溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料

1、引言隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段一一傳感器技術(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(lèi)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(lèi)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

2、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(lèi)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(lèi)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

3、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)

4、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1525,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。蠱度圖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

5、。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) MICORCHI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)：Win dows 2000。5%的產(chǎn)品，其一致主要技術(shù)參數(shù)：時(shí)間常數(shù)w 30S測(cè)量功率w 0.1mW使用溫度范圍-55+125C耗散系數(shù)6mWC額定功率0.5W降功耗曲線：2.2硬件介紹計(jì)算機(jī)工作的外圍電路設(shè)

6、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 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：（2）核心處理單元MicroChip PIC16F877A單片機(jī)MicroChip PCI16F877A單片機(jī)主要性能：圖 2.2.1圖2.2.2溫度傳感器功耗曲線圖具有高性能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PIC1

7、6C73B/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?？删幊痰拇a保護(hù)。低功耗睡眠方式?？蛇x擇的振蕩器。低功耗，高速 CMOS FLASH/EEPR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

8、小于1uA0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12.5nSo比較器是16位的，最大分辨率為200nSPW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/ROI。帶有RD,WR和CS控制（只40/44引腳）8位字寬的并行從端口。

9、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

10、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?！?”，-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” o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 D

11、B-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?用對(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%勺情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度 應(yīng)為50英尺，其實(shí)這個(gè)4%勺碼元畸變是很保守的，在實(shí)際應(yīng)用中，約有 99%勺用戶是 按碼元畸變1020%勺范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過(guò) 50英尺。C3CU1 2衛(wèi)Vcc林2冋 r.NDC1-lia.TC24MAX220刮Rim略AX232A辺 HI O

12、UTV-回TinI頂回 T2INR2N3陸HCT-16C2* +1CW IO-1(WC7. LTACLiW-.EFilLRfl -1DVDEVICECl0213CA C5MAX2 卻4.74.710104.7MAX2321.0l.ULUIJO1.0mo瓦Jcurpiir IJ1OR1R114I l?u 232 rouTPuis,F3-232 INPLrjSTOP VIEWDIP/SO1CAPACITANCE (uF)KUU232A 0.10.1U.1D.1D.1丄15(AnLCMOSJ INPUTSUTO2 -I3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

13、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 :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桑?NP之間以一般的 導(dǎo)體相連接而成一完

14、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。正視圖2）本控制系統(tǒng)是對(duì)生物培養(yǎng)液進(jìn)行溫度監(jiān)側(cè)視圖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)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)。培養(yǎng)皿的傳遞函數(shù)為G .(s)二Kes/

15、( “s T)- LT，其中T 1為電阻加熱的時(shí)間常 數(shù)，二為電阻加熱的純滯后時(shí)間，亓為采樣周期。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G,(s)二Ke-冷/( 1s 1) (1eTs)/s( 3-1-1)廣義對(duì)象的Z傳遞函數(shù)為GO 二Z Ke-%/1s 1) (1-e*)/s二 Kz 丄(1 - e 1)/1 - eT / 憶一1)( 3-1-2)所以系統(tǒng)的閉環(huán)Z傳遞函數(shù)為門(mén) 二Z(1 _e)/s e/( s 1) = z丄4(1 一)/(1 -e廠)(3-1-3)系統(tǒng)的數(shù)字控制器為U(z)/E(z)二D(z)：(z)/G1(z)=(1_e#r)/K(1 _e + /e1

16、)1_e+/JCz4_(1_eM/zt_L(3-1-4)寫(xiě)成差分方程即為u(k)二u(k 一1)(1 e = / )u(k 一1 一 L)(1 e )e(k)/K(1 e 1) -(1 e/ )e / 1e(k -1)/ K(e /1)(3-1-5 )令 a0 =(1 e)/K(1 e1)a1 =(1-e)beJ/ ,b2 =1-e,得 u(k) =a0e(k) -a1e(k -1) du(k -1) b2u(k -1 - L)(3-1-6 )式中e(k)-第k次采樣時(shí)的偏差；e(k -1)第k -1次采樣時(shí)的偏差；u(k -1)-第k -1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

17、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

18、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。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 Ax2.52V 時(shí)， 當(dāng) 1.40V WN1.73V寸， 當(dāng) 1.24V WN1.40V寸， 當(dāng) 1.06V WN 0

19、.54故當(dāng)所傳輸?shù)囊粠瑪?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,#50初始化串口設(shè)為方式1MOV TMOD,#20利用定時(shí)器1為波特率發(fā)生器并設(shè)為模式2MOV PCON,#XX設(shè)置 SMO值MOV TH1,#XX

20、F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(lèi)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 CR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)

21、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PCffiPIC16F877A單片機(jī)的處理時(shí)間計(jì)算。發(fā)送數(shù)據(jù)

