粮食烘干自动控制系统研究与设计 毕业设计.doc

编编 号：号： 审定成绩：审定成绩： 重庆邮电大学自动化学院重庆邮电大学自动化学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）设计（论文）题目：设计（论文）题目：粮食烘干自动控制系统研究与设计粮食烘干自动控制系统研究与设计单单 位（系别）位（系别） ：自动化系自动化系学学 生生 姓姓 名名 ：专专 业业 ：自动化自动化班班 级级 ：学学 号号 ：指指 导导 教教 师师 ：答辩组答辩组 负责人负责人 ：填表时间：填表时间： 2013 年年 6 月月重庆邮电大学教务处制重庆邮电大学教务处制 - -重庆邮电大学自动化学院毕业设计重庆邮电大学自动化学院毕业设计(论文论文)任务书任务书设计(论文)题目 粮食烘干自动控制系统研究与设计粮食烘干自动控制系统研究与设计 学生姓名 系别 自动化 专业 自动化 班级 指导教师 职称 联系电话 教师单位 重庆邮电大学 下任务日期 2013 年 1 月 4 日 主主 要要 研研 究究 内内 容容 、 方方 法法 和和 要要 求求1.粮食水分的多少影响着粮食的存储安全和加工质量，设计一个粮食烘干自动控制系统。2.系统总体方案的设计。3.干燥设备的选型。4.粮食水分测量器件的选择，烘干机温度测量器件的选择。5.系统硬件和软件的设计。 进进 度度 计计 划划第 4 周第 5 周：阅读文献，完成系统整体方案的设计；第 6 周第 8 周：完成干燥设备、传感器、控制器的选型；第 9 周第 11 周：完成系统硬件部分和软件部分的设计；第 12 周第 15 周：撰写论文、修改论文，完成答辩。 主主 要要 参参 考考 文文 献献1.郭德怀粮食干燥机全自动控制系统的开发d无锡：江南大学，20092.赵学刚等粮食烘干机过程控制系统的应用研究j粮食加工，2007，32（5）：50533.崔国华等粮食烘干机智能控制系统的研究j中国粮油学会第三届学术年会论文选编，633639指导教师签字： 年 月 日教研室主任签字： 年 月 日备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。 - -i摘摘 要要 正常的粮食都含有适量的水分，粮食水分一直是国内外粮食部门控制的一项非常重要的质量指标，其含量的多少不但影响着粮食的存储安全，同时也影响着粮食制品的加工质量。测量粮食水分含量即测量粮食的湿度是粮食烘干的前道工序，本文设计一个粮食湿度、温度自动控制系统，该系统通过在线采集粮食湿度、温度信号，并将其送入湿度、温度自动控制系统，实现对粮食干燥机自动化控制。粮食烘干是储存粮食的重要步骤，本系统基于at89c51单片机为基础开发出的粮食烘干系统。首先塔式烘干机将进粮的阀门打开，当料位传感器检测到粮食达到指定的位置时，阀门将被关闭。此时加热风机进行对流加热，温度和湿度传感器采集信号，显示屏上实时显示粮食的温度和湿度。当粮食达到所需要的温度和湿度时，出粮口的阀门打开，粮食运送到外面进行缓苏，最后粮食送入粮仓储藏。本课题针对高水分粮烘干的控制系统设计，采用二维模糊控制器结构，利用 mamdani推理算法，经输入输出变量的模糊化，模糊推理，模糊决策等过程，实现了对高水分粮食的烘干控制，使其水分达到规定目标。本系统因性能稳定，性价比高等优点，已被广泛应用到粮食烘干加工产业中。【关键词关键词】粮食 水分检测 单片机 粮食烘干 模糊控制 - -iiabstract generally, grain contains adequate moisture, and grain moisture is a very important quality indicator in the food administrator all over the world. grain moisture not only affects the safety of grain storage, but also affects the quality of food products processing. this thesis focuses on the development of a grain humidity-temperature control system, in which the grain humidity is detected on-line and then is sent to the humidity. temperature control system to achieve the automatic control of grain dryer. grain drying is an important step in food storage, the system is based on the single-chip computer, at89c51 developed for food drying. firstly, the tower dryer open the valve, a certain location the food reached, which found by the material level sensor, the valve will be closed. at this point, the