毕业设计（论文）-基于单片机的食品加工机温控系统

目录 引言 . 1 1 概况及现状分析 . 1 1.1概况 . 1 1.2温度测控技术的发展与现状分析 . 1 2 总体电路设计 . 3 2.1系统性能要求及特点 . 3 2.2系统硬件与软件方案分析 . 4 3.系统硬件设计 . 5 3.1系统硬件总体结构 . 5 3.2主控模块器件选型及设计 . 5 3.2.1单片机的选用及介绍 . 5 3.2.2主控模块设计 . 7 3.3输入通道设计 . 8 3.3.1 Ptl00温度传感器 . 8 3.3.2A/D转换 . 9 3.4输出通道设计 . 12 3.4.1电阻炉的功率调节方式 . 12 3.4.2可控硅输出电路 . 13 3.5串行通信接口电路 . 14 3.6电源电路 . 15 3.7硬件抗干扰系统 . 15 4 软件设计 . 16 4.1软件组成 . 16 4.2主程序模块 . 17 4.3数据采集模块 . 19 4.4显示处理模块 . 19 5控制方案 . 20 5.1PID控制的发展 . 20 5.2PID控制理论 . 21 5.3PID控制算法 . 22 6总结 . 24 参考文献： . 24 附件 1 . 26 附件 2 . 26 1 基于单片机的食品加工机温控系统 摘要：在食品加工中，需要对温控箱中的温度进行检测和控制。本文针对食品加工机温度控制的要求，设计了基于 AT89C52 单片机的食品加工机温度控制系统。该温度控制系统采用 Pt100温度传感器采集温度，通过 LED 显示器显示温度。硬件上充分考虑了抗干扰措施，软 件上用了PID 控制算法，并给出了硬件结构图与软件流程。本设计具有控制简单、方便和灵活性大、精度高等特点。 关键词：温度控制；单片机； PID 引言 单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，被广泛应用到食品加工机的控制中。使产品小型化、智能化，既提高了食品加工机的功能与质量，又降低了成本，简化了设计。 本文介绍了单片机在食品加工机温控系统中的应用。温度是生活及生产过程中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。在生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高 生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。 1所以在本文中提出了 PID控制，达到对温度的高精度控制。 1 概况及现状分析 1.1 概况 民以食为天 。 在食品加工过程中 温度是一个非常重要的 控制量。对于需要冷藏处理的食品温度达不到要求，食品就会腐败影响到食品安全；对于需要加热的食品，在加工初期温度过高会引起微生物繁殖、蛋白质变性；对于烘烤类食品温度过低会使加热时间过长，且达不到预期的口感，温度过高会使食品烤焦，甚至产生安全问题。所以对食品加工过程中温度的精确控制是至关重要的。 2在食品加工中要 对加热炉进行温度控制 。然而，用常规的控制方法，潜力是有限的，难以满足较高的性能要求。采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大的优点，而且可以大幅度提高被测温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。 3因此，单片机对温度的控制是 食品 生产中经常会遇到的控制问题 。同时 ,温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。然而，高精度温度控制的难度比较大，而且不同的应用环境也需要不同的控制策略。 1.2 温度测控技术的发展与现状分析 近年来，温度的检测在理论上发展比较成熟，但在实际 测量和控制中，如何保证快速实时地对温度进行采样，确保数据的正确传输，并能对所测温度场进行较精确的控制，仍然是目前需要解决的问题。 2 温度测控技术包括温度测量技术和温度控制技术两个方面。在温度的测量技术中，接触式测温发展较早，这种测量方法的优点是：简单、可靠、低廉、测量精度较高，一般能够测得真实温度；但由于检测元件热惯性的影响，响应时间较长，对热容量小的物体难以实现精确的测量，并且该方法不能用于超高温测量，难于测量运动物体的温度。另外的非接触式测温方法是通过对辐射能量的检测来实现温度测量的方法，其优点是：不破坏 被测温场，可以测量热容量小的物体，适于测量运动物体的温度，还可以测量区域的温度分布，响应速度较快。但也存在测量误差较大，仪表指示值一般仅代表物体表观温度，测温装置结构复杂，价格昂贵等缺点。因此，在实际的温度测量中，要根据具体的测量对象选择合适的测量方法，在满足测量精度要求的前提下尽量减少投入。 