基于单片机的多功能气调干燥机设计综述

1、哈尔滨学院本科毕业论文（设计）题目： 基于单片机的多功能气调干燥机设计院（系）：工学院专业：电子信息工程年级：2008 级姓名：田博学号：08042218指导教师：雷冬飞职称：讲师2012年5月8日哈尔滨学院本科毕业论文（设计）目录摘要 1abstract 2前言 3第一章干燥实验设备总体设计 51.1 qtm干燥机设备主要结构 61.2 工作原理 61.2. 1热泵干燥节能原理 61.2.2 定量气体循环除湿与温度、湿度控制系统 71.2.3 气体成分和压力控制系统 81.2.4 智能测控系统 8第二章智能控制策略研究 102. 1基本结构 112. 2模糊化 122.1 3模糊规则、模糊关

2、系和模糊推理 122.4 清晰化 132.5 程序段 142.6 实验结果分析 15第三章 qtm下位机测控系统 163. 1主要要求 163.2单片机系统 163. 2. 1前端放大输入通道 173. 2. 2主板机（原理图见附录） 203. 2. 3输出通道与pwm方法实现模糊控制量的输出 263. 3小结 28第四章 pc机系统管理模块 294. 1程序设计目的 295. 2程序功能介绍 29结论 30参考文献 31附录 32后 记 33哈尔滨学院本科毕业论文（设计）摘要当前食品加工技术的一个重要发展趋势是最大限度地保持食品的营养和色香味，而干燥工艺和设备的选择对食品产品的营养、色香味有

3、很大影响。同时干燥过程的节能是涉及面广的长远课题，研究开发新型高效节能的农产品干燥工艺和设备是一项重要的任务。自我国加入wto组织以来，农产品出口面临激烈的国际市场竞争以及人们对食品安全的关注，农产品出口面对西方国家设置的“绿色壁垒”，改进农产品加工方法、提高干制品品质、研制新型节能的干燥设备，就成了本课题研究的内容。本文介绍了本课题组研制的气调干燥试验设备。该设备以物理方法（降氧）取代化学方法实现提高干制品品质的目的，并利用内循环热泵节能除湿原理降低了干燥过程的能耗。本文研制了一整套的智能测控系统，保证干燥过程中干燥室的温度、湿度、氧含量等的稳定与均匀，并初步完成对干燥物料机理与干燥工艺的分

4、析与优化选择的处理软件。系统的智能测控由上下位机实现，下位机可单独工作。下位机采用mcs-51单片机，实现对设备环境参数的采集、处理、显示、设置与模糊控制。上位机管理软件由vb6.0程序实现，完成环境数据的存储、数字曲线图表显示、在线监测控制与最终数据的分析处理，建立专家知识库等功能。最后通过茶试验，表明气调干燥对茶叶品质的提高具有显著影响，并得到制作绿茶的最优因素条件杀青时间为9 min、氧含量为9%、气体温度60c,和相应的回归方程。关键词：气调干燥设备，热泵干燥，模糊控制，上下位机测控系统，茶试验1哈尔滨学院本科毕业论文（设计）abstractdrying as a part of a

5、food process must follow the fundamental requirements of food production. these concern nutritional and sensorial aspects, traceability and food safety, and also minimizing processeslosses, saving energy and water, reducing risks of pollution, etc. technological trends in drying may be summarized in

6、 different complementary directions, all of them oriented towards improvement of final quality of products.in this paper, to try to save energy of drying procedure, heat pump drying was used and to try to improve the quality of the dried product, oxygen content was deduced in a controlled atmosphere

7、 during the drying process.the paper was introduced micro-controller application on automatic control food dryer, realized communication between single chip micro-controller and computer. a control system based on fuzzy logic was used and visual basic for applications offers a powerful object-orient

8、ed programming language in order to build an appropriate graphic interface.the software of on-line measurement and intelligent prediction control of the drying process has functions of input of the initial parameters of the food, system setup, running and controlling, data inquiring, output and help

9、, and so on. it makes use of a database to manage data measuring, displays all the mentioned parameters and their changing trend synchronously. it can trace back the history data inquired and print a report for manager.finally, after several experiments of drying green tea, the paper shows the resul

10、ts of the best conditions of making green tea and its regression equation.key words: heat pump food dryer, gas measurement fuzzy logic control, singlechip and pc controller on-line measurement7刖 日食品干燥是去除物料水分的操作过程。在发达工业国家干燥的能耗要超过能耗总量的 10%在我国干燥加工在加工业中所占比例不断上升，特别是在农产品加工方面.由于农产品产后易腐烂变质，往往导致农民增产不增收，而干制加工