heating fan is started to heat the food convectively, and the temperature and humidity sensors start to work, the temperature and humidity of food will be shown on the screen at the same time. when the grain meet the required temperature and humidity, it pay out of the valve opening to the outside food deliveries for relief su. finally, the rain is delivered into the barn to store.this article concerned in drying high moisture grain, choose the two-dimensional fuzzy controller structure, used the inference algorithm pass through fossilized, fuzzy inference, fuzzy design and other process of input/output date to realize the control of drying high moisture grain to make the moisture of the grain reach the provision target the system for stable performance, cost performance advantages, is to be widely applied to the food processing industry in the dryer. 【key words】grain moisture detection single-chip grain drying fuzzy control - -iii目目 录录前 言1第一章 绪论2第一节 论文选题背景及研究意义2第二节 国内外研究现状3第二章 系统整体方案设计4第一节 系统整体框图4第二节 系统设计方案4第三节 干燥设备的选择6一、6rf 系列热风炉6二、列管式热风炉 7三、送风系统7第三章 系统硬件设计8第一节 控制电路模块8一、at89c51 简介8二、at89c51 的引脚及功能 8第二节 温度传感器10一、ad590 简介10二、温度传感器 ad59010第三节 湿度检测电路11第四节 复位电路12第五节 系统电源设计13第六节 显示部分14一、8279 的引脚说明14二、8279 的工作方式15三、8279 的控制命令16第七节 风机驱动和加热驱动的设计18一、风机驱动设计18 - -iv二、加热驱动设计19第八节 a/d 转换器及其选择21第九节 料位传感器22第四章 控制算法23第一节 模糊控制的基本理论及结构23第二节 模糊控制器的模糊化25一、输入量的模糊化25二、控制输出的模糊化26第三节 模糊关系矩阵与决策27第五章 系统软件设计29第一节 系统软件设计29一、系统软件设计特点29二、粮食烘干系统的主程序29第二节 烘干计时中断子程序流程图30第三节 pwm 波形产生子程序流程图32第四节 温度检测及模糊控制子程序流程图33结 论34致 谢35参考文献36附 录37一、英文原文37二、英文翻译41三、源程序45 - -0前前 言言 粮食是关系到国计民生的重要生存物资。粮食的含水量从收割、储存、流通运输、贸易、加工等过程都是大家关注的量，如含水的不适合，容易引起霉烂变质，重量计量希望除去水分，求得净重，粮食加工过程保持一定的水分，才能很好的进行。也就是说粮食含水量是校正产量的数据，评价作物质量，保障粮食的安全起重要的作用，即时准确地测量水分具有重要意义。 正常的粮食都含有适量的水分，并且水分含量通常保持在一定范围之内，这是粮食维持生命及保持其固有良种品质和食用品质所必需的。由于受到收获早晚、成熟度及气候条件的影响，粮食的水分含量是个变化的数值。测量粮食水分的方法有直接法和间接法。直接法是通过热干燥后直接测量粮食的水分含量。它是一种基准法，测量时不会改变样品的性质，但它是一种间歇式的测量方法，测量周期较长，不能实现对粮食水分含量的连续测量，直接法不利于提高控制指标。间接法是通过测量与水分含量变化相关的物理量得到粮食的水分含量，因此可以在线测量。间接法包括化学反应法、电导法、电容法、中子法、微波法、光学法等。目前国内电子水分仪多数采用压阻式、电容式、多滤光片型近红外和微波法等测量粮食水分含量。其中近红外和微波法测量精度高、重复性好，但成本高；压阻式、电容式测量方法可以实现在线测量且设备成本较低，但是存在测量精度低、不稳定等缺点。 测量粮食的水分含量是粮食烘干的前道工序，粮食干燥机根据粮食水分含量的情况对粮食进行烘干处理。而粮食干燥机是一个大时滞、多扰动的强非线性系统，只有研究出低成本，高可靠性的在线测量装置才能有力推动粮食生产的自动化。粮食干燥机自动控制系统的建立，使粮食烘干过程向智能化控制迈近，使粮食烘干的决策更科学，控制更严谨、操作更方便、烘干更安全。 - -1第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 论文选题背景及研究意义论文选题背景及研究意义干燥就是以供热的方式从物料中脱去水分的过程，是一个复杂的热质交换过程。粮食干燥的对象是一个有生命的有机体，在不断地进行着呼吸作用，水分含量是影响粮食呼吸作用强弱的最重要的因素，粮食干燥的目的在于降低粮食的水分，从而降低呼吸强度，利于安全储藏，但是，如果干燥条件过于强烈，粮食中的一些酶将失活，蛋良质将变性，使粮食失去生命力，从而对粮食品质产生一定的影响1。我国是世界上最大的粮食生产和消费国，年总产粮食58957万吨。粮食干燥还多依靠传统的自然晾晒法，粮食干燥的机械化程度很低，收获的粮食经常因得不到及时的干燥，而发生发芽、变质、霉烂，造成了巨大的损失。据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输等过程中的损失高达15，远远超过联合国粮农组织规定的5的标准。在这些损失中每年因气候潮湿，潮湿的粮食来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5，若按年产5亿吨计算，每年将损失2500万吨粮食。目前，我国对粮食干燥机控制理论的研究与实践尚处于起步阶段，缺乏系统全面的研究，而在整个粮食干燥系统中自动控制是最薄弱的环节。在实际生产中，粮食干燥机的设计还依靠经验方法进行，基本上以手动操作为主，自动化程度低，因此生产的干燥机往往能耗大、效率低、故障率高，操作非常不方便，稳定性较差。特别是干燥过程中粮食本分的测定是靠人工不间断取样测定，然后再进行控制。由于测控过程仅靠人工控制，导致被干燥粮食的含水分波动范围大，失控机会多，直接影响了粮食产量和品质的稳定性。随着现代干燥技术的发展，特别是随着大型粮食干燥机的不断开发和生产，大力研究与粮食干燥机配套的自动控制系统，特别是将计算机技术、智能化技术应用于粮食干燥机的设计、分析和干燥过程的控制，可以大大提高粮食干燥机的自动化水平。这对减少粮食损失，提高我团的粮食干燥技术水平，充分发挥粮食干燥机的生产能力，增强我国粮食产量在国际市场上的竞争力，具有十分重要的意义和广阔的发展前景。 - -2第二节第二节 国内外研究现状国内外研究现状目前，国内在研制粮食干燥设备控制系统的研制领域中，一般都是把粮食水分测定、粮食干燥设备和温度控制系统分别作为独立器件进行研究的，少数涉及将三者进行综合考虑，在控制精度、控制智能化方面还处于较低水平。国外一些国家（如美国、俄罗斯、日本等国）的谷物干燥技术已有50多年的历史。大体经历了三个阶段，即：二十世纪5060年代的谷物干燥机械化阶段；6070代的谷物干燥自动化阶段；7080年代的提高干燥质量和降低干燥成本的阶段。各国的现实情况有所不同。在美国，谷物干燥机在全国应用较为普遍，机型有大、中、小低温仓及大、中、小高温仓干燥机，主要干燥对象为玉米、小麦。在俄罗斯，谷物干燥机在农场及农庄中普遍应用，大多形成了工厂化生产。大、中型高温干燥方式居多，较普遍应用“干、湿粮混合干燥工艺”，燃料以柴油及煤油为主，直接加热干燥。在日本，二战后开始起步，主要发展以干燥水稻为主的中、小型设备。特点是自动控制系统较为完善，自动化程度高，比较重视干燥质量，尤其是对稻谷干燥后的品质要求较高。日本干燥机性能可靠，干燥成本低，加粮、卸粮、排尘、通风干燥、热风干燥、谷物重量、干燥水分、时间、停止时间、干燥温度及水分测定等全部由电脑控制。对刚刚进入干燥机谷物的水分和运行中的水分都能自动测定显示，可自行设定理想的干燥水分。机型为固定床式及循环式，燃料为煤油，少数以稻壳为燃料。我国的谷物干燥始于二十世纪50年代，以引进前苏联设备为主。6070年代（参考前苏联样机）自行设计了多种中、小型谷物干燥机；8090年代初设计了几种大、中型谷物干燥机，主要用在粮食系统及国营农场，以干燥玉米和小麦为主。目前，我国设计生产水平介于自动化与降低成本、提高质量之间，且北方的发展优于南方。玉米干燥技术基本实现机械化，但很少有与之配套的自动控制系统。1999年东北农业大学研究出的5hgs巧型谷物烘干机采用了中子式粮食水分在线监测的方法。2000年黑龙江农业机械工程科学研究院对单片机控制技术在谷物干燥水分监控系统中的应用进行了研究，研制出了以单片机为核心的zls系列粮食水分在线监测仪以及配套的自动烘干控制柜2。 - -3第二章第二章 系统整体方案设计系统整体方案设计第一节第一节 系统整体框图系统整体框图本设计基于单片机对数字信号的高敏感和可控性，应用温度湿度传感器可以产生模拟信号，a/d 模拟数字转换芯片的性能，设计了一套以 at89c51 为核心的粮食烘干系统，其中包括电源模块、a/d 转换模块、单片机、温度和湿度检测模块、键盘及显示模块、等部分的设计。单片机处理系统电源模块复位模块a/d转换温度、湿度检测模块输出模块烘干设备显示模块图 2.1 系统基本框图由系统基本框图可以看出，首先，有电源模块为单片机处理系统提供工作电源，以便单片机处理系统对各个输入模块的数据采集和信息处理。其次是单片机处理系统输出各种数字信号，以实现数字显示和对烘干设备的控制工作。第二节第二节 系统设计方案系统设计方案本次设计首先要对对粮食品质之一的水分进行鉴定。如其所收购的粮食水分未符合粮食存储管理标准，则这些粮食在入库前或入库后必须进行粮食的烘干降水工作，以确保安 - -4全存储。