从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种： （ 1）定值开关控温法 所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制 。若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。 （ 2） PID线性控温法 这种控温方法是基于经典控制 理论中的调节器控制原理， PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于 PID 调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现 PID调节功能。前者称为模拟 PID调节器，后者称为数字 PID调节器。其中数字 PID调节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法 实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个 PID 参数（即比例值、积分值、微分值）。只要 PID 参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。但是，它的不足也恰恰在于此，当对象特性一旦发生改变，三个控制参数也必须相应地跟着改变，否则其控制品质就难以得到保证。 4 （ 3）智能温度控制法 为了克服 PID 线性控温法的弱点，人们相继提出了一系列自动调整 PI 参数的方法，如PID参数的自学习，自整定等等。并通过将智能控制与 PID控制相结合，从而实现温度的智能控制。智能控温法采用神经元网络和 模糊数学为理论基础，并适当加以专家系统来实现智能化。其中应用较多的有模糊控制、神经网络控制以及专家系统等。尤其是模糊控温法在实 3 际工程技术中得到了极为广泛的应用。目前已出现一种高精度模糊控制器，可以更好的模拟人的操作经验来改善控制性能，从理论上讲，可以完全消除稳态误差。 5所谓第三代智能温控仪表，就是指基于智能控温技术而研制的具有自适应 PID算法的温度控制仪表。 目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控 制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。 针对上述不足，本文以探索新的 PID自整定方法为目的，设计和开发一种新型电阻炉智能温度控制仪，以简化控制电路，提高系统运行的可靠性。 2 总体电路设计 2.1 系统性能要求及特点 在食品加工过程中，对于不同的原料不同的生产需求，需要采取不同的加工工艺。有的食品原料需要进行冷冻处理，有的食品原料需要进行加热处理。同时食品加工中的温度控制有动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是 使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化；恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一给定数值上，且要求其波动幅度 (即稳态误差 )不能超过某允许值。 6本文所讨论的基于单片机的食品加工机温度控制系统就是要实现对温控箱的恒值温度控制要求，故以下仅对恒值温度控制进行讨论。所以该系统的性能要求及特点如下： (1)系统性能要求： (a)可以人为方便地通过控制面板或 PC机设定控制期望的温度值，系统应能自动将温控箱加热至此设定温度值并能保持，直至重新设定为另一温度值，即能实现温度的自动控制； (b)能够实现对温控 箱温度的测量并且通过控制面板上的显示器显示出来； (c)具有自动加热保护功能的安全性要求。如果实际测得的温度值超过了系统要求的温度范围，就停止加热。 (d)系统可靠性高，不易出故障； (e)尽量采用典型、通用的器件，一旦损坏，易于在市场上买到同样零部件进行替换。 (f)模块化设计，安装拆卸简单，维修方便； (2)系统特点： 鉴于上述系统功能要求以及智能仪表应具有的体积小、成本低、功能强、抗干扰并尽可能达到更高精度的要求。本系统在硬件设计方面具有如下特点：控制主板采用 AT89C52作为核心芯片。作为与 MCS-51 系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任本系统的性能要求。 7根据温控箱测温范围的要求，本系统适合采用 Ptl00 铂电阻作为温度传感器，而 Ptl00铂电在大温度范围内测温时表现出的不可忽视的非线性不容忽视，因此在温度测量的过程中必须对铂电阻温度传感器的非线性进行优化，从而提高系统温度测量的 4 精确度。