生物培养液微机温度控制系统课程设计任务书可编辑

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1、生物培养液微机温度控制系统_课程设计任务书 课程设计任务书题 目 生物培养液微机温度控制系统的设计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15 25范围内连续可控温度控制精度为 05通过LED 显示温度要求完成的主要任务 输入通道及输出通道设计温度传感器AD转换PWM输出控制和温度调节驱动电路键盘 温度设置 与LED温度显示接口设计采用改进PID控制算法系统软件流程及各程序模块设计完成符合要求的设计说明书2011年6月20日2011年6月30日指导教师签名 年 月 日系主任或责任教师签名 年 月 日目录1 设计要求42 总体设计方案及框图42 1 系统设计

2、方案论证42 2 系统结构框图43 硬件设计531单片机选择532温度传感模块833 AD转换模块1034键盘 温度设置 模块1235 LED显示模块1336加热控制电路设计1537降温控制电路设计16 38 报警电路174 软件设计18 41 采用改进PID控制算法18 42系统软件流程205 总结体会216 参考文献227 附件23 71 系统原理图2372程序24摘要随着社会的发展温度的测量及控制变得越来越重要温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数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系统本文详细地讲述了基于单片机AT89C51和温度传感器LM35的温度控制系统的

3、设计方案与软硬件实现方案系统采用数字温度传感器LM35采集温度电压信号经ADC0809AD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当温度低于设定值时单片机控制继电器启动加热器加热当温度高于设定值时单片机控制继电器启动半导体制冷器制冷从而实现了控制温度的目的关键字单片机温度控制传感器数码管生物培养液微机温度控制系统设计1设计要求 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15 25范围内连续可控温度控制精度为 05通过LED 显示温度2总体设计方案及框图 21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

4、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FPGACPLD或采用带有IP内核的FPGACPLD方式即用FPGACPLD完成采集存储显示及AD等功能由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能这种方案的优点在于系统结构紧凑可以实现复杂的测量与与控制操作方便缺点是调试过程复杂成本较高方案三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一二的缺点所以本课题任务是基于单片机和温度传感器实现对温度的控制 22 系统结构框图系统主要包括温度采集部分温度放大转换部分温度驱

5、动调节部分实时温度显示部分和报警部分以及温度设定的键盘输入部分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算法给以调节系统框图如图1所示图1 生物培养液微型计算机温度控制系统图2 单片机引脚图32温度传感模块 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 1 0C时输出为0V每升高 1C输出电压增加10mV 即 LM35 有多种不同封装型式外观如图 所示在常温下LM35 不需要额外的校准处理即可达到 14C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 所示正负双电源的供电模式可提供负温度的量测两种

6、接法的静默电流-温度关系如图 所示单电源模式在25C下静默电流约50A非常省电图2LM35封装及引脚排列图3单电源模式图4双电源模式由课程任务书可知温度在15 25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非反相放大器放大十倍其电路图如下图5所示33 AD转换模块由于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AD转换将其转化为单片机能识别的数字量本设计采用ADC0809AD转换器下面介绍ADC0809的特性 1主要特性18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100s4单个

7、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 2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 ADC0809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 IN0IN78路模拟量输入端2-12-88位数字量输出端ADDAADDBADDC3位地址输入线用于选通8路模拟输入中的一路ALE地址锁存允许信号输入高电平有效 START AD转换启动信号输入高电平有效 EOC AD转换结束信

8、号输出当AD转换结束时此端输出一个高电平转换期间一直为低电平 OE数据输出允许信号输入高电平有效当AD转换结束时此端输入一个高电平才能打开输出三态门输出数字量CLK时钟脉冲输入端要求时钟频率不高于640KHZ REFREF-基准电压 Vcc电源单一5V GND地 ADC0809的工作过程是首先输入3位地址并使ALE 1将地址存入地址锁存器中此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器START上升沿将逐次逼近寄存器复位下降沿启动 AD转换之后EOC输出信号变低指示转换正在进行直到AD转换完成EOC变为高电平指示AD转换结束结果数据已存入锁存器这个信号可用作中断申请当OE输入高电平 时输出三态门打开

