【文章內容簡介】 k 次采樣時的偏差； )1( ?ke —— 第 1?k 次采樣時的偏差； )1( ?ku —— 第 1?k 次采樣時的偏差； 5 溫度控制系統(tǒng)結構圖 圖 51 溫度控制系統(tǒng)結構圖 圖 51中溫度傳感器和 Micro Chip PIC16F877A 單片機中的 A/D 轉換器構成輸入通道， 用于采集培養(yǎng)皿內的溫度信號。溫度傳感器輸出電壓經過 A/D 轉換后 的數(shù)字量與培養(yǎng)皿內的溫度給定值數(shù)字化后進行比較，即可得到實際溫度和給定溫度的偏差。培養(yǎng)皿內的溫度設定值由 Micro Chip PIC16F877A 單片機中程序設定。 由 Micro Chip PIC16F877A 單片機構成的 數(shù)字控制器進行比較運算，經過比較后輸出控制量控制由加熱和降溫電路構成的溫度調節(jié)電路對培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液溫度進行調節(jié)。同時通過電平轉換電路把當前溫度傳輸?shù)缴逃糜嬎銠C的串口中，由計算機動態(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 單片機自動控制。必要時， 計 算機也可以通過軟件來強制改變培養(yǎng)皿中溫度。 6 溫度控制系統(tǒng)軟件設計 PIC16f877A單片機 加熱控制電路 高阻抗加熱絲 降溫控制電路 半導體降溫片 溫度傳感器 培養(yǎng)皿 TTL電平到 EIA電平轉換電路 商用計算機顯示終端 武漢紡織大學 2020 屆畢業(yè)設計 （ 論文 ） 13 單片機控制流程圖 圖 61單片機控制流程圖 溫度變換程序模塊 溫度傳感器在 12℃到 60℃輸出 — ，溫度起點為 12℃，滿量程為 48℃。Micro Chip PIC16F877A 單片機內嵌的 10 位 A/D 轉換器對應 輸出的數(shù)字量為開始 初始化 PIC16F877A單片機端口地址 讀入預設溫度 值 啟動 A/D 轉換 A/D 轉換結果送入 NX 單元 NXFF0 F0NX0 降溫 加熱 工程量變換 溫度非線性溫度轉換 發(fā)送數(shù)據(jù)到串口 命令識別程序 從串口接受數(shù)據(jù) Y Y Y N N N 武漢紡織大學 2020 屆畢業(yè)設計 （ 論文 ） 14 0000000000B~1111111111B（ 0~5V），應用以下變換公式進行變換： AX=A0+(AMA0)(NXN0)/(NMN0) 式中， A0為一次測量儀表的下限。 AM為一次測量儀表的上限。 AX實際測量值。 N0儀表下限對應的數(shù)字量。 NM儀表上限對應的數(shù)字量。 NX測量值對應的數(shù)字量。 溫度非線性轉換程序模塊 采用折線擬合法進行線性化處理 如圖 所示，分為以下幾段： 當 ≤ Ax 時， T℃ =*WN+12 當 ≤ WN 時， T℃ =*WN+25 當 ≤ WN 時， T℃ =*WN+40 當 ≤ WN 時， T℃ =+50 表 61 溫度曲線實際測量數(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 2020 屆畢業(yè)設計 （ 論文 ） 15 圖 51 圖 62 溫度分段線限等效圖 7 通信協(xié)議的設計 由于溫度采集和實施控制是通過單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)，而微機完成溫度監(jiān)控，所以需要采用單片機和微機之間的通信協(xié)議。 本設計應用條件為傳輸距離不超過 15米的短距離數(shù)據(jù)傳輸，且傳輸數(shù)據(jù)量較小，所以采用在控制領域里應用較廣泛 RS232C串行通信方式。 針對近程小批量的數(shù)據(jù)通信 ，設計時采用 3 線制（ RXD ， TXD ， GND） 軟握手的零MODEM方式。即：將 PC機和單片機的“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線如握手信號線均不用，而采用軟件握手。這樣即可以實現(xiàn)預定的任務，又可以簡化電路設計節(jié)約了成本。 由于 RS232C是早期為促進公用電話網絡進行數(shù)據(jù)通信而制定的標準，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機和單片機的 RXD和 TXD交叉連接時， 必須 進行電平轉 換。 下圖 即為通信時的硬件連接 圖， 其中器件 MAX232完成邏輯電平轉換的任務。 武漢紡織大學 2020 屆畢業(yè)設計 （ 論文 ） 16 圖 71 電平轉換電路圖 注： 在 PC機中 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 軟件設計 在進行數(shù)據(jù)通信的軟件設計時， 必須 解決好兩 個 方面的問題：一是可 靠性， 二是 速度。 而這兩方面的問題，可 靠性 是 第 一位的 ,速度只 能 是在可 靠 的 基礎 上的 速度。 可 靠快速 轉輸?shù)膶崿F(xiàn)， 需要 PC單片機軟 件以及通信協(xié)議 等 各 個 環(huán)節(jié)的可 靠 和其間的相 互配合。 通信協(xié)議 概 述 在設計 PC單片機 通信協(xié)議時， 需 說明一點：在本系 統(tǒng) 的實際通信中， PC機是 主 控者單片機 只 是 被動 接收者。采用這種通信協(xié)議較 雙 方 互 為 主 控者時簡單。 本通信協(xié)議的設計 思想 是 基 于 幀 傳輸方式。