1、 第 1 页 共 43 页引言随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整
2、才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一温度监控
3、系统。文中传感器理论单片机实际应用有机结合，详细地讲述了利用热敏电阻作为热敏传感器探测环境温度的过程，以及实现热电转换的原理过程。本设计应用性比较强，设计系统可以作为生物培养液温度监控系统，如果稍微改装可以做热水器温度调节系统、实验室温度监控系统等等。课题主要任务是完成环境温度检测，利用单片机实现温度调节并通过计算机实施温度监控。设计后的系统具有操作方便，控制灵活等优点。本设计系统包括温度传感器，A/D 转换模块，输出控制模块，数据传输模块，温度显示模块和温度调节驱动电路六个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控，完成了课题所有要求。第 2 页 共 43
4、页第 3 页 共 43 页1 设计要求1.1 控制要求（1）生物繁殖培养液的温度要保证在适于细胞繁殖的温度内，这主要在控制程序设计中考虑。温度控制范围为 15 25，升温、降温阶段的温度控制精度要求为 0.5 度，保温阶段温度控制精度为 0.5 度 。图 1.1.1 温度控制曲线（2）微机自动调节 正常情况下，系统投入自动。（3）模拟手动操作 当系统发生异常，投入手动操作。（4）微机监控功能 显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出。1.2 受控对象的数学模型生物繁殖的培养液主要用于生物的繁殖研究，而温度是影响生物繁殖的重要因素。本系统要求长时间监视培养液的温度，并对当前的温度进行控制。本
5、控制对象为生物繁殖用培养液，采用继电器进行控制。2 系统的硬件配置2.1 单片机和系统总线单片机：PIC16F877A（PIC16F877A 为美国 MICORCHIP 公司生产的带 A/D 转换的 8 位单片机） 。显示系统：商用计算机。用户内存：256M RAM。系统总线：RS-232-C 接口（又称 EIA RS-232-C）RS232 C 有 25 条线， ，分为 5 个功能组，包括 4 条数据线，11 条控制线，3 条定时线，7 条备用线和未定义线。操作系统：Windows 2000。第 4 页 共 43 页2.2 硬件介绍 计算机工作的外围电路设备（1）温度传感器温度传感器采用补偿
6、型 NTC 热敏电阻其主要性能如下：补偿型 NTC 热敏电阻 B 值误差范围小，对于阻值误差范围在 5的产品，其一致性、互换性良好。适合于一般精度的温度测量和计量设备。外型结构和尺寸：图 2.2.1 温度传感器结构尺寸图主要技术参数：时间常数30S 测量功率0.1mW使用温度范围-55+125耗散系数6mW/额定功率 0.5W 降功耗曲线：图 2.2.2 温度传感器功耗曲线图（2）核心处理单元 MicroChip PIC16F877A 单片机第 5 页 共 43 页MicroChip PCI16F877A 单片机主要性能：具有高性能 RISC CPU仅有 35 条单字指令。除程序指令为两个周期
7、外，其余的均为单周期指令。运行速度：DC-20M 时钟输入。DC-200ns 指令周期。8K*14 个 FLASH 程序存储器。368*8 个数据存储器（RAM）字节。引脚输出和 PIC16C73B/74B/76/77 兼容。中断能力（达到 14 个中断源） 。8 级深度的硬件堆栈。直接，间接和相对寻址方式。上电复位（POR） 。上电定时器(PWRT)和震动启动定时器。监视定时器（WDT） ，它带有片内可靠运行的 RC 振荡器。可编程的代码保护。低功耗睡眠方式。可选择的振荡器。低功耗，高速 CMOS FLASH/EEPROM 工艺。全静态设计。在线串行编程(ICSP)。单独 5v 的内部电路串
8、行编程(ICSP)能力。处理机读/写访问程序存储器。运行电压范围 2.0v 到 5v。高输入/输出电流 25mA。商用，工业用温度范围。低功耗：在 5v,4MHz 时典型值小于 2mA。在 3v,32KHz 时典型值小于 20uA。典型的静态电流值小于 1uA。外围特征：Timer 0 ：带有预分频的 8 位定时器/计数器。Timer 1 ：带有预分频的 16 位定时器/计数器，在使用外部晶体时钟时在SLEEP 期间仍能工作。Timer 2 ：带有 8 位周期寄存器，预分频和后分频器的 8 位定时器/计数第 6 页 共 43 页器2 个捕捉器，比较器和 PWM 模块。其中 ：捕捉器是 16 位