本设计对于粮食的烘干，采用的是塔式热风烘干机设备。整个粮食烘干体系（见下图2.2）共分五大块：原粮、湿粮仓、烘干塔即塔式热风烘干机、干粮仓、运输车辆。各部分之间由运输机、斗式提升机、溜管、溜筛等组成。其主要部分塔式热风烘干机即烘干塔。其入口是从湿粮仓出来的水分未达标的粮食。其出口处的粮食水分检测达标且符合国家粮食存储标准，可以运往干粮仓3。图 2.2 整个粮食干燥体系结构图其他辅助应用部分：温度计：在烘干作业当中，用来监视烘干塔内的温度。对于烘干塔内的温度值，1我们要求保持在恒温值700摄氏度，但由于周围环境的限制与其它因素，塔内的温度值不可能始终保持在恒温，有可能在恒温值附近上下波动，有一微小的变化范围，因此，温度为一不确定量。水分测试仪：数目为两个，分别位于烘干塔的入口处和出口处。其作用是：分别2用来监视进入烘干塔内的湿粮食的水分，即从湿粮仓进入烘干塔的粮食所含的水分；以及监视从烘干塔出来的粮食的水分，即经烘干作业后进入干粮仓的粮食所含的水分，此时，粮食水分应当已符合规定的粮食所含水分的标准。排粮机：位于烘干塔的底部。用来控制被烘干粮流速率，以维持在额定热风流量3 - -5及正常工况下适当的烘干时间，达到合理的降水率。粮流输送设备：粮流输送设备包含斗式提升机、带式输送机、初清筛、磁选设备、4溜管、溜筛、散装车、平板车等。第三节第三节 干燥设备的选择干燥设备的选择粮食热风干燥设备系统主要由热风炉与送风系统组成，热风炉是干燥设备的主要工作部件之一，它作为干燥粮食的热源，其目的是把干燥介质由较低温度加热到较高温度，提高干燥介质吸收水分的能力，然后再由送风系统将其输入到干燥室中以达到干燥粮食的目的。燃煤热风炉，分为直接加热热风炉和间接加热热风炉两种。直接加热热风炉致命的弱点就是产生的干燥介质对粮食有污染。间接加热热风炉分为列管式、无管式、热管式三大类。热管式热风炉近几年才在我国得到发展，由于其价格昂贵，与粮食干燥设备配套使用不普遍。中国农业大学成套设备研究所的科技人员立足于我国国情，结合我国能源政策，研制推广了两大类一系列燃煤间接加热热风炉，它们分别属于无管式和列管式4。一、一、6rf 系列热风炉系列热风炉 6rf系列热风炉。是一种热风3回程，烟气2回程的套筒式热风炉。燃料置于炉下部的炉篦上燃烧，外界空气由炉顶进入，经过套式热交换器时被燃料燃烧产生的烟道气加热，温度升高，之后干净的热风由热风出口排出。烟气出口处接有引风机助燃，引风机与热风炉连接管道内装有节流阀门，转动节流阀门手柄，可改变引风机风量，达到改变助燃效果的目的。6rf系列热风炉的特点如下：采用立式套筒式多回程热交换器结构，高温区受热面积大。烟道套筒外侧按一定1规律分布散热片，可增强换热效果。烟道内外侧及炉膛外侧都设计有气道，一方面热量能被充分吸收利用，提高热效率；另一方面起到保护热风炉，使其不易被烧坏的作用。采用立式热交换器结构，炉体不易积灰。2烟气和热风各行其道，加热后的热风干净、无任何污染。3 - -6气道与烟道的组合方式都是套筒式结构、无横向钢性联接，上部为自由端，可自由4伸缩，故不会因热涨、冷缩不均匀产生弯曲变形及焊缝撕裂现象，同时也不会有局部过热、氧化等现象产生，免去了其它套筒式炉为防止热胀冷缩不均匀采取的膨胀环等繁琐结构。提高了热风炉使用寿命。炉外套内侧下部加装保温层，可减少热损失，提高热效率。5炉门结构独特，加煤口处有进冷风保护装置，同时加煤口在温度升高时可自由伸6缩，可防止此处产生过热及焊缝撕裂现象。炉上部外周及下部都设计有清灰口，可方便地将积灰彻底清除。7二二、列列管管式式热热风风炉炉列管式热风炉是研制的另一系列热风炉，是一种热风走管内，烟气走管外的间接加热热风炉。其具有如下特点：高温烟气走管外，清灰容易，可避免因管内积灰不易清理而造成的热量损失，加1强了换热器的换热功能，提高了传递效率。结构紧凑，造价低。体积小，安装方便，热效率高，升温快。2三、送风系统三、送风系统热风炉产生的干燥介质需要通过输送管道才能引入干燥设备的干燥室。干燥介质通过输送管道，穿透粮食层以及从热风炉和干燥室进出时，都会遇到一定阻力，这就要借助通风机的工作产生足够的压力来克服这些阻力，以保证给干燥室输送足够数量的干燥介质和及时排除干燥室中的废气。因此送风系统和干燥设备的干燥能力、粮食品质和能量消耗有十分密切的关系。送风系统包括风机及输送热风的管道。按空气在风机内部流动方向来分类，风机可分为轴流式、离心式和混流式三大类。5hgn、5hg系列干燥设备送风系统中采用的是离心式风机。离心式风机空气流动方向是经轴转弯而与轴成直角。5hg及5hgn系列干燥设备通风机的工作方式属于压出式，即通风机将干燥介质以一定的压力输送到干燥室中。干燥室中的空气压力高于外界大气压力，外界空气不会进入干燥室的不均匀性。输出热风的管道中装有风机节流阀门，转动其手柄，可改变风机的风量。 - -7第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计第一节第一节 控制电路模块控制电路模块一一、at89c51 简简介介at89c51 单片机是美国 atmel 公司生产的低电压、高性能的 8 位单片机。在其片内含有 4k 字节的可反复擦写的只读存储器（eprom） ，128 字节的随机存取数据存储器（ram） 。器件采用 atmel 公司高密度、非易失性存储器技术生产、并兼容标准 mcs-51 指令系统，片内置有通用的 8 位 cpu 和 flash 存储单元。