溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言 隨著 “ 信息時(shí)代 ” 的到來(lái)，作為獲取信息的手段 傳感器技術(shù)得到了 顯著 的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。 由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)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。 傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能 。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(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過(guò)對(duì)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(lái)，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開(kāi)發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。 溫度傳感器是其中重要的一類傳感器。 其發(fā) 展 速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。 為了提高對(duì) 傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)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)。 本文利用單片機(jī)結(jié)合 傳感器 技術(shù)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了這一 溫度監(jiān)控系統(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(cè)環(huán)境溫度的過(guò)程，以及實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的原理過(guò)程。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以作為生物培養(yǎng)液溫度監(jiān)控系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做熱水器溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務(wù)是完成環(huán)境溫度檢測(cè)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施溫度監(jiān)控。設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)具有操 作方便，控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。 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。文中對(duì) 每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。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。 1 設(shè)計(jì)要求 1.1 控制要求 （ 1）生物繁殖培養(yǎng)液的溫度要保證在適于細(xì)胞繁殖的溫度內(nèi)，這主要在控制程序設(shè)計(jì)中考慮。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 0.5度，保溫階段溫度控制精度為 0.5度 。 圖 1.1.1溫度控制曲線 （ 2）微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié) 正常情況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。 （ 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。 （ 4）微機(jī)監(jiān)控功能 顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出。 1.2 受控對(duì)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。本系統(tǒng)要求長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視培養(yǎng)液的溫度，并對(duì)當(dāng)前的溫度進(jìn)行控制。本控制對(duì)象為生物繁殖用培養(yǎng)液，采用繼電器進(jìn)行控制。 2 系統(tǒng)的硬件配置 2.1 單片機(jī)和系統(tǒng)總線 單片機(jī) ： PIC16F877A（ PIC16F877A 為美國(guó) MICORCHIP 公司生產(chǎn)的帶 A/D 轉(zhuǎn)換的 8 位單片機(jī)）。 顯示系統(tǒng) ： 商用計(jì)算機(jī)。 用戶內(nèi)存 ： 256M RAM。 系統(tǒng)總線 ： RS-232-C 接口（又稱 EIA RS-232-C） 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。 