,速度只 能 是在可 靠 的 基礎(chǔ) 上的 速度。 可 靠快速 轉(zhuǎn)輸?shù)膶?shí)現(xiàn)， 需要 PC單片機(jī)軟 件以及通信協(xié)議 等 各 個(gè) 環(huán)節(jié)的可 靠 和其間的相 互配合。 通信協(xié)議 概 述 在設(shè)計(jì) PC單片機(jī) 通信協(xié)議時(shí)， 需 說(shuō)明一點(diǎn)：在本系 統(tǒng) 的實(shí)際通信中， PC機(jī)是 主 控者單片機(jī) 只 是 被動(dòng) 接收者。采用這種通信協(xié)議較 雙 方 互 為 主 控者時(shí)簡(jiǎn)單。 本通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 思想 是 基 于 幀 傳輸方式。即在 向 RS232串 口 發(fā)送 命令 信號(hào)，應(yīng) 答信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，是一 幀 一 幀 地發(fā)送的。為了 使 數(shù)據(jù) 快速 可 靠 地傳輸，將 每 一 幀 數(shù)據(jù)唯 一對(duì)應(yīng)一 命令幀。 此時(shí)傳輸數(shù)據(jù)即 執(zhí) 行 命令 具 體 如下： (1) 在 PC讀數(shù)據(jù)時(shí)， 遵循 “ 讀 命令 等 數(shù)據(jù) 報(bào)告”， 即 PC下達(dá)一 命令，等待 接收數(shù)據(jù)， 根據(jù) 所接收數(shù)據(jù)的正 誤向 應(yīng)用程 序報(bào)告 此 命令 的 執(zhí) 行 情況。 (2) 在 PC寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)， 遵循“ 寫(xiě) 命令 等回 應(yīng) 報(bào)告”， 即 PC下達(dá)一寫(xiě) 命令（ 此時(shí)所 要寫(xiě)的數(shù)據(jù) 含 于此 命令 中）， 等待 單片機(jī)發(fā)來(lái)的“ 已 正 確 接收”的 回 應(yīng)信號(hào)， 并向 應(yīng)用程序報(bào)告 此 命令執(zhí) 行完 畢。 (3) 如 果 在轉(zhuǎn)輸過(guò)程中，其間 PC或 MCU所接收任 何 一 幀 信號(hào)出現(xiàn) 錯(cuò)誤 時(shí)，均會(huì) 向 對(duì)方發(fā)送 重 發(fā)此 幀 信號(hào)的請(qǐng) 求。 如 果 連 續(xù)三次 轉(zhuǎn)輸 失敗，則退 出通信 并向 應(yīng)用程 序報(bào)告。 通信協(xié)議說(shuō)明 信號(hào) 幀 分類(lèi) (1) 讀 命令 幀：當(dāng) PC讀數(shù)據(jù)時(shí)， PC向 PIC16F877A發(fā)送的 命令 信號(hào)。 武漢紡織大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 17 (2) 寫(xiě) 命令幀：當(dāng) PC寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)， PC向 PIC16F877A發(fā)送的 命令 信號(hào) (內(nèi)含 所 要 寫(xiě)的數(shù)據(jù) )。 (3) 數(shù)據(jù) 幀：當(dāng) PC讀數(shù)據(jù)時(shí)， PIC16F877A向 PC發(fā)送的 內(nèi)含 數(shù)據(jù)信 息 的信號(hào)。 (4) 正 回 應(yīng) 幀：當(dāng) PC寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)， PIC16F877A向 PC報(bào)告 數(shù)據(jù) 已 正 確 接收的信號(hào)。 (5) 重 發(fā) 命令幀：當(dāng) PC讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)， PIC16F877A所接收的信號(hào) 幀 (讀 /寫(xiě) 命令幀 )有 誤 時(shí)向 PC發(fā)出的請(qǐng) 求重 發(fā)信號(hào)。 (6) 放棄命令幀：當(dāng) PC讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)了 使 程 序無(wú) 法 正 常執(zhí) 行時(shí) PC或 PIC16F877A向 對(duì)方發(fā)出的 退 出通信的通 知 信號(hào)。 