【正文】 器和信息通信和信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。 溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。 為了提高對 傳感器的認(rèn)識和了解，尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設(shè)計了本系統(tǒng)。 文中傳感器理論單片機實際應(yīng)用有機結(jié)合，詳細(xì)地講述了利用熱敏電阻作為熱敏傳感器探測環(huán)境溫度的過程，以及實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過程。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測，利用單片機實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過計算機實施溫度監(jiān)控。 本設(shè)計系統(tǒng)包括溫度傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ，輸出控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，溫度顯示模塊和溫度調(diào)節(jié)驅(qū)動電路六個部分。整個系統(tǒng)的核心是進行溫度監(jiān)控，完成了課題所有要求。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 。 （ 3）模擬手動操作 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動操作。 受控對象的數(shù)學(xué)模型 生物繁殖的培養(yǎng)液主要用于生物的繁殖研究，而溫度是影響生物繁殖的重要因素。本控制對象為生物繁殖用培養(yǎng)液，采用繼電器進行控制。 顯示系統(tǒng) ： 商用計算機。 系統(tǒng)總線 ： RS232C 接口（又稱 EIA RS232C） RS232 C 有 25 條線，分為 5 個功能組，包括 4條數(shù)據(jù)線， 11 條控制線， 3條定時線， 7 條備用線和未定義線。 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 42 頁 硬件介紹 計算機工作的外圍電路設(shè)備 （ 1）溫度傳感器 溫度傳感器采用補償型 NTC 熱敏電阻其主要性能如下： ①補償型 NTC 熱敏電阻 B值誤差范圍小 ，對于阻值誤差范圍在 5％的產(chǎn)品，其一致性、互換性良好。 ② 外型結(jié)構(gòu)和尺寸： 圖 溫度傳感器結(jié)構(gòu)尺寸圖 ③ 主要技術(shù)參數(shù)： 時間常數(shù) ≤30S 測量功率 ≤ 使用溫度范圍 55～ +125℃ 耗散系數(shù) ≥6mW/ ℃ 額定功率 ④ 降功耗曲線： 圖 功耗 曲線圖 （ 2）核心處理單元 MicroChip PIC16F877A 單片機 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 42 頁 MicroChip PCI16F877A 單片機主要性能： 具有高 性能 RISC CPU 僅有 35 條單字指令。 運行速度： DC20M 時鐘輸入。 8K*14 個 FLASH 程序存儲器。 引腳輸出和 PIC16C73B/74B/76/77 兼容。 8級深度的硬件堆棧。 上電復(fù)位（ POR）。 監(jiān)視定時器（ WDT），它帶有片內(nèi)可靠運行的 RC 振蕩器。 低功 耗睡眠方式。 低功耗，高速 CMOS FLASH/EEPROM 工藝。 在線串行編程 (ICSP)。 處理機讀 /寫訪問程序存儲器。 高輸入 /輸出電流 25mA。 低功耗： 在 5v,4MHz 時典型值小于 2mA。 典型的靜態(tài)電流值小于 1uA。 Timer 1 ：帶有預(yù)分頻的 16 位 定時器 /計數(shù)器，在使用外部晶體時鐘時在 SLEEP 期間仍能工作。 其中 ：捕捉器是 16位的，最大分辨率為 。 PWM 最大分辨率為是 10 位。 帶有 SPI（主模式）和 I2C（主 /從）模式的 SSP。 帶有 RD,WR 和 CS控制（只 40/44 引腳） 8 位字寬的并行從 端口。 （ 3） RS232C接口電路 計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同 的設(shè)備可以方便地連接起來進行通訊。它是在 1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、 調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn) 廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo) 準(zhǔn)。 ①接口的信號內(nèi)容 實際上 RS232C的 25條引線中有許多是很少使用的，在計算機通訊中一般只使用 39條引線。 ②接口的電氣特性 在 RS232C 中任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系?！?1”， 5~15V；邏 輯“ 0” +5~ +15V 。即 要求接收器能識別低至 +3V 的信號作為邏輯“ 0”，高到 3V 的信號 作為邏輯“ 1” 。所以采用 DB9的 9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 42 頁 圖 Max232結(jié)構(gòu)圖 （ 4）繼電器 繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)，廣泛用于遙控，遙測，通信，自動控制，機電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。在本系統(tǒng)中，繼電器控制的自動溫度調(diào)節(jié)電路和 PCI16F877A 單片機中程序構(gòu)成溫度自動監(jiān)測電路，實現(xiàn)對生物培養(yǎng)液溫度的監(jiān)測和自動控制 （ 5）半導(dǎo)體降溫片及電阻加熱絲 ① 半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點，采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來制冷，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，效率較高。