操作系統(tǒng) ： Windows 2000。 2.2 硬件介紹 計(jì)算機(jī)工作的外圍電路設(shè)備 （ 1）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： 補(bǔ)償型 NTC熱敏電阻 B值誤差范圍小 ，對(duì)于阻值誤差范圍在 5的產(chǎn)品，其一致性、互換性良好。 適合 于一般精度的溫度測(cè)量和計(jì)量設(shè)備 。 外型結(jié)構(gòu)和尺寸： 圖 2.2.1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)尺寸圖 主要技術(shù)參數(shù)： 時(shí)間常數(shù) 30S 測(cè)量功率 0.1mW 使用溫度范圍 -55 +125 耗散系數(shù) 6mW/ 額定功率 0.5W 降功耗曲線： 圖 2.2.2溫度傳感器 功耗 曲線圖 （ 2）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。 除程序指令為兩個(gè)周期外，其余的均為單周期指令。 運(yùn)行速度： DC-20M 時(shí)鐘輸入。 DC-200ns指令周期。 8K*14個(gè) FLASH程序存儲(chǔ)器。 368*8個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）字節(jié)。 引腳輸出和 PIC16C73B/74B/76/77 兼容。 中斷能力（達(dá)到 14 個(gè)中斷源）。 8級(jí)深度的硬件堆棧。 直接，間接和相對(duì)尋址方式。 上電復(fù)位（ POR）。 上電定時(shí)器 (PWRT)和震動(dòng)啟動(dòng)定時(shí)器。 監(jiān)視定時(shí)器（ WDT），它帶有片內(nèi)可靠運(yùn)行的 RC振蕩器。 可編程的代碼保護(hù)。 低功 耗睡眠方式。 可選擇的振蕩器。 低功耗，高速 CMOS FLASH/EEPROM 工藝。 全靜態(tài)設(shè)計(jì)。 在線串行編程 (ICSP)。 單獨(dú) 5v的內(nèi)部電路串行編程 (ICSP)能力。 處理機(jī)讀 /寫(xiě)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器。 運(yùn)行電壓范圍 2.0v 到 5v。 高輸入 /輸出電流 25mA。 商用，工業(yè)用溫度范圍。 低功耗： 在 5v,4MHz 時(shí)典型值小于 2mA。 在 3v,32KHz 時(shí)典型值小于 20uA。 典型的靜態(tài)電流值小于 1uA。 外圍特征： Timer 0 ：帶有預(yù)分頻的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 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。 Timer 2 ：帶有 8位周期寄存器，預(yù)分頻和后分頻器的 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2個(gè)捕捉器，比較器和 PWM模塊。 其中 ：捕捉器是 16位的，最大分辨率為 12.5nS。 比較器是 16位的，最大分辨率為 200nS。 PWM最大分辨率為是 10位。 10位多通道模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器。 帶有 SPI（主模式）和 I2C（主 /從）模式的 SSP。 帶有 9位地址探測(cè)的通用同步異步接收 /發(fā)送（ USART/RCI）。 帶有 RD,WR和 CS控制（只 40/44引腳） 8位字寬的并行從 端口。 帶有降壓的復(fù)位檢測(cè)電路。 （ 3） RS-232-C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。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。 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(lái)進(jìn)行通訊。 RS-232-C 接口（又稱 EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在 1970 年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ 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)。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備（ DCE）之間 串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個(gè) 25 個(gè)腳的 DB25 連接器，對(duì)連接器的每個(gè)引腳的信號(hào)內(nèi)容加以規(guī)定，還對(duì)各種信 號(hào)的電平加以規(guī)定 。 接口的信號(hào)內(nèi)容 實(shí)際上 RS-232-C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 3-9條引線。 RS-232-C最常用的 9條引線的信號(hào)。 接口的電氣特性 在 RS-232-C 中任何一條信號(hào)線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯?！?1”， -5-15V；邏 輯“ 0” +5 +15V 。