11、很好地解决了这个问题。干制 加工可快捷处理大批量种植业、养殖业产品，形成轻便可长期保存的商品，己成为各种农 产品产后处理极其重要的手段。以食用菌为例，其干制品占商品总量70%z上。自我国加入wto组织后，农产品出口面临激烈的国际市场竞争。要改变近年来我国农产品出口过 分依赖近邻日本的现象，大力开拓欧美市场势在必行。因干制品具有保质期长、便于贮运、 远销的特点，所以在新形势下努力提高农产品干制技术和设备已成为业内人士的共识。为 此，许多学者围绕着节能和提高千制品质量两个问题进行了大量的研究.o真空冷冻干燥是在高真空状态下（小于609. 3pa ）,使物料中的水冻结成冰然后升华 成汽实现脱水。因整

12、个干燥过程要在低温下进行，有效地防止热敏性物质的氧化变性，获 得色泽保真、有效成份损失少、性味浓厚的理想干燥产品。有实验表明，晒干的鲜菜其叶 绿素、维生素等营养成分仅剩 3%阴干则可保留17%热风快速干燥可保留40%微波干 燥可保留60%90%真空冷冻干燥可保留97%真空冷冻干燥技术被国内认为是生产高品 质脱水食品的最好的加l方法。因此，冻干食品在国际市场的价格是热风干燥食品的46倍，且产量以每年30%勺速度递增，正成为国际贸易的大宗食品。目前，美国冻干食品发 展最快，可占其干燥方便食品的 40% 50%傅年消费冻干食品500万吨，日本160万吨， 法国150万吨，其它国家数量也很可观。冻干食

13、品的国际市场很大。我国冻干从20世纪60年代后期开始，70年代中进口设备，但因其效益不佳而停产， 80年代有较大发展，引 进生产线。冻干设备初期投资费用大，生产费用也高，干燥费用为普通干燥方法的25倍。 川由于真空冷冻干燥与其它工艺相比，设备昂贵，加工成本高，一次性投资太大，所以一 般应用到高档产品中。热风干燥因其设备成本低被广泛应用，它目前仍在我国占主导地位。传统的热风干燥 设备是以不断吸入新鲜空气，经加热后形成热风通过干燥室，携带走干燥室物料的水分， 形成高温、高湿的废气由排气口排出的方式实现干燥的。由于不断有高温废气排出所以设 备能量损耗大；又由于不断吸入新鲜的含有大量氧气成份的空气容易

14、对干制物料的营养物 质、色泽和香气造成不同程度的破坏和损失，例如由于在干燥中氧气的存在，食用菌、果 蔬等产品容易导致酶促褐变，肉制品、海产品容易导致脂肪氧化等，所以热风干燥的干制 品的质量相对较差。为此，国内外学者进行了大斌的研究。在节能方面的研究主要是回流部分高温废气的回收利用。研究集中在对进入干操室的 热风配比中进行高温、高湿与低温低湿之间优化选择。但即使得到了最优的选择，仍有大 量高温气体排出，热量的利用率仍不高。在提高干制品质量方面主要是针对不同产品进行温度、风速等参数优选，同时，还研 究各种不同的抗氧化剂以达到一定的护色效果。但是，随着人们生活水平的提高，人们越 来越重视食品的安全。

15、面对化学添加剂因其负面影响而倍受质疑和西方国家在农产品出口 方面设置的“绿色壁垒”，以物理方法取代化学方法抗氧化护色己成为国际研究潮流。我国部分学者曾采用对传统热风干燥设备不断充氮气方法对一些农产品进行干燥试 验。结果表明，此法在护色等方面达到一定效果。但是由于在整个干燥过程必须连续不断 输入氮气，造成极大的能量消耗，所以无法在生产上实施，也不能进行系统实验。本课题改变热风干燥不断吸进新鲜空气排出高温废气的传统模式，以定量气体为载热 体和载湿体，在干燥系统内循环除湿，这样避免了高温气体排出，同时采用了热泵节能原 理，进一步节约能耗。另一方面，对定量气体进行成份调节，降低氧气含量以切断氧化源、

16、从而抑制干制过程酶促褐变和脂肪氧化。止匕外，对定量气体的温度、湿度、风速、气体成 份等状态参数进行微机控制和在线数据分析，研制智能化qtm干燥试验机。以期在节能和物理方法抗氧化提高产品质量方面实现创新，并为各种农产品干制试验和分析提供多功 能的试验装置。第一章干燥实验设备总体设计在线显示与数据分析处理。下位机用mcs-51单片机采集设备环境参数值并根据用户 设定值对环境状态进行有效的调节与控制，同时将数据送上位机实现以友好的界面进行数 据存储、曲线图表显示、在线监测控制、数据分析与处理及建立专家知识库等功能。实验 设备的设计关键是实现干燥工程中气体成份的有效调节、扩大状态参数测试范围、提高测