9、的，最大分辨率为 12.5nS。比较器是 16 位的，最大分辨率为 200nS。PWM 最大分辨率为是 10 位。10 位多通道模/数转换器。带有 SPI（主模式）和 I2C（主/从）模式的 SSP。带有 9 位地址探测的通用同步异步接收/发送（USART/RCI） 。带有 RD,WR 和 CS 控制（只 40/44 引脚）8 位字宽的并行从端口。带有降压的复位检测电路。（3）RS-232-C 接口电路计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，
10、要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C 接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。接口的信号内容 实际上 RS-232-C 的 25 条引线中有许多是很少使用的，在计算机通
11、讯中一般只使用 3-9 条引线。RS-232-C 最常用的 9 条引线的信号。接口的电气特性 在 RS-232-C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑。 “1”，-5 -15V；逻辑 “0” +5 +15V 。噪声容限为 2V。即 要求接收器能识别低至+3V 的信号作为逻辑“0” ，高到-3V 的信号 作为逻辑“1” 。 接口的物理结构 RS-232-C 接口连接器一般使用型号为 DB-25 的 25 芯插头座,通常插头在 DCE 端,插座在 DTE 端. 一些设备与 PC 机连接的 RS-232-C 接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据” 、 “接收数
12、据”和“信号地” 。所以采用 DB-9 的 9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。传输电缆长度 由 RS-232C 标准规定在码元畸变小于 4%的情况下，传输电缆长度应为 50 英尺，其实这个 4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有 99%的用户是按码元畸变 1020%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过 50 英尺。第 7 页 共 43 页图 2.3.1 Max232 结构图（4）继电器继电器是具有隔离功能的自动开关，广泛用于遥控，遥测，通信，自动控制，机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。继电器是在自动控制电路中起控制与隔离作用的执行部件，它实际上是一种可以用低电
13、压、小电流来控制大电流、高电压的自动开关。在本系统中，继电器控制的自动温度调节电路和 PCI16F877A 单片机中程序构成温度自动监测电路，实现对生物培养液温度的监测和自动控制（5）半导体降温片及电阻加热丝半导体制冷器是根据热电效应技术的特点，采用特殊半导体材料热电堆来制冷，能够将电能直接转换为热能，效率较高。其工作原理如图 2.5.1：第 8 页 共 43 页图 2.5.1 半导体降温片工作原理图半导体制冷片由许多 N 型和 P 型半导体之颗粒互相排列而成，而 N P 之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导
14、热良好，通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高。它的外观如图 2.5.2 所示。2）本控制系统是对生物培养液进行温度监控，故太快的温度变化对生物繁殖显图 2.5.2 半导体降温片外观图本控制系统是对生物培养液进行温度监控，过快的温度变化对生物繁殖显然是不利的，因此在本系统中采用的是高阻抗小功率加热电阻丝进行温度的小范围调节。正视图侧视图第 9 页 共 43 页3 温度控制系统的组成框图采用典型的反馈式温度控制系统，组成部分见图 3.1。其中数字控制器的功能由单片机实现。图 3.1 温度控制系统的组成框图培养皿的传递函数为 ，其中 1为电阻加热的时间常),1/()(s
15、KesGLT数， 为电阻加热的纯滞后时间， 为采样周期。TA/D 转换器可划归为零阶保持器内，所以广义对象的传递函数为（3-1-/)1()/()(11 sesKesG1）广义对象的 Z 传递函数为 （3-1-)/1)(/)1()/)( 111 zeTKzsesez TLT 2） 所以系统的闭环 Z 传递函数为(3-1-3)/()()/(/)() /1TTLsTs ezez 系统的数字控制器为 )(G/)(DE/)(U1zzz= （3-1-LTTeTTT zezKee 1/1/1/1/ )()4） 写成差分方程即为 )1()1()( / LkuekuekTT（3-1-)1(/)(/1 1/1/
