《生物培养液温度控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物培养液温度控制系统（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、武汉理工大学计算机控制技术课程设计说明书摘要计算机控制技术主要研究如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统，是自动化专业的主干专业课程。生物培养液微机温度控制系统的设计涉及到传感与检测技术、A/D转换技术、自动控制技术、单片机的编程和应用等知识。本文详细地介绍了基于单片机AT89C51和温度传感器LM35的温度控制系统的设计方案与软硬件实现方案。系 统采用数字温度传感器LM35采集温度信号装化为模拟信号电压信号，经过ADC0808A/D转换成单片机可识别的数字电压信号，数码管显示温度测量值与设定值。当温度低于设定值时，单片机控制继电器启动加热电阻丝加热，
2、当温度高于设定值时，单片机控制继电器启动风扇制冷，从而实现了控制温度的目的。关键字：单片机、A/D转换、温度控制传感器、LED生物培养液微机温度控制系统1设计要求1.1初始条件设计一个生物培养液微型计算机温度控制系统，系统为一阶惯性纯滞后特性，温度在1525范围内连续可控，温度控制精度为 0.5；通过LED 显示温度。1.2要求完成的主要任务1. 输入通道及输出通道设计（温度传感器，A/D转换，PWM输出控制和温度调节驱动电路）； 2. 键盘(温度设置)与LED（温度显示）接口设计； 3. 采用改进PID控制算法； 4. 系统软件流程及各程序模块设计； 5. 完成符合要求的设计说明书2总体设计
3、方案及框图2.1系统设计方案论证实现温度控制的方法主要有以下几种。方案一：采用纯硬件的闭环控制系统。该系统的优点在于速度较快，但可靠性比较差控制精度比较低、灵活性小、线路复杂、调试、安装都不方便。且要实现题目所有的要求难度较大。方案二：单片机与高精度温度传感器结合的方式。即用单片机完成人机界面，系统控制，信号分析处理，由前端温度传感器完成信号的采集与转换。这种方案克服了方案一的缺点，所以本设计方案是基于该方案。2.2系统结构框图该生物培养液微型计算机温度控制系统由以下几个部分组成：温度检测电路，信号放大电路，A/D转换电路，加热控制电路，降温电路，报警电路，键盘（温度设置）模块和LED（温度显
4、示）模块，单片机判断输入温度信号与设定的温度的差距，再通过改进的PID算法给以调节。放大器用来放大LM35的输出模拟信号， ADC0808是用来把采集到的模拟电压信号转换成单片机可以识别的数字信号。高阻抗加热丝和风扇（电机）是该温度控制系统的温度调节部分，当采集温度不符合要求时，则通过计算机判断后进行调节。风扇用来降温，高阻抗加热丝用来加温。显示部分则用来显示生物培养液的当前温度以及在设定时显示设置的温度值。温度检测电路采用温度传感器LM35来采集培养液的温度。通过以上的几个部分的组合，则组成了一个生物培养液微机温度控制系统。生物培养液微型计算机温度控制系统的结构图如下图2-1所示。温度显示电
5、路报警电路温度设置电路C51单片机风扇降温控制电路高阻抗加热丝升温控制电路A/D转换电路信号放大电路传感检测电路生物培养液 图2-1 生物培养液微机温度控制系统结构图3硬件设计3.1单片机选择单片机的选择在整个系统设计中至关重要，要满足大内存、高速率、通用性、价格便宜等要求，本课题选择AT89C51最为主控芯片。AT89C51是一种带4K字节FLASHC存储器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单
6、片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51芯片具有以下特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路AT89C51芯片管脚说明:V
7、CC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口
8、为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为
9、高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
10、ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但
11、在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET； /EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不
12、接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。AT89C51单片机引脚图如图3-1所示图3-1 AT89C51引脚图3.2温度检测电路温度检测电路包括温度传感器、由放大器和电阻组成的信号放大电路。选用的温度传感器型号为LM35，LM35是由National Semiconductor所生产的温度感测器，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式(3-1)，0C时输出为0V，每升高 1C，输出电压增加10mV。 即： Vout-LM35(T)=10mv/CTC （3-1）LM35 有多种不同封装型式，外观如图 2 所示
13、。在常温下，LM35 不需要额外的校准处理即可达到 1/4C的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其引脚如图 3所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测；两种接法的静默电流-温度关係如图 4所示，单电源模式在25C下静默电流约50A，非常省电。图3-2LM35封装及引脚排列图3-3单电源模式图3-4双电源模式由课程设计要求温度在1525范围内连续可控。因此，只需要单电源模式即可满足要求。又由于， LM35输出的电压太小，因此将输出用同相放大器放大十倍，参数设置根据公式Uo=Ui*（1+R2/R3） （3-2） 可以确定电阻的参数，其电路图如下图3-5所示。图3-5 温度传感模块
14、电路3.3A/D转换电路由于LM35温度传感器输出的是模拟量的温度电压值，单片机无法直接识别，因此需要对采集到的电压信号进行A/D转换，将其转化为单片机能识别的数字量。本设计采用ADC0808A/D转换器，下面介绍ADC0808的特性。3.3.1ADC0808主要特性(1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 (2）具有转换起停控制端。 (3）转换时间为100s(4）单个5V电源供电 (5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 (6）工作温度范围为-4085摄氏度 (7）低功耗，约15mW。 3.3.2ADC0808内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图1322所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型DA转换器、逐次逼近。 3外部特性（引脚功能） ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图1323所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。与ADC0809不同的是，ADC0808的out8为最低位o