17、试精度和操作的简便性、以满足农产品和状态参数优选的要求。它包括机械设计部分和智能测控系统设计。机械设计部分改变热风干燥设备不断吸入 新鲜气体排出高温废气的传统模式，实现能在较大范围控制干燥室温度、湿度、风速等状 态参数。智能测控系统部分实现提高状态参数的精度、控制的稳定性及操作的简便性。通 过上下位机实现数据采集、环境控制。1. 1 qtm干燥机设备主要结构1f锲南己物网架 3尊风板 4作成份测定传鸠器 5温程度则定代博耦6内冷波器 9内德发署 10辅助加热器13七港曙14过活器15外冷於器】8外蒸发器 19泞算机控制系统 2。变版器图1-1气调干燥设备结构图qtm干燥机主要构造如图1-1所示

18、。压缩机高压端通过管道与 2个并联且分置于密 闭箱体内和箱体外的冷凝器连接，再经过储液罐、过滤器、膨胀阀与2个并联且分置于箱内和箱外的蒸发器连结，然后经总管道回到压缩机低压端。各冷凝器、蒸发器管道上都配 有电磁控制管道开通和截止。采用真空泵和储气罐对密闭箱内气体压力和成份进行调节， 单片机系统通过各种传感器，ad转换器或vf转换器得到干燥室温度、湿度、气体成份和 物料重量等，通过一定的控制策略控制各个电磁闸对应的蒸发器、冷凝器的开通与关闭， 并通过变频器控制压缩机转速。从而有效控制干制过程气体成份和温度、湿度等状态参数。单片机系统将所得数据根据上位机要求发送到 pc机。pc机将这些数据储存、画

19、实时动态 曲线，并以友好界面为用户提供设置功能、对数据进行线性回归分析，用户可以输入正交 试验情况实现方差分析等数据处理功能。根据分析结果得到干燥物料的最优参数，pc机将 这些数据存入专家知识数据库中，以备用户查找。1. 2工作原理1.1.1 热泵干燥节能原理热泵干燥装置及其工作原理如图 1-2所示，主要由热泵和干燥两大系统组成。热泵主 要由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀等组成的闭路循环系统。热泵系统内的工作介质， 首先在蒸发器中吸收来自干燥过程排放废气中的热量后，由液体蒸发为蒸汽；经压缩机后 送到冷凝器中；在高压下热泵工质冷凝液化，放出高温的冷凝热去加热来自蒸发器的降温 去湿的低温干空气，把

20、低温干空气加热到要求的温度后进入干燥室内作为干燥介质循环使 用；液化后的热泵工质经膨胀阀再次返回到蒸发器内，如此循环下去。最终废气中的大部 分水蒸气中被冷凝下来直接排掉。高温热空气低ss废气1冷凝帮工2压缩机手3蒸发*8 4膨藤阀图1-2热泵干燥设备的工作原理示意图根据热力学第一定律，图1-2中循环流动的热泵介质吸收的热量 q吸应等于放出的热量q放。q吸由两部分组成，其一是压缩机做功和压缩机循环介质做功所产生的热量q1, 其二是蒸发器吸收干燥室中高温气体的热量 q2,即q吸=q1+q2.又因为q放=q吸，所 以q放 q1,即放出的热量大于压缩机压缩介质产生的热量，输入较小的电能驱动压缩 机，就

21、可产生较大热能，以达到节能的目的。1.1.2 定量气体循环除湿与温度、湿度控制系统实现干制过程等量气体的循环降湿进行精确的气体成份控制与分析的基础，经试验证 明单纯依靠变频调节压缩机转速，难以同时达到全封闭干燥室温度、湿度进行独立控制的 目的，所以采用了双冷凝和双蒸发热泵结构， 开关不同电磁闸，形成加速升温、升温除湿、 恒温除湿、快速除湿和降温五种组合操作。如图1-3所示。图1-3热泵干燥设备的控制结构状态1:加速升温。开启电磁闸3和电磁闸1启动冷凝器1 （内冷凝器）和蒸发器2 （外冷凝器），其余电磁闸均为关闭状态。由于冷凝器 1单独在试验装置中加热，未使用 蒸发器1,没有低温端的工作，所以在

22、热泵循环系统中，起单纯加热作用；又由于压缩机 除了介质产生热量外，还吸收室外热量一同从内冷凝器放出，所以升温速度快。状态2:升温除湿。在快速升温状态的基础上，开启电磁闸2及其控制的蒸发器1 （内 冷凝器），此时，设备内蒸发器1与冷凝器1共同工作形成内循环除湿系统；同时外部蒸 发器2也同时开启，与蒸发器1形成两个蒸发器推动一个冷凝器，蒸发器 2在外部环境中 热能与蒸发器2吸收的热能共同在冷凝器1上释放，这样使热泵在脱水状态下也能保持较哈尔滨学院本科毕业论文（设计）哈尔滨学院本科毕业论文（设计） 快的升温速度。状态3:恒温除湿。当实验装置中的温度升到试验预先的设定要求的温度时，关闭电 磁闸1及其控