可灵活运用于各种控制领域，且其性价比较高。二二、at89c51 的的引引脚脚及及功功能能p0 口（p0.0-p0.7）：是一组 8 位的开漏、双向 i/o 口，即地址/数据总线复用口。作为输出口使用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电路，对断口写 1 可作为高阻抗输入端来使用。 在访问外部的数据存储器或程序存储器时，这组线分时转换成地址（低 8 位）或数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。p1 口（p1.0-p1.7）：是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。向端口写入 1 的时候，p1 口被内部上拉为高电平，此时可用做输入端口，当作为输入脚的时候，外部拉低的 p1 口会因为内部上拉而输出电流。p2 口（p2.0-p2.7）：是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。当向 p2 口写入 1时，p2 口被内部上拉为高电平，可作为输入端口。当作为输入引脚的时候，被外部拉低的 p2 口会因为内部上拉而输出电流。在访问片外程序存储器和外部数据存储器（例如执行 movx dptr 指令）时，p2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（例如执行 movxri 指令）时，p2 口上的内容（也即特殊功能寄存器 sfr 区中r2 寄存器的内容），在整个访问期间不变。 - -8图 3.1 at89c51 单片机引脚图p3 口（p3.0-p3.7）：是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p3 口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 ttl 逻辑门电路。向端口写入 1 的时候，p3 口被内部上拉为高电平，此时可用做输入口，当作为输入脚的时候，外部拉低的 p3 口会因为内部上拉而输出电流。p3 口除了做一般的 i/o 口线使用外，更为重要的是它的第二功能，如下：p3.0 第二功能为 rxd（串行输入）；p3.1 第二功能为 rxd（串行输出）；p3.2 第二功能为 int0 非（外部中断 0 输入）；p3.3 第二功能为 int1 非（外部中断 1 输入）；p3.4 第二功能为 t0（定时/计数器 0 输入）；p3.5 第二功能为 t1（定时/计数器 1 输入）； - -9p3.5 第二功能为 wr 非（写选通信号）；p3.6 第二功能为 rd 非（读选通信号）；p3 口还可接受一些用于 flash 存储器编程和程序校验的控制信号。rest：复位输入。当振荡器工作时，rest 引脚出现 2 个机器周期以上的高电平，使单片机复位。ale/prog 非：当访问片外程序存储器时，ale 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位。即使单片机不访问片外存储器，ale 也仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，因此可对外输出时钟或定时作用。并且，当单片机每访问一次片外数据存储器时都将跳过一个 ale 脉冲。vcc：电源引脚；gnd：接地引脚。第二节第二节 温度传感器温度传感器一、一、ad590 简介简介ad590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：1式中：流过器件（ad590）的电流，单位为 ma；t热力学温度，单位1/rima ktri为 k。ad590 的测温范围为-55+150。2ad590 的电源电压范围为 4v30v。电源电压可在 4v6v 范围变化，电流变3ri化 1ma，相当于温度变化 1k。ad590 可以承受 44v 正向电压和 20v 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为 710mw。4精度高。ad590 共有 i、j、k、l、m 五档，其中 m 档精度最高，在-555+150范围内，非线性误差为0.3。 - -10二、温度传感器二、温度传感器 ad590 ad590 产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为 4v30v，检测的温度范围为55150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加 1，其电流增加1ua。表 3.1 ad590 温度与电流的关系摄氏温度ad590 电流经 10k 电压0273.2a2.732v10283.2a2.832v20293.2a2.932v30303.2a3.032v40313.2a3.132v50323.2a3.232v60333.2a3.332v100373.2a3.732vr p1r p2u0图 3.2 ad590 温度检测模块如图 3.2 所示，电位器 rp1 用于调整零点，rp2 用于调整运算放大器的增益。