噪聲容限為 2V。即 要求接收器能識(shí)別低至 +3V的信號(hào)作為邏輯“ 0”，高到 -3V的信號(hào) 作為邏輯“ 1” 。 接口的物理結(jié)構(gòu) RS-232-C接口連接器一般使用型號(hào)為 DB-25的 25芯插頭座 ,通常插頭在 DCE 端 ,插座在 DTE 端 . 一些設(shè)備與 PC 機(jī)連接的 RS-232-C 接口 ,因?yàn)椴皇褂脤?duì)方的傳送控制信號(hào) ,只需三條接口線 ,即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號(hào)地”。所以采用 DB-9的 9芯插頭座，傳輸線采用屏蔽雙絞線。 傳輸電纜長(zhǎng)度 由 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于 4%的情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度應(yīng)為 50 英尺，其實(shí)這個(gè) 4%的碼元畸變是很保守的，在實(shí)際應(yīng)用中，約有 99%的用戶是按碼元畸變 1020%的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過(guò) 50英尺。 圖 2.3.1 Max232 結(jié)構(gòu)圖 （ 4）繼電器 繼電器是具有隔離功能的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，廣泛用于遙控，遙測(cè)，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。 繼電器是在自動(dòng)控制電路中起控制與隔離作用的執(zhí)行部件，它實(shí)際上是一種可以用低電壓、小電流來(lái)控制大電流、高電壓的 自動(dòng)開(kāi)關(guān)。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(cè)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物培養(yǎng)液溫度的監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制 （ 5）半導(dǎo)體降溫片及電阻加熱絲 半導(dǎo)體制冷器是根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn)，采用特殊半導(dǎo)體材料熱電堆來(lái)制冷，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換為熱能，效率較高。 其工作原理如圖 2.5.1： 圖 2.5.1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(lái)，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。它的外觀如圖 2.5.2所示。 2）本控制系統(tǒng)是對(duì)生物培養(yǎng)液進(jìn)行溫度監(jiān)控，故太快的溫度變化對(duì)生物繁殖顯 圖 2.5.2半導(dǎo)體降溫片外觀圖 本控制系統(tǒng)是對(duì)生物培養(yǎng)液進(jìn)行溫度監(jiān)控，過(guò)快的溫度變化對(duì)生物繁殖顯然是不利的，因此在本系統(tǒng)中采用的是高阻抗小功率加熱電阻絲進(jìn)行溫度的小范圍調(diào)節(jié)。 正視圖 側(cè)視圖 3 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(jiàn) 圖 3.1。其中數(shù)字控制器的功能由 單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)。 圖 3.1溫度控制系統(tǒng)的組成框圖 培養(yǎng)皿的傳遞函數(shù)為 ),1/()( 1 sKesG s LT ，其中 1為電阻加熱的時(shí)間常數(shù)， 為電阻加熱的純滯后時(shí)間， T 為采樣周期。 A/D轉(zhuǎn)換器可劃歸為零階保持器內(nèi)，所以廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為 /)1()1/()( 11 sTsesKesG s （ 3-1-1） 廣義對(duì)象的 Z傳遞函數(shù)為 )/1/)11(/)1()11/)( 1111 zeTeKzsessKeZzG TLTs （ 3-1-2） 所以系統(tǒng)的閉環(huán) Z傳遞函數(shù)為 )1/()1()1/(/)1()( /1 TTLsTs eezseseZz (3-1-3) 系統(tǒng)的數(shù)字控制器為 )(G/)()(D)(E/)(U 1 zzzzz = LTTeTTT zezeeKeze 1/1/1/11/ )1(1)1(/)1)(1( （ 3-1-4） 寫(xiě)成差分方程即為 )1()1()1()( / Lkuekueku TT )1(/)1()1()1(/)()1( 1/1/1/ TTTTT eKkeeeeKkee （ 3-1-5） 令 )1(/)1( 1/0 TT eKea )1(/)1( 1/1/1 TTT eKeea /1 Teb , /2 1 Teb , 得 )1()1()1()()(2110 Lkubkubkeakeaku （ 3-1-6） 式中 )(ke 第 k 次采樣時(shí)的偏差； )1( ke 第 1k 次采樣時(shí)的偏差； )1( ku 第 1k 次采樣時(shí)的偏差； 4 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及總述 圖 4.1溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 4.1中溫度傳感器和 Micro Chip PIC16F877A 單片機(jī)中的 A/D 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成輸入通道， 用于采集培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度信號(hào)。