23、制的蒸发器2,由蒸发器1和冷凝器1实现内循环恒温除湿。状态4:快速除湿。当发现试验装置中湿度高于设定指标时，在恒温除湿的基础上， 开启电磁闸4及其控制的冷凝器2 （外冷凝器），形成双冷凝器对单蒸发器，两台冷凝器同 时发热，只有内蒸发器吸收热量，所以蒸发器 1比恒温除湿状态时吸收的热量大，除湿量 也相应增大，达到加速除湿的上限，使试验装置中的湿度保持在预先设定的范围内。状态5:降温。关闭电磁闸3及控制的冷凝器1,开启电磁闸4及其控制的冷凝器2, 让蒸发器1单独工作起制冷作用，达到降温的目的。见图。在封闭的干燥室内，一定的温 度、湿度情况下，当压缩机转速恒定，从状态 1至状态5热泵系统冷凝器8放出

24、热量q1 递减，而蒸发器9吸收的热量q2递增。气体从吸入蒸发器9到通过冷凝器8过程中热能 变化q=q1- q2。q越大，通过物料架气体温度上升度越快；从状态1至状态5, q递减，所以气体升温速度递减。在一定温度、湿度状态下干燥室内除湿能力主要决定于蒸发器吸 收的热量q2,当压缩机转速恒定时，从状态 1至状态5, q2递增，所以除湿能力随之递 增。通过对上述5种状态的选择与变频调节压缩机转速相结合，必要时开启电阻式辅助加 热器10,实现对于干燥室温度、湿度的控制。在实验基础上，对各冷凝器和蒸发器面积进 行优化配置，并对热泵混合工质进行优选。控制方面设置的辅助加热装置与热泵系统的物种状态相配合，达

25、到脱水过程温度与湿度的有效控制。只有当热泵系统不能同时满足湿度和温度要求的情况下，才启动辅助加热 装置。1.1.3 气体成分和压力控制系统图1-1中，真空泵6与气调装置7为系统内定气体的压力和气体成份控制装置。在试验室工作时，气调装置分别充满 2种气体的储气罐通过各自出气管、气体流量调节阀与干 燥室连接，真空泵采用电磁阀控制开和关，干燥室气体流速采用3档控制风机转速调节。1.1.4 智能测控系统智能测控系统是有上下位机构成， 其结构如图1-4所示。下位机单片机系统可以独立 完成参数的采集送显、设置与控制，并将所得各种数据发送到上位机pc。pc提供友好界面将这些数据存储、送显，画面时动态曲线图，

26、并为用户提供设置功能传送下位机、同时 对数据进行线性回归分析，用户可以输入正交试验情况pc机实现方差分析等数据处理功能。根据分析结果得到干燥物料的最优参数，pc机将这些数据存入已建立的专家知识数据9库中。控制过程采用fuzzy控制相结合的万法，其控制量以 pwm的形式输出串行ada t 8 9 c 5e5prommax232光电隔s模块日日日日酸码显示pc机图1-4 qtm智能测控系统哈尔滨学院本科毕业论文(设计)第二章智能控制策略研究干燥器操作过程的控制是干燥研究中常被忽略的方面，具进展明显落后于干燥器本身 的发展。目前干燥器的控制系统有手动控制、反馈控制、前馈控制和前馈-反馈控制、模型控制

27、、智能控制。手动控制是最基本的控制方式，是各种自动控制由于计算机工作量较 大，其控制系统的成本均比较高。人工智能控制就是以无模型为特征的更接近于人脑思维 方式的一种控制理论，它是含有复杂性、不确定性和模糊性且一般不存在已知算法的非传 统数学公式化过程，具优点是控制器的设计摆脱了系统模型的束缚，算法简单，鲁棒性强。在过去20年中，一般而言在工业干燥器的设计方面获得的经验己相当可观，包括干 燥器的模型化和控制。但对干燥机理微观水平的理解却仍处于初始阶段。从某种意义上说 “干燥”的模型化仍然是一个复杂而困难的任务。其主要原因如下：(1)干燥过程的复杂性，反映为系统的非线性和时变性。(2)某些干燥物料