即在 向 RS232串 口 發(fā)送 命令 信號，應 答信號及數(shù)據(jù)信號時，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 一對應一 命令幀。 此時傳輸數(shù)據(jù)即 執(zhí) 行 命令 具 體 如下： (1) 在 PC讀數(shù)據(jù)時， 遵循 “ 讀 命令 等 數(shù)據(jù) 報告”， 即 PC下達一 命令，等待 接收數(shù)據(jù)， 根據(jù) 所接收數(shù)據(jù)的正 誤向 應用程 序報告 此 命令 的 執(zhí) 行 情況。 (2) 在 PC寫數(shù)據(jù)時， 遵循“ 寫 命令 等回 應 報告”， 即 PC下達一寫 命令（ 此時所 要寫的數(shù)據(jù) 含 于此 命令 中）， 等待 單片機發(fā)來的“ 已 正 確 接收”的 回 應信號， 并向 應用程序報告 此 命令執(zhí) 行完 畢。 (3) 如 果 在轉輸過程中，其間 PC或 MCU所接收任 何 一 幀 信號出現(xiàn) 錯誤 時，均會 向 對方發(fā)送 重 發(fā)此 幀 信號的請 求。 如 果 連 續(xù)三次 轉輸 失敗，則退 出通信 并向 應用程 序報告。 通信協(xié)議說明 信號 幀 分類 (1) 讀 命令 幀：當 PC讀數(shù)據(jù)時， PC向 PIC16F877A發(fā)送的 命令 信號。 武漢紡織大學 2020 屆畢業(yè)設計 （ 論文 ） 17 (2) 寫 命令幀：當 PC寫數(shù)據(jù)時， PC向 PIC16F877A發(fā)送的 命令 信號 (內含 所 要 寫的數(shù)據(jù) )。 (3) 數(shù)據(jù) 幀：當 PC讀數(shù)據(jù)時， PIC16F877A向 PC發(fā)送的 內含 數(shù)據(jù)信 息 的信號。 (4) 正 回 應 幀：當 PC寫數(shù)據(jù)時， PIC16F877A向 PC報告 數(shù)據(jù) 已 正 確 接收的信號。 (5) 重 發(fā) 命令幀：當 PC讀 /寫數(shù)據(jù)時， PIC16F877A所接收的信號 幀 (讀 /寫 命令幀 )有 誤 時向 PC發(fā)出的請 求重 發(fā)信號。 (6) 放棄命令幀：當 PC讀 /寫數(shù)據(jù)時出現(xiàn)了 使 程 序無 法 正 常執(zhí) 行時 PC或 PIC16F877A向 對方發(fā)出的 退 出通信的通 知 信號。 信號 幀格 式 (1) 讀 命令幀格 式 幀頭 標 志 幀 類 型 器件地 址 起 始 地 址 長度 校驗 和 幀尾 標 志 幀頭 標 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 志。 幀 類 型 (1 Bit): 所用信號 幀 的 識 別標 志 ,即 信號 幀 分類中的各類 型 信號的標 志字節(jié)。 器件地 址 (1Byte): PC所 要訪 問的 外部 器件的地 址 即是 哪 一 個外部 器件。 起 始 地 址 (2Byte): PC所 要訪 問的器件的 存貯 器起 始 地 址。 長 度 (1Byte): 一 次命令 所轉輸?shù)臄?shù)據(jù) 長度。 校驗 和 (1Byte): 此 幀 信號的 校驗字 節(jié) ,為異 或校驗。 幀尾 標 志 (1Byte): 此 幀 信號的 結束 標 志。 (2) 寫 命令幀 幀頭 標 志 幀 類 型 器件地 址 起 始 地 址 長度 數(shù)據(jù) 區(qū) 校驗 和 幀尾 標 志 數(shù)據(jù) 區(qū) :所 要 寫的數(shù)據(jù)信 息。 其它分 析 同上。 (3) 數(shù)據(jù) 幀 幀頭 標 志 幀 類 型 長度 數(shù)據(jù) 區(qū) 校驗字 幀尾 標 志 長度 :所轉輸數(shù)據(jù)的 長度。 數(shù)據(jù) 區(qū) :所轉輸?shù)臄?shù)據(jù)信 息。 其它分 析 同上。 (4) 正 響 應 幀 幀頭 標 志 幀 類 型 空 校驗字 幀尾 標 志 空無 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 志 幀 類 型 空 校驗字 幀尾 標 志 其它分 析 同上。 (6) 放棄幀 幀頭 標 志 幀 類 型 錯誤碼 校驗字 幀尾 標 志 錯誤碼 : 00H 執(zhí) 行 PC命令 發(fā) 放棄幀回 應 被動退 出通 訊。 武漢紡織大學 2020 屆畢業(yè)設計 （ 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 信并報告 讀 命 令信號 退 出 等 待下一幀 重發(fā)命令幀 寫 命 令信號 分析此命令 開始執(zhí)行 分析此命令取 出數(shù)據(jù)信息 發(fā)數(shù)據(jù)幀 發(fā)正回應數(shù)據(jù)幀 退出通信并報告 退 出 等 待下幀命令 N Y Y N Y Y N N 01H PIC16F877A 單片機 方寫 入芯 片發(fā) 生錯誤主動 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)接受過程 將應用程 序 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)作為一 個數(shù)據(jù)流放 在發(fā) 送 緩沖區(qū) 中，通過通信協(xié)議進行分 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，交給應用程 序處 理，接收過程的 示 意 圖 如 圖 73。 單片機串口通信軟件設計流程圖 。 圖 73 接收過程的 示 意 圖