溫度傳感器輸出電壓經(jīng)過(guò) 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。培養(yǎng)皿內(nèi)的溫度設(shè)定值由 Micro Chip PIC16F877A 單片機(jī)中程序設(shè)定。 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(guò)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(duì)培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)液溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路把當(dāng)前溫度傳輸?shù)缴逃糜?jì)算機(jī)的串口中，由計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)的顯示培養(yǎng)皿中的溫度，正常情況下溫度控制由 Micro Chip PIC16F877A 單片機(jī)自動(dòng)控制。必要時(shí)， 計(jì)算機(jī)也可以通過(guò)軟件來(lái)強(qiáng)制改變培養(yǎng)皿中溫度。 PIC16f877A單片機(jī) 加 熱 控制電路 高阻抗加熱絲 降 溫 控制電路 半導(dǎo)體降溫片 溫度傳感器 培養(yǎng)皿 TTL電平到 EIA電平轉(zhuǎn)換電路 商用計(jì)算機(jī)顯示終端 5 溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5.1 Microchip PIC16F877A 單片機(jī) 溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖 5.1.1 所示。 圖 5.1.1單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 檢測(cè)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(shí)別控制程序 5.2 單片機(jī) 控制流程圖 圖 5.2.1單片機(jī)控制流程圖 5.3 溫度變換程序模塊 溫度傳感器在 12到 60輸出 2.52V 1.02V，溫度起點(diǎn)為 12，滿量程為 48。Micro Chip PIC16F877A 單片機(jī)內(nèi)嵌的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng) 輸出的數(shù)字量為開(kāi)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 NX-FF0 F0-NX0 降溫 加熱 工程量變換 溫度非線性溫度轉(zhuǎn)換 發(fā)送數(shù)據(jù)到串口 命令識(shí)別程序 從串口接受數(shù)據(jù) Y Y Y N N N 0000000000B1111111111B（ 05V），應(yīng)用以下變換公式進(jìn)行變換： AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0) 式中， A0為一次測(cè)量?jī)x表的下限。 AM為一次測(cè)量?jī)x表的上限。 AX實(shí)際測(cè)量值。 N0儀表下限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 NM儀表上限對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 NX測(cè)量值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。 5.4 溫度非線性轉(zhuǎn)換程序模塊 采用折線擬合法進(jìn)行線性化處理 如圖 5.4.1所示，分為以下幾段： 當(dāng) 1.73V Ax 0.54 故 當(dāng) 所傳輸?shù)囊?幀 數(shù)據(jù)為 10 位時(shí)，所 允許 的 最 大的 波 特 率 允許誤 差 為 5 %對(duì)于其它 常 用的 8位， 9位， 11位，一 幀 的串行傳輸，其 最 大的 波 特 率 允許誤 差 分別為 6.25%， 5.56%， 和 4.5%。 減 小 波 特 率 誤 差 的 措施 我們知道 使 用離 散 度 小的 晶振 是 減 小 波 特 率 誤 差 的 關(guān) 鍵。 如 果， 晶振 的離 散 度已 超過(guò)所 允許 的 范圍， 此時(shí)不 宜 用其標(biāo)稱 值， 可以采用 測(cè) 量其 波 特 率 的方 法 來(lái)得出實(shí)際的 晶振波 特 率 值。 （ 2） 單片機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn) 設(shè) 置 通信方式和 波 特 率 的 值例 MOV SCON,#50H 初 始 化串 口 設(shè)為方式 1 MOV TMOD,#20H 利 用定時(shí)器 1為 波 特 率 發(fā) 生 器 并 設(shè)為 模 式 2 MOV PCON,#XXH 設(shè) 置 SMOD值 MOV TH1,#XXH 設(shè) 置 定時(shí)器 初 始值 SETB TR1 啟 動(dòng) 定時(shí)器 1 等待 接收 PC機(jī)發(fā)來(lái)的信號(hào) 幀并 按 通信協(xié)議作出相應(yīng) 響 應(yīng)。 6.5 通信協(xié)議設(shè)計(jì)結(jié)論 6.5.1通信可靠性分析 通信的可 靠性主要體 現(xiàn)在所 使 用通信協(xié)議的可 靠性 上，本通信協(xié)議的可 靠性主要 有兩點(diǎn)理論 基礎(chǔ)： (1)通過(guò) 判斷 幀頭 起 始字 符 來(lái)決定一 幀 的開(kāi) 始， 這樣就 避免 了 部 分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn) 入 到 內(nèi)部數(shù)據(jù) 處 理之中。這 個(gè) 可能 性 在 1/256， 通過(guò) 停止 位的 判斷 可將這 個(gè) 可能 性再 降低 1/256。 另 外 通過(guò) 幀 類 型字 節(jié)的 判斷 可 使 之進(jìn)一步 降低。 (2)校驗(yàn)字 將 整 幀 信號(hào)進(jìn)行異 或校驗(yàn)則使誤 收的可能很小。如 果 將此異 或校驗(yàn) 改為CRC校驗(yàn)則 出 錯(cuò) 的可能 性 更是 微乎 其 微 了。本通信所用協(xié)議具有 糾 錯(cuò) 功能，這 體 現(xiàn)在 當(dāng)PC 發(fā)送 或 接收數(shù)據(jù)時(shí)， 當(dāng) 所接收的應(yīng) 答 信號(hào)出現(xiàn) 失誤 時(shí)，將 重新 發(fā)送 或 接收此 幀 數(shù)據(jù)，直 至 接收到了正 確 的應(yīng) 答， 具 體 在程 序 中 最多允許 連 續(xù) 出 錯(cuò)三次， 超過(guò) 后則放棄 通信。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用本通信時(shí)傳輸距離 只 有 幾 米以 內(nèi) 而 且 環(huán)境 干擾 比 較小， 從 而 從外部因 素 上進(jìn)一步 保證 了通信的可 靠性。 6.5.2通信速度分析 如 果 在不 考慮 錯(cuò)誤 發(fā) 生 的 情況 下， PC 機(jī) 每 發(fā)送一 幀 數(shù)據(jù)時(shí) 需要 附 加 12 個(gè)字 節(jié)，其中 8 個(gè)字 節(jié)用于發(fā)送 4 個(gè)字 節(jié)用于應(yīng) 答 PC 機(jī)。 每 接收一 幀 數(shù)據(jù)時(shí)， 需要 附 加 13 個(gè)字 節(jié)其中 5 個(gè)字 節(jié)用于接收 8 個(gè)字 節(jié)用于應(yīng) 答。 如： 按 每幀 傳送 32個(gè)字 節(jié)計(jì) 算 的話，其發(fā)送 和接收的 效率 為 為 忽略 PC和 PIC16F877A單片機(jī) 的 處 理時(shí)間計(jì) 算。 發(fā)送數(shù)據(jù)速率、接收數(shù)據(jù) 速率計(jì)算公式如下： 發(fā)送數(shù)據(jù) 速率 ： 9600*32/44=6981bit/s 接收數(shù)據(jù) 速率 ： 9600*32/45=6826bit/s 這是理論上的 速率， 實(shí)際中 還 應(yīng) 包含 PC和 PIC16F877A單片機(jī) 的 處 理信號(hào) 幀，等待 信號(hào) 幀 的時(shí)間。在本通信協(xié)議中，不會(huì)出現(xiàn) 某 信號(hào) 幀已 到達(dá)但 PC或 PIC16F877A單片機(jī) 還 未開(kāi) 始 準(zhǔn) 備 接收的現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中，因具 體 應(yīng)用環(huán)境不同 PC和 PIC16F877A單片機(jī) 處 理信號(hào) 幀 的時(shí)間會(huì)有不同，所以具 體速率值 依 具 體 應(yīng) 用而 變 化。 7 Protel99 設(shè)計(jì)原理圖 （ 1）使用 Protel進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)的第一步便是設(shè)計(jì)原理圖，原理圖決定了整個(gè)電路的基本功能，也是接下來(lái)生成網(wǎng)絡(luò)表和設(shè)計(jì)印刷電路板的基礎(chǔ)。 在 Protel 99的初始界面下新建一個(gè)設(shè)計(jì)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)管理項(xiàng)目。 File-New-改文件名改保存路徑 OK 進(jìn)入設(shè)計(jì)庫(kù)文件中的文件夾 Document。 在 Document 文件夾中新建原理圖文件和印制板文件。 File-New-Schematic Document-Ok-改文件 名 File-New-PCB Document-Ok-改文件名 打開(kāi)原理圖文件。 添加原理圖文件庫(kù)。 Design-Add/Remove Library- 瀏覽所需零件庫(kù) Add-Ok 放置電路所需的各種元件，圖件，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等元器件。 