【正文】 6 串行電路圖 原理圖 第 29 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 15 原理圖 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè) 共 52 頁(yè) 3 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的操作過程和工作過程在程序的設(shè)計(jì)過程中起著很重要的指導(dǎo)作用，因此在軟件設(shè)計(jì)之前應(yīng)首先分析溫度控制系統(tǒng)的工作流程。所以采用DB9的 9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。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” 。“ 1”， 5~15V；邏輯“ 0” +5~ +15V 。 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。 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。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)。 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進(jìn)行通訊。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。 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)。 從左到右，Ａ G依次接 , DP 接 管腳。當(dāng)然時(shí)間可以也設(shè)得短一些，比如 5ms或 1ms 也可以。由于人眼的視覺暫留時(shí)間為 秒，當(dāng)每位顯示的間隔未超過 33ms 時(shí)，并在顯示時(shí)保持直到下一位顯示，則由于人眼的視覺暫留效果眼睛看上去就像是 4 位 8 段 LED 都在點(diǎn)亮。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。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。因此，本系統(tǒng)采用了四位共陽(yáng)極的ＬＥＤ七段數(shù)碼管。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。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。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)。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)。若行線中有低電平，則表明有鍵被按下。 矩陣式鍵盤的工作過程。其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用單片微機(jī)的工作時(shí)間。 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。矩陣鍵盤按鍵的識(shí)別方法：識(shí)別鍵盤有無鍵被按下，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，則說明有鍵被按下。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。任何一個(gè)按鍵按下時(shí)，通過門電 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。 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。 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。一個(gè)電壓信號(hào)通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程，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。 鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。 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。報(bào)警電路圖下圖 11 所示。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。其優(yōu)點(diǎn)是 無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高，且無污染。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。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)體之顆粒互相排列而成，而 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，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。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。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。其優(yōu)點(diǎn)是 是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高 ，且無污染。 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。利用改進(jìn)的 PID 算法來計(jì)算 PWM 脈寬得出控制輸出。本系統(tǒng)利用高阻抗的電阻絲來對(duì)培養(yǎng)液加熱。電路正常工作時(shí)，過電流繼電器不 會(huì) 動(dòng)作，當(dāng)電路電流超過某一整定值時(shí)，過電流繼電器吸合，對(duì)電路起過電流保護(hù)。常用的電流繼電器有欠電流和過電流繼電器兩種。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)。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)。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。電磁 式繼電器主要包括電壓式繼電器、電流式繼電器。 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?？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。控制繼電器種類繁多。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)。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器。根據(jù)需要還可將模擬量變換為數(shù)字量。 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。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。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。本系統(tǒng)中 ADC0809 的轉(zhuǎn)化電路如下圖 6所示。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。 GND：地。 REF（ +）、 REF（ ）：基準(zhǔn)電壓。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 START： A／ D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入，高電平有效。 21～ 28： 8 位數(shù)字量輸出端。 地址鎖存與譯碼電路完成對(duì) A、 B、 C 3個(gè)地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，表 1為通道選擇表 。 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。其引腳如圖 5所示： IN 0D0D1IN 1D2D3IN 2D4D5IN 3D6D7IN 4E O CIN 5A D D AIN 6A D D BA D D CIN 7A L Ere f( )OES T A R Tre f( + )C L O C KGNDV c cA D C 0 8 0 9 圖 5 ADC0809 引腳圖 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，共用一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。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。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。因此，本系統(tǒng)選用 ADC0809 作為 ADC，來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。 ADC 的種類很多，性能各不相同，在實(shí)際工作中，選擇 ADC 需考慮的指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、精度、電源、輸入電源范圍、工作環(huán)境、數(shù)字輸出特性、價(jià)格等。 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，只需要單電源模式即可滿足要求。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 177。 ℃ TA=?10℃ 177。 177。 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。 封裝形式與型號(hào)關(guān)系 ： TO46 金屬罐形封裝 LM35H,LM35AH,LM35CH,LM35CAH,LM35DH TO220 塑料封裝 LM35DT TO92 封裝 LM35CZ,LM35CAZ LM35DZ SO8 IC 式封裝 LM35DM 規(guī)格參數(shù) ： 工作電壓：直流 4～ 30V； 工作電流：小于 133μA 輸出電壓： +6V～ 輸出阻抗 ： 1mA 負(fù)載時(shí) ； 第 11 頁(yè) 共 52 頁(yè) 精度： ℃ 精度（在 +25℃ 時(shí)）； 漏泄電流：小于 60μA； 比例因數(shù)：線性 +℃ ； 非線性值： 177。 目前，已有兩種型號(hào)的 LM35 可以提供使用。 圖 3 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖 4 單雙電源引腳圖 工作電壓 4～ 30V，在上述電壓范圍以內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不變的（約 50μA），所以芯片自身幾乎沒有散熱的問題。1/4℃ 的準(zhǔn)確率。C （ 1） LM35 有多種不同封裝型式 ，外觀如圖 3 所示 。 即： VoutLM35(T)=10mv/176。 每升高 1176。 LM35 是一種得到廣泛使用的溫度傳感器。擬合直線的選取有多種方法。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。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。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。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。 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。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。 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。本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式。 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。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器， 禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。在閑置模式下，