28、质量指标难以直接测量(如食品的颜色和气味)，其他测里结果不准 确，不可靠等等。(3)建立干燥系统模型常常是近似的，忽略了很多因素，而且建立模型要花费大量精 力.有时甚至是不可能。(4)控制量和被控制量不止一个，互相之间存在错综复杂的影响关系，各被控制量的 最佳值也会存在相互制约的因素，难以寻求最优的控制方案。(5)成本高.如自适应控制系统。为解决这些困难，需要新思路，即模仿人类大脑思维 方式的智能控制。传统的控制理论和方法，均需建立被控对象的精确数学模型，在进行定 量分析的基础上作出决策；而智能控制可估计数量关系进行决策，将已有的知识进行综合、 推理，处理未知的因素，预测将要发生的事。智能控制

29、用于过程控制的主要有三种控制算 法，它们是模糊控制、专家控制、和神经网络控制.根据干燥过程控制的上述困难，决定采用模糊控制策略。“当系统的复杂性增长时，我们对系统做出精确而又有意义的描述能 力将相应降低，直到达到这样一个阐值，一旦超过它，精确性和有意义将变成这样两个相 互排斥的特性”(模糊数学创始人l. a. zadeh )。而模糊控制就为控制的精确性降低而 又使控制仍具有实际意义提供了桥梁。近年来，模糊控制在许多控制应用中都得到了成功，模糊控制不需要了解系统的数学 模型，对于食品干燥的自动控制系统中，模糊控制就成了较好的选择。以单片机为核心的 模糊控制器将模糊逻辑语言控制策略变为有效的自动控

30、制策略。在数字单片机上用模糊控 制方式取代原来传统控制方式，根据模糊控制算法编制软件程序来实现对食品干燥过程的哈尔滨学院本科毕业论文（设计）模糊控制本系统控制参数有温度、湿度、氧含量、风速等。为保证干燥室内有均匀稳定的温度 分布和气体成份，对干燥室温度和气体成份调节采用模糊控制。设计一个模糊控制系统的 关键是设计模糊控制器，而设计一个模糊控制器就需要选择模糊控制器的结构，选取模糊 规则，确定模糊化和清晰化方法，确定模糊控制器的参数，编写模糊控制算法程序。以本系统温度控制为例，温度值是两路传感器测得的 平均值，并采用一组可控硅控制电阻丝加热。2. 1基本结构为提高控制精度采用双输入单输出形式，其

31、原理如图2-1所示.两输入为采集温度值与设定温度值的偏差e及偏差的变化ec,单输出为控制通过加热装置的电流的可控硅导通 角的变化量。x度设定一 麦化率（1期化工控制覆粗蛆碍 r采ik温度值图2-1模糊控制系统逻辑图nm ns zo ps pm pb 1图2- 2语言变量e、ec的梯形隶属度函数图2-3语言变量u的单值隶属度函数2.2模糊化模糊化过程即设置输入输出变量的论域 x, y, z,并预置相应的比例因子 入、%、为。 根据反复试验总结的经验及相关的资料查询，取误差 比-9,9误差变化ec三-6产6,控 制量 u 乏卜6,6,1=3, m=3,n=3则依公式得: ae = 9 = 1/3，

32、% = m/6 = 2a = n/6 =1/2这样就有e =ae ,e,ec =% *ec，u =1 ,u(2-1)采用就近取整原则，得e的论域为x=-32，一1，0，+1，+23,为e选取的i言值a: nb, nm, ns, z0, ps, pm, pb。同理，得ec的论域y=x ,语言值b1 = a : u的论域z=x ,语言值ci = a。关于误差 论域x中的每一个模糊集a如图2-2所示。误差变化的论域y中的每一个模糊集bj,与a 相同。为计算简单起见，控制量的论域y中的每一个模糊集ck,由单值隶属度函数定义，如 图2- 3所示。2. 3模糊规则、模糊关系和模糊推理基于对操作者手动策略的

33、总结，得出一组由49条模糊条件语句构成的控制规则，将这些模糊条件语句加以归纳，可以建立反映电阻丝温度控制的模糊控制规则表。如表 2-4 所示。图2-4输出u的模糊控制规则表nl j1nmnsz0pspmplnlnlnlnmnmnsnszonmnlnmnmnsns20psnsnmnmnsr nszopspsz0nmnsnszopspspmpsnsnsz0pspspmpmpmnsz0pspspmpmplplz0 1pspspmpm )plpl模糊控制规则表2-4包含的每一条模糊条件语句都决定一个模糊关系。其中第m条模糊规则凡可表述为f (ae e) is ami and (ac ec) is bm

34、jthen(au u) iscmk m = 1,249(2-2)其中，ami、bmj、cmk分别表示第m条的e, ec, u的值。通过对模糊关系的合成运算，可获取表征电阻丝加热设备温度模糊控制的总模糊关 系，进而得到控制量u。图2- 5模糊控制量查询表e/ae凸-2-i0!23-33332110-2322211 0-1- 132_110-102210-1-221110-1*!_-2-3210-1-2-2-2-330-1-1-2-3-3am条模糊控制规2.4清晰化采用前述乘积推理，重心法解模糊算法，可求得实际输出控制量。由 则推理得到的输出模糊集合隶属度函数为%k(u) = %(e)，%j(ec