本文采用最小二乘法拟合的方法对铂电阻的非线性进行优化。 8为了简化系统硬件，控制量采用双向可控硅输出，这样就省去了 D/A 转换环节。整个系统遵循了冗余原则及以软代硬的原则，并尽可能选用典型、常 用、易替换的芯片和电路，为系统的开放性、标准化和模块化打下良好基础。 2.2 系统硬件与软件方案分析 食品加工机温度控制系统的硬件电路一般采用模拟电路 (Analog Circuit)和单片机(Microcontroller)两种形式。模拟控制电路的各控制环节一般由运算放大器、电压比较器、模拟集成电路以及电容、电阻等外围元器件组成。它的最大优点是系统响应速度快，能实现对系统的实时控制。根据计算机控制理论可知，数字控制系统的采样速率并非越快越好，它还取决于被控系统的响应特性。在系统中，由于温度的变化是一个相对缓慢 的过程，对温控系统的实时性要求不是很高，所以模拟电路的优势得不到体现。 9另外，模拟电路依靠元器件之间的电气关系来实现控制算法，很难实现复杂的控制算法。单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元 CPU(Central Processing Unit)、随机存取存储器 RAM(RandomAccess Memory)、只读存储 ROM(Readonly Memory)、定时 /计数器以及 I/O(Input/Output)输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上 的微型计算机，它的特点是：功能强大、运算速度快、体积小巧、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可移植性。 10另外，随着微电子技术和半导体工业的不断创新和发展，片上系统 SOC(System On Chip)得到了十足的发展。一些厂家根据系统功能的复杂程度，将这种 SOC芯片应用到先进的控制仪表中。 SOC芯片通常含有一个微处理器核 (CPU)，同时，它还含有多个外围特殊功能模块和一定规模的存储器 (RAMROM)，并且这种片上系统一般具有用户自定义接口模块，使得其功能非常强大，适用领域也非常广。它不仅能满足复杂的系统性能的需要，而且还使整个系统的电路紧凑，硬件结构简化。从实现复杂系统功能和简化硬件结构的角度出发， SOC是实现温度控制统的最佳选择，但目前市场上 SOC 的价格还比较昂贵，并且 SOC的封装形式几乎都采用贴片式封装，不利于实验电路板的搭建。从降低成本，器件供货渠道充足的角度看，应用单片机实现温度控制系统是比较经济实用的。目前，市面上单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。 AT89C52单片机是 ATMEL公司出品的与 MCS-51系列兼容的低电压、高性能 CMOS 8位单片机。 目前， MCS51单片机的开发主要用到两种语言：汇编语言和 C语言。与汇编语言相比，C语言具有以下的特点： (1)具有结构化控制语句结构化控制语言的显著特点是代码和数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护及调试； (2)适用范围大和可移植性好 5 同其他高级语言一样， C 语言不依赖于特定的 CPU，其源程序具有良好的可移植性。目前，主流的 CPU 和常见的 MCU 都有 C 编译器。加 之集成开发环境 KEIL 编译生成的代码效率很高 (仅比汇编语言生成的代码效率低 10 -15 )。所以，本系统的软件选择使用 C语言开发。 11由于整个系统软件比较复杂，为了便于编写、调试、修改和增删，系统程序的编制适合采用模块化的程序结构，故要整个控制系统软件由许多独立的小模块组成，它们之间通过软件接口连件结构。接，遵循模块内数据关系凑，模块间数据关系松散的原则，将各功能模块组织成模块化的软 3.系统硬件设计 3.1 系统硬件总体结构 本文所研究的温度控制系统硬件部分按功能大致可以分为以下几个部分： 单片机主控模 块、输入通道、输出通道等。硬件总体结构框图如图 3-1所示。由结构框图可见，温度控制系统以 AT89C52单片机为核心。温控箱的温度由 Ptl00 铂电阻温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，再通过 8位的 A/D转换 ADC0809转换成数字量。此数字量经过数字滤波之后，一方面将温控箱的温度通过控制面板上的显示器显示出来；另一方面将该温度值与设定的温度值进行比较，根据其偏差值的大小，采用 PID控制算法进行运算，最后通过控制双向可控硅控制周期内的通断占空比 (即控制温控箱加热平均功率的大小 )，进而达到对温控箱温度进行控制的 目的。 