它的外觀如圖 所示。 正視圖 側(cè)視圖 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 42 頁 3 溫度控制系統(tǒng)的組成框圖 采用典型的反饋式溫度控制系統(tǒng)，組成 部分見 圖 。 圖 培養(yǎng)皿的傳遞函數(shù)為 ),1/()( 1 ?? ? sKesG s ?? ? LT?? ，其中 τ 1為電阻加熱的時間常數(shù)， ? 為電阻加熱的純滯后時間， T? 為采樣周期。溫度傳感器輸出電壓經(jīng)過 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)字化后進行比較，即可得到實際溫度和給定溫度的偏差。 由 Micro Chip PIC16F877A 單片機構(gòu)成的 數(shù)字控制器進行比較運算，經(jīng)過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)電路對培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液溫度進行調(diào)節(jié)。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。 圖 檢測與變送 A/D 轉(zhuǎn)換 工程量變換 溫度非線性轉(zhuǎn)換 發(fā)送數(shù)據(jù)到串口 比較判斷算法 溫度預(yù)設(shè)值 溫度調(diào)節(jié) 電路 執(zhí)行器 從串口接受數(shù)據(jù) 命令識別控制程序 桂林電子工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 42 頁 單片機 控制流程圖 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℃。 AM為一次測量儀表的上限。 N0儀表下限對應(yīng)的數(shù)字量。 NX測量值對應(yīng)的數(shù)字量。 本設(shè)計應(yīng)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(lǐng)域里應(yīng)用較廣泛 RS232C串行通信方式。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。 由于 RS232C是早期為促進公用電話網(wǎng)絡(luò)進行數(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。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(zhuǎn) 換。 圖 電平轉(zhuǎn)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(shè)計 在進行數(shù)據(jù)通信的軟件設(shè) 計時， 必須 解決好兩 個 方面的問題：一是可 靠性， 二是 速度。 可 靠快速 轉(zhuǎn)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。采用這種通信協(xié)議較 雙 方 互 為 主 控者時簡單。即在 向 RS232串 口 發(fā)送 命令 信號，應(yīng) 答信號及數(shù)據(jù)信號時，是一 幀 一 幀 地發(fā)送的。 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(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 序報告 此 命令 的 執(zhí) 行 情況。 (3) 如 果 在轉(zhuǎn)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。 通信協(xié)議說明 幀 分類 (1) 讀 命令幀：當(dāng) PC讀數(shù)據(jù)時， PC向 PIC16F877A發(fā)送的 命令 信號。 (3) 數(shù)據(jù) 幀：當(dāng) PC讀數(shù)據(jù)時， PIC16F877A向 PC發(fā)送的 內(nèi)含 數(shù)據(jù)信 息 的信號。 (5) 重 發(fā) 命令幀：當(dāng) 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。 幀格 式 (1) 讀 命令幀格 式 幀頭 標(biāo) 志 幀 類 型 器件地 址 起 始 地 址 長度 校驗 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。 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。 長度 (1Byte): 一 次命令 所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù) 長度。 幀尾 標(biāo) 志 (1Byte): 此 幀 信號的 結(jié)束 標(biāo) 志。 其它分 析 同上。 數(shù)據(jù) 區(qū) :所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)信 息。 (4) 正 響 應(yīng) 幀 幀頭 標(biāo) 志 幀 類 型 空 校驗字 幀尾 標(biāo) 志 空無 意 義 :為了 PIC16F877A編 程的方 便 而 加入。 (5) 重 發(fā) 幀 幀頭 標(biāo) 志 幀 類 型 空 校驗字 幀尾 標(biāo) 志 其它分 析 同上。 01H PIC16F877A 單片機 方寫 入芯 片發(fā) 生錯誤主動 通 知 PC退 出通 訊。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，發(fā)送過程的 示 意 如圖 ， 接收過程的 示 意 圖 如 圖 。 (2) DOS環(huán)境下的 高級編 程 語 言 ,如 : C語 言 等。 而在這 3種 方式中 Windows環(huán)境下的串 口編 程以其設(shè) 備無關(guān)性， 可 移植性 以及 界 面友好 等 特 征 而得到廣泛應(yīng)用。 開發(fā) Windows環(huán)境下的串 口 通信程 序主要 有以下 2種 方 法： (1) 利 用 Windows API（ Application Program Interface） 用 戶 程 序 接 口 函數(shù)； (2) 利 用 ActiveX控件； 后 者的 主要 特點是簡單 易學(xué)， 但前者的功能更為 強 大控制手 段 更為 靈活。在軟件