Design-Add/Remove Library- 瀏覽所需零件庫(kù) Add-Ok 從零件庫(kù)中調(diào)出元件 Place-part 對(duì)原圖元件進(jìn)行布局，布線，構(gòu)成一個(gè)完整的原理圖。 Place-part 編輯和調(diào)整。然后進(jìn)行輸出存檔。 右 鍵 Properies .Designation-Part-Footrint Save 打印或建立報(bào)表。 圖 7.1.1 protel設(shè)計(jì)的流程圖 新建原理圖 New-SCH 添加元件庫(kù) Add/Remove Library 調(diào)出元件 Find-Place Compent 元件布局 連線 設(shè)置元件屬性 存盤(pán) Save 打印輸出報(bào)表 Print,Rcport 建立網(wǎng)絡(luò)報(bào)表 Create Netlist （ 2）用 PCB系統(tǒng)設(shè)計(jì) PCB板分以下 7個(gè)步驟： 有關(guān)參數(shù)的設(shè)置。這一步主要設(shè)定自動(dòng)布參數(shù)、自動(dòng)布線參數(shù)、板面參數(shù)等。 PCB板尺寸設(shè)計(jì)。在禁止布線層上，沿設(shè)計(jì)的 PCB邊畫(huà)邊框線，即指定自動(dòng)布局的范圍。這一步為自動(dòng)布局打基礎(chǔ)。同時(shí)，在上層板面（即元器件面）沿禁止布線層的邊框圖線放置銅線 ，這是 PCB板最后成型所必須的。 布局 就是根據(jù)原理圖上元器件之間的連接關(guān)系，并考慮電磁兼容性以及元器件的安裝空間和散熱等，總是將元器件放置在 PCB 電路板上適當(dāng)?shù)奈恢?。布局的好壞直接影?PCB板的電氣性能和布局的功能，是 PCB板設(shè)計(jì)過(guò)程中最費(fèi)時(shí)、最繁瑣的。布局工作需要耐心、細(xì)致。盡管系統(tǒng)提供了自動(dòng)布局的功能，但是一般而言都需要手工調(diào)整。 手工布局，首先載入 SCH生成的網(wǎng)絡(luò)表，通過(guò)手工移動(dòng)元器件 PCB 板上的排列位置實(shí)現(xiàn)布局。移動(dòng)元器件是最好打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接顯示，這樣就能觀察到相鄰元器件連線的疏 密。 自 動(dòng)布局， PCB 系統(tǒng)環(huán)境提供自動(dòng)布局功能完成元器件放置，但在細(xì)節(jié)處最好使用手工調(diào)整。布局時(shí)要求相互間連線多的元器件應(yīng)該就近放置；相互間可能造成干擾的元器件應(yīng)遠(yuǎn)離：功率器件應(yīng)考慮散熱空間。 自動(dòng)布線。布線就是在元器件引腳之間放置覆銅連線的過(guò)程，這一過(guò)程可以通過(guò)手工完成，也可以自動(dòng)進(jìn)行。但是 Protel99 的 PCB系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的自動(dòng)布線功能，建議使用該功能自動(dòng)布線。在進(jìn)行自動(dòng)布線之前，設(shè)計(jì)人員必須先設(shè)計(jì)好布線參數(shù)，定義布線規(guī)則。如果不適當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)布線失敗，即布線的成功率不高，所以這一 步要特別注意 啟動(dòng)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 DRC，這一步利用 PCB 提供的 DRC功能對(duì)完成布線的 PCB板進(jìn)行檢查，這一步由軟件自動(dòng)完成。檢查的結(jié)果輸出在報(bào)告文件 *.rep 中， PCB 軟件將出錯(cuò)處在 PCB圖上顯示出來(lái)，為檢查、修改提供方便。 板面字符調(diào)整。為了使設(shè)計(jì)的 PCB 板美觀，并且安裝焊接元器件方便，應(yīng)將元器件的名稱。設(shè)計(jì)值的字符參數(shù)移至元器件框外。大小合適且字符不想重疊。 將經(jīng)過(guò) DRC檢查無(wú)誤，且版面字符調(diào)整好的 PCB設(shè)計(jì)圖存盤(pán)、輸出、制版。 印刷板電路設(shè)計(jì)完成以后，整個(gè)電路板的設(shè)計(jì)項(xiàng)目就基本完成。存檔以便進(jìn)行后期 的修改及完善。 圖 7.1.2制作 PCB板的流程 新建印制板圖 New-PCB 規(guī)劃電路板 添加元件庫(kù) Add/Remove 調(diào)用網(wǎng)絡(luò)表 Load Netlist 元件布局 走線 設(shè)置絲印字 存盤(pán) Save 打印，輸出報(bào)表 交給印制板 電路板成品 手工制板 熱轉(zhuǎn)印法 光印法等 8 硬件電路板的制作 本設(shè)計(jì)中需要有 2 個(gè)繼電器控制外圍溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 2個(gè) LED用來(lái)提示串口數(shù)據(jù)指示，還有一個(gè) PIC16F877A 單片機(jī)，一個(gè) Max232 電平轉(zhuǎn)換器，一個(gè)有源晶體振蕩器及其外圍電阻電容等。在確定電路的正確性，可行性之后，開(kāi)始使用 Protel 對(duì)它進(jìn)行布圖。 