图 3-1 硬件总体框图 3.2 主控模块器件选型及设计 3.2.1 单片机的选用及介绍 针对一定的用途，恰当的选择所使用的单片机是十分重要的。对于明确的应用对象，选择功能过少的单片机无法完成控制任务；选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费，使产品的性能价格比下降。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有不同。时钟电路 A/D 转换 温度传感器 温控箱 加热部件 可控硅 A T 8 9 C 5 2 串行通信 显示电路 键盘电路 6 实际应用中，针对不同的需求要选择合适的单片机，选择单片机时要注意下几点： (1)单片机的基本性能参数，例如指令执行速度，程序存储器容量，中断能力及 I/O 口引脚数量等； (3)单片机的存储介质，对于程序存储器来说， Flash存储器和 OTP(一次性可编程 )存储器相比较，最好是选择 Flash存储器； (4)芯片的封装形式，如 DIP封装， PLCC封装及表面贴附封装等。选择 DIP封装在搭建实验电路时会更加方便一些； (2)单片机的增强功能，例如看门狗，双串口， RTC(实时时钟 )，EEPROM， CAN接口等； (5)芯片工作温度范围符合工业级、军品级还是商业级，如果设计户外产品，必须选用工业级芯 片； (6)单片机的工作电压范围，例如设计电视机遥控器时，使用 2 节干电池供电，至少选择的单片机能够在 1.8V-3.6V电压范围内工作； (7)单片机的抗干扰性能好； (8)编程器以及仿真器的价格，单片机开发是否支持高级语言以及编程环易学； (9)供货渠道是否畅通，价格是否低廉，是否具有良好的技术服务支持。 12 根据上面所述的原则，结合本系统实际情况综合考虑，本文讨论的温度控制系统选 ATMEL公司生产的 AT89C52单片机作为主控模块的核心芯片。 本系统选用 ATMEL 公司生产的 AT89系列单片机中的 AT89C52， AT89C52 单片机是新型的低功耗、高性能的 8位 CMOS微控制器，与工业标准 MCS-51指令系列和引脚全兼容。具有超强的三级加密功能，其片内闪电存储器 (FlashMemory)的编程与擦除完全用电实现，数据不易挥发，编程 /擦除速度快。 AT89C52单片机 DIP 封装的引脚如图 3-2所示。 AT89C52的主要特点有： (1)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器 EEPROM，容量 8KB，内部数据存储器容量 256字节，最大寻址空间 64KB； (2)三个 16位定时 /计数器； (3)可利用两根 I/O 口线作为 全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程设定； (4)内部 ROM中开辟了四个通用工作寄存器区，共 32个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的情况； (5)6个中断源，分为两个中断优先级，每个中断源优先级都是可编程的； (6)内部有一个由直接可位寻址组成的布尔处理机，在指令系统中包含了一个指令子集，专门用于对布尔处理机的各位进行各种布尔处理，特别适用于控制目的和解决逻辑问题； (7)AT89C52 的状态周期由晶体振荡器 2 分频后获得，作为芯片工作的基本时间单位，在采用 12MHz晶振时， AT89C52的状态周 期为 (2/12)*10-6=167ns。 13 AT89C52引脚如图 3-2所示： 7 图 3-2 AT89C52 引脚图 3.2.2 主控模块设计 主控模块电路由 AT89C52 单片机、复位电路、外部时钟电路组成。 （ 1） 复位电路： 单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出 RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。外部复位电路是为内部复位电路提供两个机器周期以上的电平而设计的。系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变， RST上的电压是 Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而 RST上 的电压与 Vcc上的电压相同。随着充电的进行，电容器上的电压不断上升， RST上的电压就随着下降， RST脚上只要保持 10ms 以上高电平，系统就会有效复位。电容 C 可取 10-33uF，电阻 R可取 1.2-10k 。