35、)(2-3)解模糊后得到精确控制量输出：491、ucmi(u)ciu = 9 (2-4):u、ucmi(u)i 12.5 程序段ro为偏差e, r1得到表格的偏移值,为偏差变化ec,把它们分别转换成表格的列序号与行序号，最后查表得相应的控制量。fuzzy:mov a, r0add a, #03hmov r0, amov a, r1add a, #03hmov b, #07mul abadd a, r0mov dptr, tabimov a,a+dptrret2.6 实验结果分析采用上述模糊策略在线调试后，实验结果如图 2-6所示。说明其具有较好的稳定性。图2-6温度模糊控制效果设定但15哈尔滨

36、学院本科毕业论文(设计)第三章 qtm下位机测控系统3. 1 主要要求本项目共设8个检测点：2路温度(0-85c ),1路湿度(0-100%), 1路重量，1路气体成份，1路风速(1-5*3):至少四个键位：设置/取消键，增值键，减值键，确认键；至少四 个数码显示；12路光隅隔离控制输出；一个e2prom用于存储设置值及模糊控制规则表：一 个与pc机通讯的端口 ：而且要求可扩展如增加键位，增加控制口 .这样线要求较多，因 单片机口线有限，所以采集、显示、键位等设计全采用用方式。功能要求：(1)实时控制与检测每个参数，并显示；(2)独立工作能力及具有与上位机通信能力；(3)允许用户进行多方位的设

37、置，并存储设置值，交互性强；(4)要求具有自诊断实时检测各通道是否正常，并做数据纠错的自动处理的功能。 (5)具有较快速平滑的控制能力。3. 2单片机系统本系统的单片机采用 atmel公司的89c51,片内有128byte的ram , 4kb的eeprom。 由于合理安排使用片内ram空间，所以没有扩展片外ram.为尽可能简化单片机电路， 少占用cpu的i/0 口线，键盘、显示及ad都采用串口方式.又由于设备干燥环境根据用 户需要设置，断电或重启后这些设置值要求保存下来， 所以使用一片eeprom。这样89c51 的p1. 0-p1. 3用于键盘、显示与串口 ad转换，p3. 0-p3. 5用

38、于上下位机通信与重量 传感器的v/f转换，p0. 0-p0. 3与eeprom相连，剩下的po 口线与p2 口线用于控制 输出和扩展需要。其组成见图2-4所示。单片机需要实现多路数据采集转换、键盘参数设置、各通道值数码显示、多路输出控 制及与pc机相互通信等功能。其程序流程图如图 3-1,图3-2所示。通信与v/f采用中 断方式。ad转换、键处理与数值显示采用循环方式。#哈尔滨学院本科毕业论文（设计）（开始）状态参数初始化采集1路值过滤环境控制键扫描处理中断人口退出中新处理程序图3-1下位机主程序流程图3. 2. 1前端放大输入通道图3-2下位机通信终端流程图19前端放大输入通道实现将各路传感

39、器信号转换到串口ad或89c51.它由2路温度、1路湿度、1路氧含量、与1路重量转换电路组成。（1）温度转换电路2路温度传感器采用max6610. max6610是一种全新的低功耗、精密型、模拟型温 度传感器，带有集成的电压基准。该器件所提供的基准电压和温度斜率使adc的输出编码非常简便直观。一个8位adc的最低有效位（lsb）等于1c,而一个10位adc的lsb 等于0. 25co这些器件采用小巧的 sot23封装。max6610采用一种专有设计实现了低 温度偏差的基准源。工作于 3v至5. 5v,含有一个2. 560v的电压基准。max6610输出 线性关系好。（2）湿度转换电路相对湿度传

40、感器采用北京鑫诺金电子科技发展有限公司生产的hih-3602- l。它具有6 针to-39金属封装、精度2%, 200ua驱动电流、30秒快速反应的特点。可抵御氯气、氨 水和其他有机溶剂的蒸汽和凝结液体，线性的电压输出可使传感器直接与控制器等相连， 无需维修和标定。(3)氧含量转换电路氧变送器采用成都康达电子有限公司的by-84h氧变送器，其特性如表3-3所示，输出电流与氧含量的计算公式为：o2%=(i 4)/16x24+1%(3-1)(0%:百分氧含量；i: 4- 20ma输出电流；)所以只需接上儿个电阻，就可以将电压直接送入ad转换器。图3-3氧变送器参数输出方式(ma)4-20测量范围(