22、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

23、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 0K 進(jìn)入設(shè)計(jì)庫(kù)文件中的文件夾Documen。 在Document文件夾中新建原理圖文件和印制板文件。File-New-Schematic Docume nt-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)。Desig n-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。Desig n-Add/Remove Library

24、-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。右鍵一Properies .Designation-Part-Footrint Save 打印或建立報(bào)表。a新建原理圖1 New-SCH -添加元件庫(kù) Add/RemoveLibrary調(diào)出元件Fi nd-Pla ceCompe nt圖7.1.1 protel 設(shè)計(jì)的流程圖(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)

25、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)奈恢谩２季值暮脡闹苯?影響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，

26、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

27、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 后期的修改及完善元件布局-彳走線-彳設(shè)置絲印字kh _JI _打印，輸出報(bào)表存盤(pán)Save/ -;4交給印制板電路板成品手工制板熱轉(zhuǎn)印法光印法等

28、_丿圖7.1.2制作PCB板的流程ID1衛(wèi)* 歸z H K * *-l b* :* t1： 5* * * * _ 口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

29、更改部分元件的編號(hào)。在定好 元件編號(hào)后，使用TOOLS的ERG!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HIDDEhPINS,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 o口n T器件報(bào)表

30、，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

31、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

32、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。(1)磨;(2)(3)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?。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

33、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

34、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：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；熟悉拉RS-232-C串口編程的技術(shù)；考究調(diào)整電路的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及怎

35、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。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

36、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. 謝自美.電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試（第二版）M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000. 江國(guó)強(qiáng).現(xiàn)代數(shù)字邏輯

37、電路.北京：電子工業(yè)出版社，2002 .7張勇.PROTEL 99 SE電路設(shè)計(jì)技術(shù)入門(mén)與應(yīng)用（第一版）.北京：電子工業(yè)出版社，2002 .8樊昌信.通信原理（第五版）M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2001 .9Richard c. Dorf.modern conctrol systermM . BEIJING:Scienee Publishing House , 2002.10Donald A. Neamen. Electronic circuit analysis and designM . Tsinghua University Press andSpringer Verlag.2002.附

38、錄1(1)本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)程序如下：#i nclude *void INIT()ADCON1=0X07;TRISC=0X80;TRISB=0X00;TRISD=0X00;RD1=0;RD0=0;TRISA=0X0f;TRISE=0X00;*#include #include init.h#in clude proc.h*un sig ned char i;un sig ned int delay;exter n un sig ned char a;exter n un sig ned char temph;exter n un sig ned char templ;*void main()/

39、初始化INIT();for(delay=65536;delay0;delay-) asm(clrwdt); temph=0 x35;templ=0 x30;doasm(clrwdt);PROCDIANPIN();RCO=O;RC1=0;while(1);#include #include tranpc.h*union adresint y1;un sig ned char adre2;adresult;exter n un sig ned int delay;un sig ned int temp;un sig ned int y;un sig ned char receive;un sig

40、ned char a;exter n un sig ned char rxbuf;un sig ned char temph;un sig ned char templ;exter n un sig ned char i;*void PROCDIANPIN()ADCON0=0X89;ADCO N仁 0X84;ADIF=0;ADGO=1;for(delay=0 x8ff;delay0;delay-) asm( nop);while(ADIF=0)asm(clrwdt);asm(clrwdt);ADIF=0;adresult.adre0=ADRESL;adresult.adre1=ADRESH;i

41、f(adresult.y1=0 xD9)temp=0 x10;for(y=0 x204;adresult.y1=temph)if(a!=0 xff)RD1=1;else RD1=0;else if(temp=templ)&(temp0;delay-) asm(” no p);#include *un sig ned char txbuf5;un sig ned char rxbuf5;exter n un sig ned int delay;un sig ned char s_uart_buf;un sig ned char rx_lo_buf;exter n un sig ned char

42、i;*void TXPC(unsigned char byte)/9600b/sRC6 = 0;/start bit for(s_uart_buf=0;s_uart_buf46;s_uart_buf+)co nti nue; if(byte&0 x01)RC6=1;else RC6=0; for(s_uart_buf=0;s_uart_buf35;s_uart_buf+)asm( nop); if(byte&0 x02)RC6=1;else RC6=0;for(s_uart_buf=0;s_uart_buf35;s_uart_buf+)asm( nop); if(byte&0 x04)RC6=

43、1;else RC6=0;for(s_uart_buf=0;s_uart_buf35;s_uart_buf+)asm( nop); if(byte&0 x08)RC6=1;else RC6=0;for(s_uart_buf=0;s_uart_buf35;s_uart_buf+)asm( nop); if(byte&0 x10)RC6=1;else RC6=0;for(s_uart_buf=0;s_uart_buf35;s_uart_buf+)asm( nop); if(byte&0 x20)RC6=1;else RC6=0;for(s_uart_buf=0;s_uart_buf35;s_uart_buf+)asm( nop); if