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1、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 当的接口电路调整才能满足信号
2、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
3、控系统。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。1 设计要
4、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1525,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。温度丫2）3）4）微机自动调节模拟手动操作微机监控功能图 1.1.1 温度控制曲线 正常情况下,系统投入自动。 当系统发生异常,投入手动操作。 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。本控制对象为生物繁 殖用培养液,采用继电器进行控
5、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。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
6、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W30S测量功率WO.lmW使用温度范围-55+125C 耗散系数6mW/C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FLAS
7、H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1 4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
8、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luA。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。Timer2 ：带有8位周期寄存器，预分频和后分频器的8位定时器/计数器2 个捕捉器，比较器和 PWM 模块。其中 ：捕捉器是 16位的，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
9、 （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，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197
10、0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“
11、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
12、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。TOP VIEW1卫Vqcv+2应GNDC1-3H T10UT02+MAX22013 RIinC2-MAX232A12 Hl outV-11 T1|N12DUT10 T2|NR2ld9 R2qutDIP/SOTT L/C MOS INPUTSDEVICE01C2C3C51W(22fl4.74.710104.7MAX2S21.01.01.0in1.0CAPAC5TWACE uF)MAX2m 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1IILCMOS 丿ourpurs C5JIf16JI+ClhnV+2+5V IN
13、PUTC1 WLTAGE DOUBLERC2+10V TO -1CWC2- VOLIAGEIMERTER6 -1QVH,R2-232 0U7PU1SGND T12曲ok4JoR2qutR1|n亍 R2IU5 5k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
14、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：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。正视图2）本控制系统是对生物培养液进行温度侧监
15、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。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。I I图 3.1 温度控制系统的组成框图培养皿的传递函数为Gt(s) = Ke-心1( s +1), 0二LT，其中 j为电阻加热的时间常 11数， 0为电阻加热的纯滞后时间， 0T 为采样周期。A/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G (s)二Ke -0s/(t +1) x (1 -e -Ts)/s(3-1-1)11 s广义对象的 Z