41、她)1-23准确度(，fs)0.5重且性(%fs)0.02响应时间28稳定时间(min)10(4)重量转换电路重量传感器是由西安中星测控有限公司生产的，其量程为03000g。因为用用口 8位ad无法满足系统的精度要求，而12位以上的a/d转换器的价格较昂贵，所以本系统用 v/f变换器lm331来代替a/d转换器。lmx31系列器件是一种性能价格比较高的集成芯 片,很适于用做a/d转换器、精密频率/电压转换器等其它功能电路。lm331外围电路简 单、可单电源供电、低功耗的集成电路。具动态范围宽达100db,工作频率低到0. 1hz时尚有较好的线性度，数字分辨率达 12位。lm331可工作在4.0

42、v-40v之间，输出可高 达40v,而且可以防止vcc短路。本系统中lm331与系统接口电路如图3-4所示。lm331 构成的是一个基本转换电路，图中 2脚的电阻rs是用来调节lm331的增益偏差，以校正 输出频率，7脚增加了由r1,c1组成的低通滤波电路，以提高精度。lm331将输出的频率信号变成ttl电平送给单片机的p3. 2 口作为计数脉冲。输入 电压与输出频率的关系可用下式表示：(3-2)fout =vinrs /(2.09 rl rt , rc)经计算调节，当输入电压为0.04. 5v时(0. 5v作为零点浮动)，输出频率为:03000hz（己减去零点飘移），可见整个电路在重量为03

43、000g变化时，数码管显示数是与 之一一对应的03000,使用和读数都非常方便。图3-4 lm331与系统接口电路采用to为定时器，into为十六位计数器实现重量与频率的转换。其中断程序如下； into为计数器intocount:inc countermov a,countercjne a,# 0, nocarryinc counter+1nocarry:reti; t0为定时器totimer :movtho,# high( timeconst)movtlo ,# low(timeconst)djnz seci,tooutmovsec1,# 10clr exo哈尔滨学院本科毕业论文（设计）mo

44、vflow, countermovfhigh, counter+1movcounter,# 0movcounter+1,# 0setb finish;setb exotoout:reti3. 2. 2主板机（原理图见附录）对于干燥箱系统，数据采样频率及精度要求不是很高，所以采用 8位串行ad多路分 时采集单端输入结构。除重量各路传感器所得信号根据需要放大转换送主板。主板主要由 ad转换、vf转换、显示、键盘、e2eprom、通信等电路组成。（1） ad 转换与 tlc0838tlc0838是ti公司生产的用口模数转换器，它具有 8位8路模拟输入通道或4路差 分模拟输入通道，采用外部基准源。其引

45、脚排列如图3- 5所示。由于是8位串行输入结构，能够节省89c51的i/0资源，价格适中。与cpu相连只须 4根（也可3根）口线就能实现数据采集与转换。tlg0838与89c51连接电路如图3-6所示, 其地址控制逻辑值如表3-7所示。ch0cw1ch2ch316chsch7匚ccm匚cgnd 匚10ii口 vcc入与 n d】clk 口 saks 口 do 口 se 口幽 二1* gnd89051（di与00也可同接一旁通道以中的cpu小脚）图3-5 tlc0838引脚图图3- 6 tlc0838与89c51连接图图3-7 tlc0838地址控制逻辑表mux addressselected

46、channel number1 select0123l/ulji t * blumsgl/difch ch ch ch ch ch ch ch 1n1001234567l11 ll+ -l与lh+ llhl+ l1 lhh+mlhll- 十lalh l- hhl* +lhhh +h |lll-hllh+.h1lhl.hl |hh*hhll+.hlh+h爨hl1+.hhhh通道中的干扰，可以用数字滤波的方法与予削弱或滤除。仅用算术平均值法不易消除 由于脉冲千扰而引起的采样值偏差，而中值滤波法由于采样点数的限制，其应用范围缩小 了。如果将这两种方法合二为一，即先用中值滤波原理滤除由于脉冲干扰引起误

47、差的采样 值，然后把剩下的采样值进行算术平均就可引用出防脉冲干扰平均值法。这种方法兼容两 者的优点，提高了检测质量。本系统用此方法，连续采样 16次，通过计算、排序，滤去最大值和最小值，再对剩 下的14个数求平均值，送显示及上位机。21操作tlco838的部分程序:clt ichn:acail ado838acai! sei dataacalladd4:sub3：movjb setbadd ajmp dr dr subbdisplay a.conaddr cnsnub3sncna#2ghoutcncnsnoutcn:outcltmovcjnemovichn: ret采集某通道数据16个数据滤波