调整方法如下：0时调整 rp1，使输出 uo=2.732v，然后在 100时调整 rp2 使 uo=3.732v。如此反复调整多次，直至 0时，uo=2.732v，100时 uo=3.732v 为止。 - -11第三节第三节 湿度检测电路湿度检测电路本文选用湿度传感器 hm1500 来实现粮食湿度的检测，hm1500 是一种专门为那些oem 要求可靠性和精度高的测量所设计的，在基于 hs1101 简单电容性湿度传感器的基础上，hm1500 特别适用于在 1095%rh 精确测量的环境中。超过范围（95%包括饱和）不会影响可靠性。湿度传感器 hm1500 与 ad0808 连接如图：in-026in-127in-228in-31in-42in-53in-64in-75ref-16ref+122-4182-3192-220msb2-1212-582-6152-714lsb2-817add-c23add-b24add-a25ale22enable9start6clock10+5hm 1500hm 1500hm 1500图 3.3 湿度传感器 hm1500 与 ad0808 连接第四节第四节 复位电路复位电路复位是单片机的初始化操作了，只要给 reset 加上两个周期的高电平信号，就能使pc 变为 0000h，即 89c51 单片机复位，除了进入系统正常初始化外，由于程序运行出错或操作错误使系统进入死循环状态后，为了从死循环状态中重新恢复正常运行，就必须设置复位功能，如图 3.4 复位电路。 - -121kr0.1ufs1+5reset89c51图 3.4 复位电路当单片机处于正常情况下 reset 始终是底电平，当程序运行出错或操作错误使系统进入死循环状态后，单片机要想正常运行必须复位，按手复位即可实现复位功能。第五节第五节 系统电源设计系统电源设计图 3.5 电源设计电路系统的控制系统中的 89c51 单片机、a/d 转换电路、执行机构电路、键盘显示电路都需要有稳定的直流电源供电才能正常工作。系统中需要15v 和+5v 电源，系统采用串联型的集成稳压器来实现，采用集成稳压器外接元件少，使用方便，安全可靠，精度、稳定性高，噪声小。 - -13直流稳压电源系统包括整流器、滤波器、直流稳压器和高频滤波器等几部分。常用的直流稳压电路如图 3.5。系统电源的工作原理为：220v 交流电经过一个双 18v 变压器和二极管整流桥输出，两路输出分别进入三端固定正电压稳压器 mc7815k 和三端固定负电压稳压器mc7815k，由这两个电压稳压器输出就是我们需要15v 电源，再将+15v 电压经过正电压稳压器 mc7805t，就得到了+5v 电源，再经过反电压稳压器 mc7905t，就得到了-5v电源。第六节第六节 显示部分显示部分一、一、8279 的引脚说明的引脚说明它有 40 个引脚采用双列直插式封装，其引脚图如下。1rl22rl33clk4irq5rl46rl57rl68rl79reset10rd11wr12d b013d b114d b215d b316d b417d b518d b619d b720g n d21a 022cs23bd24o u ta 325o u ta 226o u ta 127o u ta 028o u tb329o u tb230o u tb131o u tb032sl033sl134sl235sl336sh ift37cn ift/sbt38rl039rl140v cc8279图 3.6 8279 引脚图d0d7：双向数据总线，用于在 cpu 和 8279 之间传送命令、数据和状态。 - -14clk：时钟输入线，用语产生内部定时。reset：复位输入线，该引脚输入一个高电平将复位 8279，复位后置为下列方式：16 位显示左边输入；编码扫描键盘，双键封锁；时钟系数为 31。：片选信号，低电平有效。csa0：缓冲器地址输入线，高电平时数据线上传送的是命令或状态信息；低电平时数据线上传送的是数据信息。：读有效输入线，低电平有效。读有效时内缓冲器数据读出，送外部数据总线。rd：写有效输入线，低电平有效。写有效时缓冲器接收到外部数据总线上的数据。wrirq：中断请求输出线，高电平有效。在键盘工作方式中，fifo 先进先出 ram 中有键输入时，irq 上升为高电平，向 cpu 请求中断。cpu 每次读出 fiforam 中的数据时，irq 变为低电平，若 ram 中还有数据，irq 在读出后又返回高电平，直至 fifo 中的数据被读光，irq 才保持低电平。在传感器方式中，每当检测到传感器信号变化时，irq 上升为高电平。sl0sl3：扫描输出线，用以对键盘/传感器矩阵和显示器进行扫描。rl0rl7：回送线，键盘/传感器矩阵的行或列数据输入线。这些输入线内部又拉高电平，使之保持为高电平。也可以由外部开关拉成低电平，在选通工作方式中，rl0rl7 可作为 8 位数据输入线。shift：换档输入线，在键扫描中和键的位置信息和换档输入线的状态一起存入fiforam 中，使键盘上的每一个键可定义为上下两档功能。shift 线内部也由上拉电路，使之保持高电平，也可以被外部开关拉成低电平。cntl/stb：控制/选通输入线，在键盘方式中，作为控制输入线，它的状态和按键输入信息一起存储到 fiforam 中，在选通输入方式中，作为数据送入 fiforam 的选通输入线。