9、转换结果的数字量输出到数据总线上 图6 ADC0809AD转换芯片引脚本系统中ADC0809的转化电路如下图7所示图7 ADC0809转换电路接线图34 键盘 温度设置 模块 键盘模块是本控制系统的人机交流模块部分主要为用户提供进行温度的设置功能该设置功能模块中包括了0到9的数字按键启动设置按键即设置按钮输入错误时的删除按键及删除键 由于按键较多为了节省IO口的资源本系统采用3X4矩阵式键盘方案由于变成扫描定式扫描的键盘工作方式过多的占用CPU时间本系统为了不过的占用CPU时间采用中断扫描方式其中断方式接法如图8所示其键盘接线连接图如下图9所示 图8 中断方式接法图 图9 键盘模块接线图35

10、LED显示模块由于任务书要求使用LED显示温度而且温度在15 25范围内连续可控温度控制精度为 05因此本系统采用了四位共阳极的七段数码管如图10所示为4位7段数码管的原理图由于所有的段选线并联到同一个 IO由这个 IO 口来控制因此若是所 有的 4 位 8 段 LED 都选通的话4 位 8 段 LED 将会显示相同的字符要使各个位 的 8 段 LED 显示不同的字符就必须采用动态扫描方法来轮流点亮每一位 8 段 LED即在每一瞬间只选通一位 8 段 LED 进行显示单独的字符在此段点亮时间内段选控制 IO 口输出要显示的相应字符的段选码而位选控制 IO 口则输出位选信号向要显示的位送出选通电

11、平共阴极则送出低电平共阳极则送出高电平使得该位显示相应字符这样将四位 8 段 LED 轮流去点亮使得每位分时显示该位应显示的字符由于人眼的视觉暂留时间为 01 秒当每位显示的间隔未超过 33ms 时并在显示时保持直到下一位显示则由于人眼的视觉暂留效果眼睛看上去就像是 4 位 8 段 LED 都在点亮设计时要注意每位显示的间隔时间由于一位 8 段 LED 的熄灭时间不能超过 100ms也就是说点亮其它位所用的时间不能超过 100ms这样当有 N 位的 8 段 LED 用来显示时每一位间隔的时间 t 就必须符合下面的式子 t100ms N-1 图10 LED的动态显示原理图本系统中N4则由式子可以

12、算出 t33ms就是每一位的间隔时间不能超过 33ms当然时间可以也设得短一些比如 5ms或1ms 也可以如下图11所示为该四位 8 段L数码管显示模块的管脚连接图从左到右-G依次接 P00-P06 DP 接 P07管脚1-4为数码管位选的输入依次接 P20-P23 管脚 图11 显示模块的管脚连接图 在进行显示编程时首先选定需要显示的位数然后向段选位送数据即可显示由于单片机可以直接驱动LED显示管因此不需外加驱动电路了36 加热控制电路设计在读取到从温度传感模块采集到的温度数值后与事先设定好的温度值进行比较若当前检测得的温度比设定的温度低则需要对培养液进行加热处理本系统利用高阻抗的电阻丝来对

13、培养液加热如下图12所示在检测到温度比设定的温度低时P25管脚输出高电平从而NPN管道通驱动继电器启动从而为高阻抗加热电阻丝通电加热生物培养液利用改进的PID算法来计算PWM脉宽得出控制输出从而达到根据检测到的温度而自动调节 图12 培养液电阻丝加热模块37 降温控制电路设计 半导体制冷片也叫热电制冷片它的优点是没有滑动部件应用在一些空间受到限制可靠性要求高无制冷剂污染的场合利用半导体材料的Peltier效应当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量可以实现制冷的目的它是一种产生负热阻的制冷技术其特点是无运动部件可靠性也比较高其工作原理如图13图13半导

14、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后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之后冷端的热量被移到热端导致冷端温度降低热端温度升高图14 培养液半导体制冷片降温模块38 报警电路 如果培养液里的温度过高或者是过低了超出了其允许的某个温度范围则系统会自动报警提醒用户可以让用户采取更为快速和有效地措施来避免或是减少损失报警电路图下图15所示当微机判断当前温度值超出范围时将P26管脚置低电平利用非门来驱动喇叭报警 图15 报警电路图4 软件设计 41 采用改进PID控制算法 采用典型的反馈式温度控制系统组成部分见下图15其中数字控制器的功能由单片机实现 图15 控制系统框图 已知培养皿的传递函数为 设其中1为电阻加热的时间常数为电阻加热的纯滞后时间为采样周期AD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 4-1