16、TTeKke第 10 页 共 43 页5） 令 )1(/)1(1/0 TTeKea/,1b,/2Te得 （3-1-6）)1()()1()( 20 Lkubkaku 式中 第 次采样时的偏差；e第 次采样时的偏差；1第 次采样时的偏差；)(kk第 11 页 共 43 页4 温度控制系统结构图及总述图 4.1 温度控制系统结构图图 4.1 中温度传感器和 Micro Chip PIC16F877A 单片机中的 A/D 转换器构成输入通道，用于采集培养皿内的温度信号。温度传感器输出电压经过 A/D 转换后的数字量与培养皿内的温度给定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。培养皿内的温度
17、设定值由 Micro Chip PIC16F877A 单片机中程序设定。由 Micro Chip PIC16F877A 单片机构成的数字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。同时通过电平转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正常情况下温度控制由 Micro Chip PIC16F877A 单片机自动控制。必要时，计算机也可以通过软件来强制改变培养皿中温度。PIC16f877A单片机加热控制电路高阻抗加热丝降温控制电路半导体降温片温度传感器培养皿TTL电平到EIA电平转换电路商用计算机
18、显示终端第 12 页 共 43 页5 温度控制系统软件设计5.1 Microchip PIC16F877A 单片机温度控制系统软件结构图如图 5.1.1 所示。图 5.1.1 单片机温度控制系统软件结构图检测与变送A/D 转换工程量变换温度非线性转换发送数据到串口比较判断算法温度预设值 温度调节 电路执行器从串口接受数据命令识别控制程序第 13 页 共 43 页5.2 单片机控制流程图图 5.2.1 单片机控制流程图5.3 温度变换程序模块温度传感器在 12到 60输出 2.52V1.02V，温度起点为 12，满量程为 48。Micro Chip PIC16F877A 单片机内嵌的 10 位
19、A/D 转换器对应输出的数字量为开始初始化 PIC16F877A 单片机端口地址读入预设温度值启动 A/D 转换A/D 转换结果送入 NX 单元NX-FF0F0-NX0降温加热工程量变换温度非线性温度转换发送数据到串口命令识别程序从串口接受数据YYY NNN第 14 页 共 43 页0000000000B1111111111B（05V） ，应用以下变换公式进行变换：AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0)式中，A 0为一次测量仪表的下限。AM为一次测量仪表的上限。AX实际测量值。N0仪表下限对应的数字量。NM仪表上限对应的数字量。NX测量值对应的数字量。5.4 温度非线性转换程
20、序模块采用折线拟合法进行线性化处理如图 5.4.1 所示，分为以下几段：当 1.73VAx 0.54故当所传输的一帧数据为10 位时，所允许的最大的波特率允许误差为5 %对于其它常用的8位，9位，11位，一帧的串行传输，其最大的波特率允许误差分别为6.25%，5.56%，和4.5%。减小波特率误差的措施我们知道使用离散度小的晶振是减小波特率误差的关键。如果，晶振的离散度已超过所允许的范围，此时不宜用其标称值，可以采用测量其波特率的方法来得出实际的晶振波特率值。（2）单片机软件的实现设置通信方式和波特率的值例MOV SCON,#50H 初始化串口设为方式1MOV TMOD,#20H 利用定时器1
21、为波特率发生器并设为模式2MOV PCON,#XXH 设置SMOD值MOV TH1,#XXH 设置定时器初始值SETB TR1 启动定时器1等待接收PC机发来的信号帧并按通信协议作出相应响应。6.5 通信协议设计结论6.5.1通信可靠性分析通信的可靠性主要体现在所使用通信协议的可靠性上，本通信协议的可靠性主要有两点理论基础：第 28 页 共 43 页(1)通过判断帧头起始字符来决定一帧的开始，这样就避免了部分数据进入到内部数据处理之中。这个可能性在1/256， 通过停止位的判断可将这个可能性再降低1/256。 另外通过帧类型字节的判断可使之进一步降低。(2)校验字将整帧信号进行异或校验则使误收
22、的可能很小。如果将此异或校验改为CRC校验则出错的可能性更是微乎其微了。本通信所用协议具有纠错功能，这体现在当PC 发送或接收数据时，当所接收的应答信号出现失误时，将重新发送或接收此帧数据，直至接收到了正确的应答，具体在程序中最多允许连续出错三次，超过后则放弃通信。在实际应用中，应用本通信时传输距离只有几米以内而且环境干扰比较小，从而从外部因素上进一步保证了通信的可靠性。6.5.2通信速度分析如果在不考虑错误发生的情况下，PC 机每发送一帧数据时需要附加12 个字节，其中8 个字节用于发送4 个字节用于应答PC 机。每接收一帧数据时，需要附加13 个字节其中5 个字节用于接收8 个字节用于应答
