基于pic16f877的培养液温度实时监控系统设计

基于pic16f877的培养液温度实时监控系统设计内容摘要：

k 次采样时的偏差； )1( ke —— 第 1k 次采样时的偏差； )1( ku —— 第 1k 次采样时的偏差； 5 温度控制系统结构图 图 51 温度控制系统结构图 图 51中温度传感器和 Micro Chip PIC16F877A 单片机中的 A/D 转换器构成输入通道， 用于采集培养皿内的温度信号。 温度传感器输出电压经过 A/D 转换后 的数字量与培养皿内的温度给定值数字化后进行比较，即可得到实际温度和给定温度的偏差。 培养皿内的温度设定值由 Micro Chip PIC16F877A 单片机中程序设定。 由 Micro Chip PIC16F877A 单片机构成的 数字控制器进行比较运算，经过比较后输出控制量控制由加热和降温电路构成的温度调节电路对培养皿中的培养液温度进行调节。 同时通过电平转换电路把当前温度传输到商用计算机的串口中，由计算机动态的显示培养皿中的温度，正常情况下温度控制由 Micro Chip PIC16F877A 单片机自动控制。 必要时， 计 算机也可以通过软件来强制改变培养皿中温度。 6 温度控制系统软件设计 PIC16f877A单片机 加热控制电路 高阻抗加热丝 降温控制电路 半导体降温片 温度传感器 培养皿 TTL电平到 EIA电平转换电路 商用计算机显示终端 武汉纺织大学 2020 届毕业设计 （ 论文 ） 13 单片机控制流程图 图 61单片机控制流程图 温度变换程序模块 温度传感器在 12℃到 60℃输出 — ，温度起点为 12℃，满量程为 48℃。 Micro Chip PIC16F877A 单片机内嵌的 10 位 A/D 转换器对应 输出的数字量为开始 初始化 PIC16F877A单片机端口地址 读入预设温度 值 启动 A/D 转换 A/D 转换结果送入 NX 单元 NXFF0 F0NX0 降温 加热 工程量变换 温度非线性温度转换 发送数据到串口 命令识别程序 从串口接受数据 Y Y Y N N N 武汉纺织大学 2020 届毕业设计 （ 论文 ） 14 0000000000B~1111111111B（ 0~5V），应用以下变换公式进行变换： AX=A0+(AMA0)(NXN0)/(NMN0) 式中， A0为一次测量仪表的下限。 AM为一次测量仪表的上限。 AX实际测量值。 N0仪表下限对应的数字量。 NM仪表上限对应的数字量。 NX测量值对应的数字量。 温度非线性转换程序模块 采用折线拟合法进行线性化处理 如图 所示，分为以下几段： 当 ≤ Ax 时， T℃ =*WN+12 当 ≤ WN 时， T℃ =*WN+25 当 ≤ WN 时， T℃ =*WN+40 当 ≤ WN 时， T℃ =+50 表 61 温度曲线实际测量数据 温度 (℃ ) 12 13 14 15 16 17 18 电压（ V） 温度 (℃ ) 19 20 21 22 23 24 25 电压（ V） 温度 (℃ ) 26 27 28 29 30 31 32 电压（ V） 温度 (℃ ) 33 34 35 36 37 38 39 电压（ V） 温度 (℃ ) 40 41 42 43 44 45 46 电压（ V） 温度 (℃ ) 47 48 49 50 51 52 53 电压（ V） 温度 (℃ ) 54 55 56 57 58 59 60 电压 （ V） 武汉纺织大学 2020 届毕业设计 （ 论文 ） 15 图 51 图 62 温度分段线限等效图 7 通信协议的设计 由于温度采集和实施控制是通过单片机控制系统实现，而微机完成温度监控，所以需要采用单片机和微机之间的通信协议。 本设计应用条件为传输距离不超过 15米的短距离数据传输，且传输数据量较小，所以采用在控制领域里应用较广泛 RS232C串行通信方式。 针对近程小批量的数据通信 ，设计时采用 3 线制（ RXD ， TXD ， GND） 软握手的零MODEM方式。 即：将 PC机和单片机的“发送数据线（ TXD）” 与“接收数据（ RXD）” 交叉连接，二者的地线（ GND） 直接相连而其它信号线如握手信号线均不用，而采用软件握手。 这样即可以实现预定的任务，又可以简化电路设计节约了成本。 由于 RS232C是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准，其逻辑电平与TTL， MOS 逻辑电平不同。 逻辑 0 电平 规定 为 +5~+15V之间，逻辑 1是电平为 5 ~15V 之间。 因此在将 PC机和单片机的 RXD和 TXD交叉连接时， 必须 进行电平转 换。 下图 即为通信时的硬件连接 图， 其中器件 MAX232完成逻辑电平转换的任务。 武汉纺织大学 2020 届毕业设计 （ 论文 ） 16 图 71 电平转换电路图 注： 在 PC机中 9针 RS232接 口 中： 2线： RXD， 3线： TXD， 5线： GND 而在 25针 的 RS232接 口 中： 3线： RXD， 2线： TXD， 7线： GND 软件设计 在进行数据通信的软件设计时， 必须 解决好两 个 方面的问题：一是可 靠性， 二是 速度。 