cntl/stb 线内也有拉高电路，使之保持高电平，也可被外部开关拉成低电平。outa0outa3：四位输入口。outb0outb3：四位输入口。这两个断口是 16*4 显示器更新积存器的输入端，输出的数据与扫描线上的信号同步，用于多位显示器显示。这两个端口也可以合并位一个 8位的输出口，outb0outb3 为低四位，outa0outa3 为高四位。：显示消隐输出线，低电平有效。该输出线在数字切换显示或使用熄灭命令时，bd将显示熄灭。 - -15vcc：电源为+5v；vss：接地。二、二、8279 的工作方式的工作方式键盘的工作方式键盘的工作方式1 1通过对键盘方式命令字的设置，可置为双键互锁和 n 键巡回方式。双键互锁的方式下，若有一个键被按下，不管这些键时以什么次序按下的，它只识别最后一个释放的键，并把此键的值送入 fiforam。n 键巡回的这种方式下，一次可以按下任意键，这些键均被识别，并按键扫描的顺序把键值送入。显示器的工作方式显示器的工作方式2 2cpu 将显示数据写入缓冲器时有左端送入和右端送入两种方式。左端送入为依次填入方式。右端送入为移位方式，数据总是从最右端的显示缓冲器写入。每写入一个数字，原来缓冲器内容左移一个字节。传感器矩阵方式传感器矩阵方式3 3在这种方式下，传感器的开关状态直接送到传感器 ram。cpu 对传感器阵列扫描时，如果检测到某个传感器状态发生变化，则中断申请信号 irq 变为高电平。如果 ai=0 则对传感器 ram 的第一次读操作即清除 irq；如果等于 1 则由中断结束命令清除 irq。三、三、8279 的控制命令的控制命令系统通过对 8279 的控制命令来选择工作方式。键盘/显示方式设置命令。命令格式为 0000ddkkk 其中 d7、d6、d5 全是零，是此命令的特征位。dd 是用来设定显示方式的，其定义如下：00 为 8 个字符显示，左端输入；01 为 16个字符，左端输入；10 为 8 个字符显示，右端输入；11 为 16 个字符显示，右端输入。左端输入是指显示位置从最左得一位开始，以后输入得字符逐个向右顺序排列。右端输入的显示方向正好相反。kkk 是用设定 7 中键盘、显示工作方式，其定义如下：000 为编码扫描键盘，双键锁定。001 为译码扫描键盘，双键锁定。010 为编码扫描键盘，n 键轮回。011 为译码扫描键盘，n 键轮回。100 为编码扫描传感器矩阵。101 为译码扫描传感器矩阵。110 为选通输入，编码显示扫描。111 为选通输入，译码显示扫描。在选择编码扫描时，可外接 8*8 的键盘或传感器矩阵；在选择译码扫描方式时，只能接 4*8 得键盘或传感器矩阵，在选择选通工作方式时，cntl/stb 为选通脉冲输入端，而 rl0rl7 为信号输 - -16入端口。双键锁定与 n 键轮回是多键按下时的两种不同保护方式。双键锁定为两键同时按下提供得保护方式。在消抖周期里，如果有两键同时被按下，则只有一个弹起，而另一个键保持在按下位置时才被认可。n 键轮回为 n 键同时按下的保护方式。当有若干键按下时，键盘扫描能够根据他们按下的顺序，依次将它们得状态送入 fiforam 中。时钟编程命令时钟编程命令1 1命令格式为 001ppppp。其中 001 是该命令的特征位，ppppp 用来设定对外部输入clk 端的时钟进行分频的分频数 n，用于产生一个 100khz 的内部时钟，n 取值为231。读读 fifo/传感器传感器 ram 命令命令2 2命令格式为：010aiaaa。其中 010 是该命令的特征位。ai 位自动加 1 标志。ai=1时每次读出后地址自动加 1，指向下一个地址。aaa 位 fifo/传感器 ram 的地址。在键扫描方式及选通输入方式时，aaa 为 ram 地址。当 ai=0 时，cpu 对地址为 aaa 的单元读数，读完后地址不变。当 ai =1 时，cpu 对地址为 aaa 的单元读数，读完后地址自动加 1。读显示读显示 ram 命令命令3 3格式为 011aiaaaa 其中 011 是该命令的特征位。ai 仍为自动加 1，aaaa 为显示 ram 中的存储单元地址。写显示写显示 ram 命令命令4 4格式为 100aiaaaa。100 为该命令的特征位。ai 位意义相同。aaaa 为将要写入的显示 ram 中存储单元地址。显示器禁止写入显示器禁止写入/ /熄灭命令熄灭命令5 5命令格式为 101iwa iwb bla blb。这里面的 101 是命令的特征位。iwa、iwb为 a、b 组的显示 ram 写入屏蔽位。在双 4 位显示器使用时，即在 out1out3 独立地作为两个半字节输出。若 iwa 为 1 可改写显示 ram 中的低字节而不影响高半字节地状态。若 bla 为 1 可改写显示 ram 中的高半字节而不影响低半字节地状态。bla、blb 为 a、b 组的熄灭设置位。要消隐二组输出，必须使 bla，blb 同时为 1，若 bl 为 0，则恢复显示。清除命令清除命令6 6 - -17命令格式为 110cdcdcdcfca。110 为特征位，cdcdcd 用来设定清除显示 ram的方式。cf 用来表示 fifo 存储器。ca 为总清的特征位。结束中断结束中断/ /出错方式设置命令出错方式设置命令7 7格式为 111e，其中 111 为特征位，在传感器方式中该命令使 irq 输出线变为低电平，允许再次对 ram 写入。