23、。如：按每帧传送32个字节计算的话，其发送和接收的效率为为忽略PC和PIC16F877A单片机的处理时间计算。发送数据速率、接收数据速率计算公式如下：发送数据速率：9600*32/44=6981bit/s接收数据速率：9600*32/45=6826bit/s这是理论上的速率，实际中还应包含PC和PIC16F877A单片机的处理信号帧，等待信号帧的时间。在本通信协议中，不会出现某信号帧已到达但PC或PIC16F877A单片机还未开始准备接收的现象。在实际应用中，因具体应用环境不同PC和PIC16F877A单片机处理信号帧的时间会有不同，所以具体速率值依具体应用而变化。第 29 页 共 43 页7
24、 Protel99 设计原理图（1）使用 Protel 进行电路板设计的第一步便是设计原理图，原理图决定了整个电路的基本功能，也是接下来生成网络表和设计印刷电路板的基础。 在 Protel 99 的初始界面下新建一个设计库，该数据库用来管理项目。 File-New-改文件名改保存路径OK 进入设计库文件中的文件夹 Document。 在 Document 文件夹中新建原理图文件和印制板文件。File-New-Schematic Document-Ok-改文件名File-New-PCB Document-Ok-改文件名 打开原理图文件。 添加原理图文件库。Design-Add/Remove Li
25、brary- 浏览所需零件库Add-Ok 放置电路所需的各种元件，图件，网络标号等元器件。Design-Add/Remove Library- 浏览所需零件库Add-Ok从零件库中调出元件 Place-part 对原图元件进行布局，布线，构成一个完整的原理图。Place-part 编辑和调整。然后进行输出存档。右键Properies.Designation-Part-Footrint Save 打印或建立报表。图 7.1.1 protel 设计的流程图新建原理图New-SCH添加元件库Add/Remove Library 调出元件Find-PlaceCompent元件布局 连线 设置元件属性存
26、盘 Save打印输出报表 Print,Rcport建立网络报表 Create Netlist第 30 页 共 43 页（2）用 PCB 系统设计 PCB 板分以下 7 个步骤： 有关参数的设置。这一步主要设定自动布参数、自动布线参数、板面参数等。 PCB 板尺寸设计。在禁止布线层上，沿设计的 PCB 边画边框线，即指定自动布局的范围。这一步为自动布局打基础。同时，在上层板面（即元器件面）沿禁止布线层的边框图线放置铜线，这是 PCB 板最后成型所必须的。 布局就是根据原理图上元器件之间的连接关系，并考虑电磁兼容性以及元器件的安装空间和散热等，总是将元器件放置在 PCB 电路板上适当的位置。布局的
27、好坏直接影响 PCB 板的电气性能和布局的功能，是 PCB 板设计过程中最费时、最繁琐的。布局工作需要耐心、细致。尽管系统提供了自动布局的功能，但是一般而言都需要手工调整。手工布局，首先载入 SCH 生成的网络表，通过手工移动元器件 PCB 板上的排列位置实现布局。移动元器件是最好打开网络连接显示，这样就能观察到相邻元器件连线的疏 密。自动布局，PCB 系统环境提供自动布局功能完成元器件放置，但在细节处最好使用手工调整。布局时要求相互间连线多的元器件应该就近放置；相互间可能造成干扰的元器件应远离：功率器件应考虑散热空间。 自动布线。布线就是在元器件引脚之间放置覆铜连线的过程，这一过程可以通过手
28、工完成，也可以自动进行。但是 Protel99 的 PCB 系统提供了强大的自动布线功能，建议使用该功能自动布线。在进行自动布线之前，设计人员必须先设计好布线参数，定义布线规则。如果不适当，可能会导致自动布线失败，即布线的成功率不高，所以这一 步要特别注意 启动设计规则检查 DRC，这一步利用 PCB 提供的 DRC 功能对完成布线的 PCB 板进行检查，这一步由软件自动完成。检查的结果输出在报告文件*.rep 中，PCB 软件将出错处在 PCB 图上显示出来，为检查、修改提供方便。 板面字符调整。为了使设计的 PCB 板美观，并且安装焊接元器件方便，应将元器件的名称。设计值的字符参数移至元器件框外。大小合适且字符不想重叠。 将经过 DRC 检查无误，且版面字符调整好的 PCB 设计图存盘、输出、制版。 印刷板电路设计完成以后，整个电路板的设计项目就基本完成。存档以便进行后期的修改及完善。