而这两方面的问题，可 靠性 是 第 一位的 ,速度只 能 是在可 靠 的 基础 上的 速度。 可 靠快速 转输的实现， 需要 PC单片机软 件以及通信协议 等 各 个 环节的可 靠 和其间的相 互配合。 通信协议 概 述 在设计 PC单片机 通信协议时， 需 说明一点：在本系 统 的实际通信中， PC机是 主 控者单片机 只 是 被动 接收者。 采用这种通信协议较 双 方 互 为 主 控者时简单。 本通信协议的设计 思想 是 基 于 帧 传输方式。 即在 向 RS232串 口 发送 命令 信号，应 答信号及数据信号时，是一 帧 一 帧 地发送的。 为了 使 数据 快速 可 靠 地传输，将 每 一 帧 数据唯 一对应一 命令帧。 此时传输数据即 执 行 命令 具 体 如下： (1) 在 PC读数据时， 遵循 “ 读 命令 等 数据 报告”， 即 PC下达一 命令，等待 接收数据， 根据 所接收数据的正 误向 应用程 序报告 此 命令 的 执 行 情况。 (2) 在 PC写数据时， 遵循“ 写 命令 等回 应 报告”， 即 PC下达一写 命令（ 此时所 要写的数据 含 于此 命令 中）， 等待 单片机发来的“ 已 正 确 接收”的 回 应信号， 并向 应用程序报告 此 命令执 行完 毕。 (3) 如 果 在转输过程中，其间 PC或 MCU所接收任 何 一 帧 信号出现 错误 时，均会 向 对方发送 重 发此 帧 信号的请 求。 如 果 连 续三次 转输 失败，则退 出通信 并向 应用程 序报告。 通信协议说明 信号 帧 分类 (1) 读 命令 帧：当 PC读数据时， PC向 PIC16F877A发送的 命令 信号。 武汉纺织大学 2020 届毕业设计 （ 论文 ） 17 (2) 写 命令帧：当 PC写数据时， PC向 PIC16F877A发送的 命令 信号 (内含 所 要 写的数据 )。 (3) 数据 帧：当 PC读数据时， PIC16F877A向 PC发送的 内含 数据信 息 的信号。 (4) 正 回 应 帧：当 PC写数据时， PIC16F877A向 PC报告 数据 已 正 确 接收的信号。 (5) 重 发 命令帧：当 PC读 /写数据时， PIC16F877A所接收的信号 帧 (读 /写 命令帧 )有 误 时向 PC发出的请 求重 发信号。 (6) 放弃命令帧：当 PC读 /写数据时出现了 使 程 序无 法 正 常执 行时 PC或 PIC16F877A向 对方发出的 退 出通信的通 知 信号。 信号 帧格 式 (1) 读 命令帧格 式 帧头 标 志 帧 类 型 器件地 址 起 始 地 址 长度 校验 和 帧尾 标 志 帧头 标 志 (1 Bit): 表 示 此数据 包属 于本串 口 通信协议 ,并 为是 否 接收此 包 数据的标 志。 帧 类 型 (1 Bit): 所用信号 帧 的 识 别标 志 ,即 信号 帧 分类中的各类 型 信号的标 志字节。 器件地 址 (1Byte): PC所 要访 问的 外部 器件的地 址 即是 哪 一 个外部 器件。 起 始 地 址 (2Byte): PC所 要访 问的器件的 存贮 器起 始 地 址。 长 度 (1Byte): 一 次命令 所转输的数据 长度。 校验 和 (1Byte): 此 帧 信号的 校验字 节 ,为异 或校验。 帧尾 标 志 (1Byte): 此 帧 信号的 结束 标 志。 (2) 写 命令帧 帧头 标 志 帧 类 型 器件地 址 起 始 地 址 长度 数据 区 校验 和 帧尾 标 志 数据 区 :所 要 写的数据信 息。 其它分 析 同上。 (3) 数据 帧 帧头 标 志 帧 类 型 长度 数据 区 校验字 帧尾 标 志 长度 :所转输数据的 长度。 数据 区 :所转输的数据信 息。 其它分 析 同上。 (4) 正 响 应 帧 帧头 标 志 帧 类 型 空 校验字 帧尾 标 志 空无 意 义 :为了 PIC16F877A编 程的方 便 而 加入。 其它分 析 同上。 (5) 重 发 帧 帧头 标 志 帧 类 型 空 校验字 帧尾 标 志 其它分 析 同上。 (6) 放弃帧 帧头 标 志 帧 类 型 错误码 校验字 帧尾 标 志 错误码 : 00H 执 行 PC命令 发 放弃帧回 应 被动退 出通 讯。 武汉纺织大学 2020 届毕业设计 （ 论文 ） 18 串口接受到一帧数据 此帧是否正确 连续 3次不正确 退 出 通 信并报告 读 命 令信号 退 出 等 待下一帧 重发命令帧 写 命 令信号 分析此命令 开始执行 分析此命令取 出数据信息 发数据帧 发正回应数据帧 退出通信并报告 退 出 等 待下帧命令 N Y Y N Y Y N N 01H PIC16F877A 单片机 方写 入芯 片发 生错误主动 通 知 PC退 出通 讯。 通信协议 处 理 流 程 (1) 数据分 帧 与数据 重组 图 72 串口数据接受过程 将应用程 序 发送过来的数据作为一 个数据流放 在发 送 缓冲区 中，通过通信协议进行分 帧──切割── 发送。 在接收 端， 分 帧 的数据 去掉帧头重新组合 到接收 缓冲区 中，交给应用程 序处 理，接收过程的 示 意 图 如 图 73。 单片机串口通信软件设计流程图。 图 73 接收过程的 示 意 图。