,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。
④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99%的用户是按码元畸变10~20%的范围工作的,所以实际使用中最大距离会远超过50英尺。
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
①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。
2)本控制系统是对生物培养液进行温度监控,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
②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。
图3.1温度控制系统的组成框图
培养皿的传递函数为,其中τ1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。
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
(3-1-1)
广义对象的Z传递函数为
(3-1-2)
所以系统的闭环Z传递函数为
(3-1-3)
系统的数字控制器为
= (3-1-4)
写成差分方程即为
(3-1-5)
令
,
,
得 (3-1-6)
式中 --第次采样时的偏差;
--第次采样时的偏差;
--第次采样时的偏差;
4 温度控制系统结构图及总述
图4.1温度控制系统结构图
图4.1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。
5 温度控制系统软件设计
5.1 Microchip PIC16F877A单片机温度控制系统软件结构图如图5.1.1所示。
图5.1.1单片机温度控制系统软件结构图
5.2 单片机控制流程图
图5.2.1单片机控制流程图
5.3 温度变换程序模块
温度传感器在12℃到60℃输出2.52V-1.02V,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0000000000B~1111111111B(0~5V),应用以下变换公式进行变换:
AX=A0+(AM-A0)(NX-N0)/(NM-N0)
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。
5.4 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5.4.1所示,分为以下几段:
当1.73V≤Ax<2.52V时,T℃=0.06*WN+12
当1.40V≤WN<1.73V时,T℃=0.03*WN+25
当1.24V≤WN<1.40V时,T℃=0.016*WN+40
当1.06V≤WN<1.24V时,T℃=0.018WN+50
表5.4.1 温度曲线实际测量数据
温度(℃) 12 13 14 15 16 17 18 电压(V) 2.52 2.48 2.47 2.44 2.40 2.39 2.37 温度(℃) 19 20 21 22 23 24 25 电压(V) 2.32 2.28 2.22 2.15 2.09 1.83 1.73 温度(℃) 26 27 28 29 30 31 32 电压(V) 1.70 1.66 1.64 1.61 1.58 1.56 1.54 温度(℃) 33 34 35 36 37 38 39 电压(V) 1.53 1.50 1.48 1.46 1.45 1.43 1.41 温度(℃) 40 41 42 43 44 45 46 电压(V) 1.40 1.38 1.37 1.35 1.32 1.30 1.29 温度(℃) 47 48 49 50 51 52 53 电压(V) 1.27 1.26 1.25 1.24 1.22 1.20 1.19 温度(℃) 54 55 56 57 58 59 60 电压(V) 1.17 1.16 1.12 1.11 1.09 1.07 1.06
图5-1
图5.4.1 温度分段线限等效图
6 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。
图6.1 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
6.1 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。
6.1.1 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
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