信號(hào) 幀格 式 (1) 讀 命令幀格 式 幀頭 標(biāo) 志 幀 類(lèi) 型 器件地 址 起 始 地 址 長(zhǎng)度 校驗(yàn) 和 幀尾 標(biāo) 志 幀頭 標(biāo) 志 (1 Bit): 表 示 此數(shù)據(jù) 包屬 于本串 口 通信協(xié)議 ,并 為是 否 接收此 包 數(shù)據(jù)的標(biāo) 志。 幀 類(lèi) 型 (1 Bit): 所用信號(hào) 幀 的 識(shí) 別標(biāo) 志 ,即 信號(hào) 幀 分類(lèi)中的各類(lèi) 型 信號(hào)的標(biāo) 志字節(jié)。 器件地 址 (1Byte): PC所 要訪 問(wèn)的 外部 器件的地 址 即是 哪 一 個(gè)外部 器件。 起 始 地 址 (2Byte): PC所 要訪 問(wèn)的器件的 存貯 器起 始 地 址。 長(zhǎng) 度 (1Byte): 一 次命令 所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù) 長(zhǎng)度。 校驗(yàn) 和 (1Byte): 此 幀 信號(hào)的 校驗(yàn)字 節(jié) ,為異 或校驗(yàn)。 幀尾 標(biāo) 志 (1Byte): 此 幀 信號(hào)的 結(jié)束 標(biāo) 志。 (2) 寫(xiě) 命令幀 幀頭 標(biāo) 志 幀 類(lèi) 型 器件地 址 起 始 地 址 長(zhǎng)度 數(shù)據(jù) 區(qū) 校驗(yàn) 和 幀尾 標(biāo) 志 數(shù)據(jù) 區(qū) :所 要 寫(xiě)的數(shù)據(jù)信 息。 其它分 析 同上。 (3) 數(shù)據(jù) 幀 幀頭 標(biāo) 志 幀 類(lèi) 型 長(zhǎng)度 數(shù)據(jù) 區(qū) 校驗(yàn)字 幀尾 標(biāo) 志 長(zhǎng)度 :所轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)的 長(zhǎng)度。 數(shù)據(jù) 區(qū) :所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)信 息。 其它分 析 同上。 (4) 正 響 應(yīng) 幀 幀頭 標(biāo) 志 幀 類(lèi) 型 空 校驗(yàn)字 幀尾 標(biāo) 志 空無(wú) 意 義 :為了 PIC16F877A編 程的方 便 而 加入。 其它分 析 同上。 (5) 重 發(fā) 幀 幀頭 標(biāo) 志 幀 類(lèi) 型 空 校驗(yàn)字 幀尾 標(biāo) 志 其它分 析 同上。 (6) 放棄幀 幀頭 標(biāo) 志 幀 類(lèi) 型 錯(cuò)誤碼 校驗(yàn)字 幀尾 標(biāo) 志 錯(cuò)誤碼 : 00H 執(zhí) 行 PC命令 發(fā) 放棄幀回 應(yīng) 被動(dòng)退 出通 訊。 武漢紡織大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ） 18 串口接受到一幀數(shù)據(jù) 此幀是否正確 連續(xù) 3次不正確 退 出 通 信并報(bào)告 讀 命 令信號(hào) 退 出 等 待下一幀 重發(fā)命令幀 寫(xiě) 命 令信號(hào) 分析此命令 開(kāi)始執(zhí)行 分析此命令取 出數(shù)據(jù)信息 發(fā)數(shù)據(jù)幀 發(fā)正回應(yīng)數(shù)據(jù)幀 退出通信并報(bào)告 退 出 等 待下幀命令 N Y Y N Y Y N N 01H PIC16F877A 單片機(jī) 方寫(xiě) 入芯 片發(fā) 生錯(cuò)誤主動(dòng) 通 知 PC退 出通 訊。 通信協(xié)議 處 理 流 程 (1) 數(shù)據(jù)分 幀 與數(shù)據(jù) 重組 圖 72 串口數(shù)據(jù)接受過(guò)程 將應(yīng)用程 序 發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)作為一 個(gè)數(shù)據(jù)流放 在發(fā) 送 緩沖區(qū) 中，通過(guò)通信協(xié)議進(jìn)行分 幀──切割── 發(fā)送。在接收 端， 分 幀 的數(shù)據(jù) 去掉幀頭重新組合 到接收 緩沖區(qū) 中，交給應(yīng)用程 序處 理，接收過(guò)程的 示 意 圖 如 圖 73。 單片機(jī)串口通信軟件設(shè)計(jì)流程圖 。 圖 73 接收過(guò)程的 示 意 圖