48、数据转换数据送显ca,#i8h conaddr,aa#0d8h,clt ichn co naddr,#conword换卜一个通道(2) eeprom与 x204523e2prom采用带有pp监控及看门狗电路的x2045来保存环境参数的设置值（湿度、控制方式、时间）。xicor公司提供的x2045 e2prom芯片，把看门狗定时器、工作电压监控和 e2prom三功能组合在一个封装内，并采用三线总线用行外设接口 （spi）和软件协议，降低了系统成本，提高了系统的工作可靠性，非常适合于现场修改数据的场合。在应用中，对存储阵列 的读写、看门狗定时器的设置通过芯片要求的指令来完成。x2045与89c51

49、的连接如图3- 8所示。89c51图3- 8 x2045与89c51的连接图在对x2045进行的操作有：复位看门狗子程序、写操作忙标志查询子程序、复位“写哈尔滨学院本科毕业论文(设计) 使能”子程序、置位“写使能”子程序、写状态寄存器子程序、读状态寄存器子程序、字 节读出子程序、字节写入子程序、单字节数据写入子程序、单字节数据读出子程序等。通 过需要调用各种子程序实现数据的读出与写入。(3)键盘显示模块与 mc14499为节约工/0 口线，使设计出的系统最小、最优，就选用mc14499译码驱动器构成用行口硬件译码显示、键盘接口。这样既简化电路又使单片机引脚得到充分利用。mc14499是一个cm

50、os led译码驱动器，片内主要包括一个 20位移位寄存器、一个锁存器、一个 多路输出器，由多路输出器输出的 bcd码经段译码器译码后，换成七段码送至片驱动器 输出(a, b, c, d, e, f, g)和小数点dp。一片mc14499可以驱动4个数码管。因为本系 统的各项采集值要求精度不高，用 4位数码管循环显示各参数就足够了。键盘部分采用串行输入、并行输出移位寄存器 74ls164经用行口扩展并行i/0 口。本 接口只用了 4个键：1个键用于设置与取消、1键用于逐一增值、1键用于逐一减值、1键 用于确认。键盘显示模块如图 3-9所示。 f89c51mc14499图3-9串口硬件译码显示、

51、键盘接口程序设计时将要显示的数据(bcd码)按千、百、十、个位次序依次存放在1高4位、 低4位、1高4位、低4位中。键扫描和显示程序如下：key_scan:mov key value ,#0mov a,#offhlcall outmov r7,#9clr di comks_i:clrnopnop setbincsetbjnbdjnzks_out:clr cclk_comclk comkey valuedi comen_ key, ks_outr7, ksmov a,# 9subb a,key_valuemov key_value, amov a,# 00lcall outjnbretdisp:

52、clrmovmovacallmovmovds_i:movmovlcallincdjnzsetben_key ,$en_dispa, pointr6,#4sendr0,#disbufr5,# 02h a,ro r6,#8 sendrors, ds ien dispret其中send子程序实现将a值送显哈尔滨学院本科毕业论文(设计)4 rs-232通信接口与以x232max232为rs-232收发器，简单易用，单+sv电源供电，仅需外接儿个电容即可完 成从ttl电平到rs- 232电平的转换。本系统采用中断方式实现下位机数据的接收与发送。程序中发送数据是一次性完成， 接收数据是一个字符一个字符地接

53、收，来实现与上位机的短距离通讯。为进一步提高中继通讯距离，如实现在家对实验设备的管理控制，要求通讯的高准确 性，本人对通信数据又增加 crc- 8检验。mcs-51单片机的dart技术为应用系统实现串行通信功能奠定了基础，mcs-51单片机串行通信系统中，主要采用奇偶校验方法，通过检测接收数据的奇偶性来判断其传输 的数据是否畸变。奇偶校验法简单、快速，但它只能进行数据的奇偶性畸变检测，对于双 位畸变则无能为力，可靠性较差。此外，常见的校验方法还有多重校验、海明校验和crc校验等。多重校验采用多个校验位检测校验每一组数据中的每一位，具有相当高的可靠性，但由于检验位占据太多的数据 流位置，因而通信设备利用率很低。海明校验是奇偶验与多重样验的折中，通过在数据流 中插入一定数量的校验位，通过采取编码、译码、校码与纠错等措施保证通信可靠性，这 种方法实现过程复杂，且不能保证实现高可靠性通信。crc循环冗余校验技术应用复杂的计算手段，可检测：所有的奇偶性错误、所有的双 位错误、所有的小于n的连续一审数据错误(n为crc循环校验码位数)、大部分大于n的 连续一审数据错误。crc校验技术可为mcs-51单片机系统实施高可靠通信设计提供技术 支持。crc校验基本工作原理如图3-10所示。将要发送的数据比特序列当做一个多项式 f(x)的系数，在发送端用收发双方预先约定的生成多项式