在本系统设计中， C取 22uf,R取 4.7k ，充电时间常数为 22*10-6 *4.7*103=104ms。 （ 2）振荡电路： XTAL1脚和 XTAL2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶振或陶瓷晶振以及补偿电容 C1、 C2选 47uF构成并联谐振电路。当外接石英晶振时，电容 C1、C2选 30Pf 10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容 C1、 C2选 47uF 10uF。 AT89S52 系统中晶振可在 0 24MHz选择。外接电 C1、 C2的大小会影响振荡器频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机芯片，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。 在本硬件系统设计中，为保证串行通行波特率的误差，选择了 11.0592MHz 的标准石英晶振，电容 C1、 C2为 47uF。复位与时钟电路如图 3-3所示 ： 8 图 3-3 复位与时钟电路 3.3 输入 通道设计 系统输入通道的作用是将温控箱的温度 (非电量 )通过传感器电路转化为电量 (电压或电流 )输出，本系统就是将温度转化为电压的输出。由于此时的电量 (电压 )还是单片机所不能识别的模拟量，所以还需要进行 A/D转换，即将模拟的电量转化成与之对应的数字量，提供给单片机判断和控制。输入通道由传感器、 A/D 转换等电路组成。 3.3.1 Ptl00 温度传感器 温度传感器的种类比较繁杂，各种不同的温度传感器由于其构成材料、构成方式及测温原理的不同，使得其测量温度的范围、测量精度也各不相同。因此，在不同的应用场合，应选择不同 的温度传感器。 Ptl00 型铂电阻，在 -200到 850范围内是精度最高的温度传感器之一。与热电偶、热敏电阻相比较，铂的物理、化学性能都非常稳定，尤其是耐氧化能力很强，离散性很小，精度最高，灵敏度也较好。这些特点使得铂电阻温度传感器具有信号强、精度高、稳定性和复现性好的特点。 14由于在本系统中，测温范围较大 (在室温到 600之间 )，且要求检测精度高、稳定性好，因此选用 Ptl00 铂电阻作为本温度控制系统的温度传感器。 铂电阻温度传感器主要有两种类型：标准铂电阻温度传感器和工业铂电阻温度传感器。在测量精度方 面，工业铂电阻的测量稳定性和复现性一般不如标准铂电阻，这主要有两个方面的原因，其一是高温下金属铂与周围材料之间的扩散使其纯度受到污染，从而降低了铂电阻测温的复现性能，其二是因为高温条件下的应力退火影响了其复现性能。但是标准铂电阻温度传感器也存在价格昂贵，维护起来较为困难等缺点。考虑到成本，故在本系统中采用工业级 Ptl00铂电阻作为温度传感器。 铂电阻测温电路的工作方式一般分为恒压方式和恒流方式两种。按照接线方式的不同又 9 可以分为二线制、三线制和四线制几种。本系统采用的是恒流四线制接法对 Ptl00铂电阻进行采样 。铂电阻温度传感器采样电路将温控箱的温度转化为电压输出。采用恒流四线制接法的测温电路中需要用到一个稳定的基准电压源。 15本系统采用精密基准电压源 LM399H 产生基准电压，图中参考电压 EP即来自 LM399H。基准电压源电路如图 3-4 所示。 LM399H是内置恒温槽高精度基准电压源，输出电压 6.9999V。它是迄今为止同类产品中温度系数最低的器件，内部有恒温电路，保证了器件的长期稳定性。本系统中基准电压源产生的电压不仅提供给铂电阻采样电路而且还提供给 A/D转换电路使用。 图 3-4 基准电压源电路 铂电阻 温度传感器是利用其电阻值随温度的变化而变化这一特性进行温度测量的，根据IEC(International Electrician Committee)标准 751-1983： )100(1 320t ttCBtAtRR （ -200 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit st=P2-2; sbit oe=P2-1; sbit eoc=P2-0; uchar codetab=0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09; uchar codetd=0x00,0x10,0x20,0x30,0x40,0x50,0x60,0x70; uint ad_0809,ad_data1,ad_data2,ad_data3,ad_data0; uchar m,number; uchar x8; void delaynms(uint x); void display(); void adc0809(); void key(); mai