Protel是一個(gè)很好用的電子制作工具，它還可以進(jìn)行仿真。在畫(huà)原理圖的過(guò)程中，原理圖中的元件庫(kù) 中可能找不到自己要找的元件，如 PIC16F877A 等，所以要自己畫(huà)元件。在畫(huà)原理圖后，選擇將元件自動(dòng)編號(hào)，然后根據(jù)需要更改部分元件的編號(hào)。在定好元件編號(hào)后，使用 TOOLS 中的 ERC進(jìn)行檢查，它會(huì)提示是否有編號(hào)相同的元件等錯(cuò)誤。在 ERC檢查無(wú)誤后，便可以開(kāi)始封裝了。同樣，部分元件的封裝在 PCB 庫(kù)中找不到或者是有出入，如按鍵開(kāi)關(guān)， 2 位撥碼開(kāi)關(guān)在 PCB 庫(kù)中找不到，所以需要自己根據(jù)元件的實(shí)際大小和相應(yīng)的原理圖中引腳編號(hào)，做出正確的封裝。 圖 8.1 完整的 PCB圖 另外，可變電阻在原理圖中的引腳編號(hào)和 PCB庫(kù)中的引腳編號(hào)有點(diǎn)出入（可在原理圖中雙擊元件，選上 HIDDEN PINS，則可以觀察到元件的引腳編號(hào)），可以在 PCB庫(kù)中將 該元件的引腳標(biāo)號(hào)改成與原理圖相對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)。在封裝好全部元件后，可以生成一個(gè)元器件報(bào)表，在報(bào)表中可以清楚的看到各元件的標(biāo)號(hào)和封裝代號(hào)，在進(jìn)一步檢查完畢后就開(kāi)始建立網(wǎng)絡(luò)表。在禁止布線層中畫(huà)一個(gè)邊框和電路板大小一樣的矩形，然后開(kāi)始導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表沒(méi)有錯(cuò)誤后，便開(kāi)始正式布局了。根據(jù)原理圖的走線，將器件分別拉入框中，放到合適的位置。布局完成后，先設(shè)置好安全間距為 10mil，布線層選擇底層，線寬選擇 25 mil，并將焊盤(pán)外徑改為 40mil，內(nèi)徑改為 20mil（部分點(diǎn)要根據(jù)需要改小或改大）。然后就開(kāi)始正式布線。布線不能單靠自動(dòng)布線，特別是在本設(shè)計(jì)中有眾多芯片，所以采用根據(jù)原理圖對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行手動(dòng)布線。這樣可以使得整個(gè)電路看起來(lái)整齊些，在碰到有時(shí)線路布不通的時(shí)候，采用頂層短跳線的方式進(jìn)行調(diào)整，從而完成整個(gè) PCB電路板的設(shè)計(jì)。見(jiàn)圖 8.1。 布好 PCB圖，檢查無(wú)誤后，就將 PCB圖打印到轉(zhuǎn)印紙上，然后熨到電路板上，腐蝕 ，打孔。熨板前，應(yīng)把銅板用砂紙去掉表面被氧化的部分。腐蝕時(shí)，用三氯化鐵加適量的開(kāi)水配成三氯化鐵溶液進(jìn)行腐蝕，這樣腐蝕會(huì)比較快，腐蝕完后用天那水把電路板清洗，接著便開(kāi)始打孔（選用 0.8mm 的針頭），打完孔后，用萬(wàn)用表測(cè)量電路線路是否連通，然后先涂上松香溶液（酒精 +松香），這樣焊接速度會(huì)比較快，還能防氧化，然后將其放在一邊晾干。同時(shí)，測(cè)量部分器件（電阻等）是否有損壞，等電路板晾干后，就要把器件按 PCB圖來(lái)安裝好。然后就可以開(kāi)始焊接了。焊接時(shí)要防止虛焊和未連接上，所以在焊好后，再用萬(wàn)用表測(cè)量元件和線路是否連接好。 檢測(cè)完畢后，硬件電路板裝配便完成了。 9 設(shè)計(jì)總結(jié) 通過(guò)本次溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ,我大有收獲，在制作過(guò)程中，一定要注意的每個(gè)工作步驟的檢查，確保制作成功。比如在合理布線，檢查裝配無(wú)誤的情況下，如果還出現(xiàn)電路無(wú)輸出的情況，那么可以肯定是原理圖錯(cuò)誤，這時(shí)就要回到原理圖進(jìn)行檢查?？傮w的檢查順序應(yīng)該是原理圖、 PCB 圖、裝配情況、焊接工藝。從整體來(lái)說(shuō)這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，要細(xì)心謹(jǐn)慎，沉著冷靜，反復(fù)檢查，直到找到原因?yàn)橹埂?這次畢業(yè)設(shè)計(jì)歷時(shí)至少 3個(gè)月，從一開(kāi)始的確定課題，到后來(lái)的資料查找、理論學(xué)習(xí)，再有就是近來(lái)的調(diào)試 和測(cè)試過(guò)程，這一切都使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力進(jìn)一步得到頻率合成電路課題中包含了通信電路和單片機(jī)部分知識(shí)，可以說(shuō)是對(duì)通信電路知識(shí)的一次全面綜合。在畫(huà)原理圖、 PCB 布線、安裝和調(diào)試過(guò)程中不可避免地遇到各種問(wèn)題，這要求保持沉著冷靜，聯(lián)系書(shū)本理論知識(shí)積極地思考，實(shí)在解決不了可以請(qǐng)教同學(xué)或指導(dǎo)老師。雖然在制作過(guò)程中不可避免地遇到很多問(wèn)題，但是最后還是在老師以及同學(xué)的幫助下圓滿解決了這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與最后調(diào)試，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到期望的要求，很好地完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。 