【正文】 準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、傳感器標(biāo)定等)；且它們的體積較大、使用不夠方便，更重要的是參數(shù)的設(shè)定需要有其它儀表的參與，外界設(shè)備多，成本高，因而越來越適應(yīng)不了社會的要求。如何將計(jì)算機(jī)與各種設(shè)施、設(shè)備結(jié)合，簡化人工操作并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，滿足社會的需求，成為一個(gè)很迫切的問題.溫度控制是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要組成部分，在保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源和安全生產(chǎn)等方面起著關(guān)鍵的作用。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)正是為了完成溫度數(shù)據(jù)的采集和控制而設(shè)計(jì)。這類傳感器是各種參量送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行智能監(jiān)測、控制的最前端。由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，使得人們可以利用?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量、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。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)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過對傳感器應(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，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。 發(fā)展前景近年來，利用智能化數(shù)字式溫度傳感器以實(shí)現(xiàn)溫度信息的在線檢測已成為溫度檢測技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。 設(shè)計(jì)思想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(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。文中傳感器理論單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用有機(jī)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(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過計(jì)算機(jī)實(shí)施溫度監(jiān)控。本設(shè)計(jì)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(dòng)電路六個(gè)部分。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)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 度 。3 模擬手動(dòng)操作 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)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(jìn)行控制。顯示系統(tǒng)：商用計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)總線：RS232C 接口（又稱 EIA RS232C）RS232 C 有 25 條線， ，分為 5 個(gè)功能組，包括 4 條數(shù)據(jù)線，11 條控制線，3 條定時(shí)線，7 條備用線和未定義線。 硬件介紹 計(jì)算機(jī)，及計(jì)算機(jī)工作的外圍電路設(shè)備 溫度傳感器溫度傳感器采用補(bǔ)償型 NTC 熱敏電阻其主要性能如下：1 補(bǔ)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 31 溫度傳感器結(jié)構(gòu)尺寸圖3 主要技術(shù)參數(shù)：時(shí)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 32 溫度傳感器功耗曲線圖 核心處理單元 MicroChip PIC16F877A 單片機(jī)MicroChip PCI16F877A 單片機(jī)主要性能：具有高性能 RISC CPU僅有 35 條單字指令。運(yùn)行速度：DC20M 時(shí)鐘輸入。8K*14 個(gè) 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(shí)器（WDT） ，它帶有片內(nèi)可靠運(yùn)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(jī)讀/寫訪問程序存儲器。高輸入/輸出電流 25mA。低功耗： 在 5v,4MHz 時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器，在使用外部晶體時(shí)鐘時(shí)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。 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。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(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)。: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。: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。其工作電路如下圖所示：圖 33 RS232C 接口電路 繼電器繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開關(guān)，廣泛用于遙控，遙測，通信，自動(dòng)控制，機(jī)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(dòng)溫度調(diào)節(jié)電路和 PCI16F877A 單片機(jī)中程序構(gòu)成溫度自動(dòng)監(jiān)測電路，實(shí)現(xiàn)對生物培養(yǎng)液溫度的監(jiān)測和自動(dòng)控制。其工作原理如圖 34圖 34 半導(dǎo)體降溫片工作原理圖半導(dǎo)體制冷片由許多 N 型和 P 型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸?，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。 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 35。圖 35 溫度控制系統(tǒng)的組成框圖培養(yǎng)皿的傳遞函數(shù)為 ，其中 τ1 為電阻),1/()(???sKesG??LT??加熱的時(shí)間常數(shù)， 為電阻加熱的純滯后時(shí)間， 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(jìn)行比較，即可得到實(shí)際溫度和給定溫度的偏差。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(jìn)行調(diào)節(jié)。必要時(shí)，計(jì)算機(jī)也可以通過軟件來強(qiáng)制改變培養(yǎng)皿中溫度。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(chǔ)上的速度。 Microchip PIC16F877A 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖圖 41 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)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 單片機(jī)控制流程圖 圖 42 單片機(jī)控制流程圖開始初始化 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NXFF0F0NX0降溫加熱工程量變換溫度非線性溫度轉(zhuǎn)換命令識別程序從串口接受數(shù)據(jù)YYY NNN發(fā)送數(shù)據(jù)到串口 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℃。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(jì)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(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(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。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。采用這種通信協(xié)議較雙方互為主控者時(shí)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(shí)，是一幀一幀地發(fā)送的。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。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(cuò)誤時(shí)，均會向?qū)Ψ桨l(fā)送重發(fā)此幀信號的請求。 通信協(xié)議說明 信號幀分類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。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。5 重發(fā)命令幀：當(dāng)PC讀/寫數(shù)據(jù)時(shí)，PIC16F877A所接收的信號幀(讀/寫命令幀) 有誤時(shí)向PC發(fā)出的請求重發(fā)信號。 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(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。器件地址(1Byte): PC所要訪問的外部器件的地址即是哪一個(gè)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(yàn)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(yàn)字 幀尾標(biāo)志其它分析同上。01H PIC16F877A 單片機(jī)方寫入芯片發(fā)生錯(cuò)誤主動(dòng)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。(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： API（Application Program Interface）用戶程序接口函數(shù)；；后者的主要特點(diǎn)是簡單易學(xué)，但前者的功能更為強(qiáng)大控制手段更為靈活。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方式。例如：（以C++ Builder編程語言為例下同）COMMTIMEOUTS cto。 = timeConstant。 //設(shè)置總超時(shí)系數(shù)SetCommTimeouts(m_hFile,amp。 //超時(shí)設(shè)置ReadFile (hComport,inBuffer,nWantRead,amp。//讀串口COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)用于設(shè)置超時(shí),指定讀寫函數(shù)的等待時(shí)間在ReadFile 函數(shù)中 hComport 為待讀串口句柄。nWantRead 為每次調(diào)用 ReadFile 時(shí),函數(shù)試圖讀出的字節(jié)數(shù)。最后一個(gè)參數(shù)值NULL 代表ReadFile將采用同步文件讀寫方式。OVERLAPPED lpOverlapped。int timeConstant, timeMutiplier。 //設(shè)置總超時(shí)常數(shù) = timeMutiplier。cto)。ReadFile (hComport,inBuffer,nWantRead,amp。lp Overlapped)。3. 兩種方式的比較異步方式利用多線程結(jié)構(gòu)來監(jiān)視通信設(shè)備，其最大優(yōu)點(diǎn)是程序?qū)邮諗?shù)據(jù)具有自主覺察能力。并且使用通信線程還不占用CPU時(shí)間，這樣系統(tǒng)實(shí)際上具有了同時(shí)控制多個(gè)通信設(shè)備（如MODEM）的能力。異步方式的優(yōu)點(diǎn)也恰是同步方式的缺點(diǎn)。但在某些場合下，該缺點(diǎn)可以通過一些措施盡可能地減小，而其簡單易用的優(yōu)點(diǎn)卻是很好地體現(xiàn)出來。此時(shí)確定串口讀取的時(shí)機(jī)，握手協(xié)議及軟件糾錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)是程序員應(yīng)考慮的主要問題，也是減小線程阻塞所帶來的負(fù)面影響的主要措施。2 有限時(shí)間內(nèi)，PC機(jī)命令可以執(zhí)行完畢并返回結(jié)果。3 每次所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)的長度是已知的，所轉(zhuǎn)輸?shù)臄?shù)據(jù)量是有限且比較