【正文】 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， CPU 停止工作。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě) “1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù) 編程 以前，該操作必須被執(zhí)行。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)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(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。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。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。另外，該引腳被略微拉高。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH地址上置 0。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。在FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 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(xiě)選通） /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)。當(dāng) P3口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平 ，并用作輸入。 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)。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 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。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 共 50 頁(yè) 為數(shù)據(jù) /地址的第八位 。 P0 口 ： P0口為一個(gè) 8位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 AT89C51芯片管腳說(shuō)明 : VCC：供電電壓。可編程串行通道 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 128 8位內(nèi)部 RAM 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 壽命： 1000寫(xiě) /擦循環(huán) 與 MCS51 兼容 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。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。 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)。通過(guò)以上的幾個(gè)部分的組合，則 組成了一個(gè)生物培養(yǎng)液微型計(jì)算機(jī)溫 度控制系統(tǒng)。顯示部分則用來(lái)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。高阻抗加熱絲和半導(dǎo)體制冷片是該溫度控制系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)部分，當(dāng)采集溫度不符合要求時(shí)，則通過(guò)計(jì)算機(jī)判斷后進(jìn)行調(diào)節(jié)。 放大器的則是用來(lái)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。這種方案克服了方 案一、二的缺點(diǎn)，所以本課題任務(wù)是基于單片機(jī)和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。 方案三：?jiǎn)纹瑱C(jī)與高精度溫度傳感器結(jié)合的方式。即用 FPGA/CPLD 完成采集，存儲(chǔ)，顯示及 A/D 等功能，由 IP 核實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及信號(hào)測(cè)量分析等功能。且要實(shí)現(xiàn)題目所有的要求難度較大。 方案論證 方案一：采用純硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。正常情況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。 控制要求 生物繁殖培養(yǎng)液的溫度要保證在適于細(xì)胞繁殖的溫度內(nèi)，這主要在控制程序設(shè)計(jì)中考慮。 溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。 因此，不僅必須掌握各類傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過(guò)對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來(lái)，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。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。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 共 50 頁(yè) 1 緒 論 背景 在現(xiàn)代化 的到來(lái) 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(lái)。 作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術(shù)得到了 顯著 的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。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。 傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能 。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)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(kāi)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)。 其發(fā) 展 速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。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 。模擬手動(dòng)操作 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)操作 ,并用 LED 顯示。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。 基于單片機(jī)生物培養(yǎng)液溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 50 頁(yè) 方案二： FPGA/CPLD 或采用帶有 IP內(nèi)核的 FPGA/CPLD 方式。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(guò)程復(fù)雜，成本較高。即用單片機(jī)完成人機(jī)界面，系統(tǒng)控制，信號(hào)分析處理，由前端溫度傳感器完成信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換。 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) 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 50 頁(yè) 定的溫度的差距，再通過(guò)改進(jìn)的 PID算法給以調(diào)節(jié)。 A/D 轉(zhuǎn)換器是用來(lái)把采集到的模擬電壓信號(hào)量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。半導(dǎo)體制冷片用來(lái)降溫，高阻抗加熱絲用來(lái)加溫。溫度采集裝置采用熱電阻 ,LM35 來(lái)采集培養(yǎng)液的溫度，來(lái)看以看是否達(dá)到要求。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(yè) 共 50 頁(yè) 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。 AT89C2051是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。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。 AT89C51芯片具有以下特性： 4K字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 32可編程 I/O線 5個(gè)中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 GND：接地。當(dāng) P0口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。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。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 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(xiě)“ 1”時(shí) ，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。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(xiě)時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口 ： P3口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，可接收輸出 4個(gè) TTL門電流。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。 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(yè) 共 50 頁(yè) RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)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)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。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(guò)一 個(gè) ALE脈沖。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC指令是 ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無(wú)效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。 /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。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 芯片擦除 ： 整個(gè) PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的 控制信號(hào) 組合，并保持 ALE管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。 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。但 RAM， 定時(shí)器 ，計(jì)數(shù)器， 串口 和 中斷系統(tǒng) 仍在工作。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 共 50 頁(yè) 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(kāi)始運(yùn)行。復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。 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(yè) 共 50 頁(yè) 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。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。目前對(duì)傳感器尚無(wú)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。 傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。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。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。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(lái)表示。在實(shí)際工作中，為使儀表具有均勻刻度的讀 數(shù)，常用一條擬合直線近似地代表實(shí)際的特性曲線、線性度（非線性誤差）就是這個(gè)近似程度的一個(gè)性能指標(biāo)。如 果