經(jīng)過(guò)四年學(xué)習(xí)的積累，在已經(jīng)掌握相關(guān)專業(yè)方面知識(shí) 及其它各方面知識(shí)的情況下，我認(rèn)真嚴(yán)肅的完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。 從得到題目到查找資料，從對(duì)題目的研究設(shè)定到 PCB電路板的制作，從電路板的調(diào)試到失敗后再一次全部重新開(kāi)始在這一個(gè)充滿挑戰(zhàn)伴隨挫折，充滿熱情伴隨打擊的過(guò)程中，我感觸頗深，它已不僅是一個(gè)對(duì)我四年學(xué)習(xí)知識(shí)情況和我的應(yīng)用動(dòng)手能力的檢驗(yàn)，而且還是對(duì)我的鉆研精神，面對(duì)困難的心態(tài)，做事的毅力和耐心的考驗(yàn)。我在這個(gè)過(guò)程中深刻的感受到了做畢業(yè)設(shè)計(jì)的意義所在，和我一樣真正投入了身心去做的人也一定會(huì)有同樣的感觸。 本課題的重點(diǎn)、難點(diǎn)是： （ 1） 初步接觸溫度傳感器，要 對(duì)傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用等各方面從頭開(kāi)始琢磨 ； （ 2） 考慮從非電量信號(hào)到電量信號(hào)的電路實(shí)現(xiàn)原理以及與單片機(jī)的接口； （ 3） 熟悉拉 RS-232-C串口編程的技術(shù)； （ 4） 考究調(diào)整電路的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及怎么樣通過(guò)單片機(jī)來(lái)間接的控制。 通過(guò)做本課題，我了解并掌握了傳感器的基本理論知識(shí)，更深入的掌握單片機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和 PC 編程控制。為以后從事單片機(jī)軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、 PC 軟件開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，樹(shù)立獨(dú)立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心，并在這種能力上得到了比較充分的鍛煉。 謝 辭 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我得到了指導(dǎo)老師 陳紫強(qiáng)的熱心指導(dǎo)。自始至終關(guān)心督促畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)程和進(jìn)度。幫助解決畢業(yè)設(shè)計(jì)中遇到的許多問(wèn)題。還不斷向我們傳授分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的辦法，并指出了正確的努力方向，使我在畢設(shè)過(guò)程中少走很多彎路。同時(shí)，他還提供給我們專門(mén)的各種設(shè)備及場(chǎng)所，在調(diào)試過(guò)程中能夠有充足的時(shí)間。在這里非常感謝趙老師的指導(dǎo)和幫助，并致以誠(chéng)摯的謝意！ 同時(shí)，身邊的同學(xué)給了我許多的幫助。在此，我向身邊關(guān)心我的同學(xué)致以誠(chéng)摯的謝意！另外，系里的領(lǐng)導(dǎo)和老師也給了我們必要的指導(dǎo)，我也向系和年級(jí)的領(lǐng)導(dǎo)們表示衷心的感謝！最后感謝學(xué)院對(duì)我這幾年的培養(yǎng)。 參考文獻(xiàn) 1 何立民 .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù) M.北京：北京航空航天大學(xué)， 1990. 2 李曉荃 .單片機(jī)原理與應(yīng)用 M. 北京 :電子工業(yè)出版社， 2000. 3 劉和平 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 M.重慶：重慶大學(xué)出版社， 2002 . 4 徐愛(ài)鈞 .單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言 C51 應(yīng)用程序設(shè)計(jì) M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2002. 5 謝自美 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Neamen. Electronic circuit analysis and designM.Tsinghua University Press and Springer Verlag.2002. 附 錄 1 （ 1）本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)程序如下： #include /* void INIT() ADCON1=0X07; TRISC=0X80; TRISB=0X00; TRISD=0X00; RD1=0; RD0=0; TRISA=0X0f; TRISE