在 n 键巡回方式中，若 e=1，8279 可工作在特殊出错方式。对 8279 输入数据时，要选择数据输入输出口的地址。它的数据输入输出口地址由 cs非为 0，a0 为 1 来确定。在键盘扫描中，8279 中、键的输入数据按下面格式存放：d7 d6 d5d4d3 d2d1d0cntl shift 扫描值 回送值其中 cntl 与 shift 为控制键状态；扫描值为按下键的行号；回送值为按下键所在的列，由 rl0rl3 来决定。第七节第七节 风机驱动和加热驱动的设计风机驱动和加热驱动的设计一、风机驱动设计一、风机驱动设计本设计中采用的是固态继电器（ssr）是一种元触点通断功率型电子开关，又称固态开关。具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、无噪声、性能稳定、抗干扰能力强、开关速度快、驱动功率小、能与逻辑电路兼容等一系列优点。具体电路图 3.7 如下。图 3.7 风机电路图 - -18本设计中采用的是固态继电器（ssr）是一种元触点通断功率型电子开关，又称固态开关。固态继电器的主要特点有：输入功率小：由于其输入端是采用的光电耦合器，其驱动电流仅需几毫安便能可1靠地控制，所以直接用 ttl、htl、cmos 等集成驱动电路控制。高可靠性：由于其结构上无可动触部件，且采用全塑料密闭式封装，所以 ssr 开2关时无抖动和回跳现象，无机械噪声，同时能耐潮、耐振、耐腐蚀；由于无触点火花，可用在有易燃易爆介质的场合。低电磁噪声：交流型 ssr 在采用了过零触发技术后，电路具有零电压开启、零电3流关断的特性，可使对外界和本系统的射频干扰减低到最低程度。能承受的浪涌电流大：其数值可为 ssr 额定值的 610 倍。4对电源电压适应能力强：交流型 ssr 的负载电源可以在 30220v 范围内任选。5抗干扰能力强：由于输入与输出之间采用了光电隔离，割断了两者的电气联系，6避免了输出功率负载电路对输入电路的影响。另外又在输出端附加了干扰抑制网络，有效地抑制了线路中 dv/di 和 di/dt 的影响。二、加热驱动设计二、加热驱动设计 89c2051 片内 i/o 口的驱动能力，89c2051 由 4 个并行双向口，p0 口的驱动能力比较大，当其输出高电平时，可提供 400a 的电流；当其输出低电平时，则可提供 3.2ma 的电流，p1，p2，p3 口的驱动能力只有 p0 口的一半，所以，任何一个口要获得较大的驱动能力，只能用低电平输出。可见其驱动能力是十分有限的，在低电平输出时，一般也只能提供不到 2ma 的电流，所以要加入驱动电路。本系统用晶闸管调功，因为 89c2051 的驱动能力不够，所以用到了光耦合双向可控硅来调功。由于控制对象是大电流大功率负载因而采用了晶闸管来控制输出功率。双向晶闸管是一种大功率半导体器件，它与普通单向晶闸管的不同之处在于它能保证电流在两个方向流通，它的特点是：控制极 g 上无信号时，晶闸管两端呈高阻抗，管子截止。1管子两端电压超过 1.5v 时，无论极性如何，便可利用 g 触发其导通。2 - -19工作与交流时，当每一半周交替时，纯阻负载能恢复截止。3图 3.8 moc3061 管脚排列图另外还须用到光耦合双向可控硅驱动器，它是单片机输出与双向可控硅之间的接口器件，它由输入和输出两部分组成，输入部分是砷化钾发光二极管，该二极管在 515ma正相电流作用下发出足够强度的红外光，触发输出部分。输出部分是硅光敏双向可控硅，在红外线的作用下可双向导通。moc3061 的内部结构及管脚排列见图 3.8，它采用双列直插 6 脚封装。主要性能参数：可靠触发电流 515ma；峰值夹断电压 600v；重复冲击电流峰值 1a。moc3061 的管脚排列如下：1、2 脚为输入端；4、6 为输出端；3、5 脚悬空，其内部结构如图 3.8 所示。 moc3061的资料如下：峰值夹断电压最小值：400v，触发电流值：5ma15ma，正向电压降典型值：1.2v。89c2951 与光耦合双向可控硅（moc3061）的连接图如图 3.9。图 3.9 光耦合双向可控硅驱动器和可控硅的连接图moc3061 的输入端限流电阻计算如下式 - -20 （3-ffccivvr01）其中为电源电压； 为输入端发光二极管的压降，取 1.5v； 为发光二极管ccvfvfi的工作电流，即 15ma，代入上式，则求出输入限流电阻的阻值为 （3-300015. 05 . 150ffccivvr2）所以输入限流电阻选取 300 的电阻。moc3061 输入输出端晶闸管道导通后，就0r触发外部的双向晶闸管导通。输出端限流电阻的作用是限制流过 moc3061 输出端的电1r流不要超过 1a。的大小由下式计算：1r （3-31122201avivrpp3）输出限流电阻选取 330 的电阻。在使用晶闸管控制的电路中，经常要求晶闸管在1r电源电压为零或刚过零时触发晶闸管，来减少晶闸管再导通时对电源的影响。这种触发方式称为过零触发。双向可控硅的导通百分比可由 p1.4 的输出脉冲宽度控制，当 p1.4 输出为 1 秒 50 次脉冲时时可控硅完全导通，当输出无脉冲时，可控硅关断。第八节第八节 a/d 转换器及其选择转换器及其选择常用芯片为 8 位 a/d 转换器 adc0808；10 位 a/d 转换器 ad7570；12 位 a/d 转换器ad574 等。本设计采用逐次逼近型 a/d 转换器 adc0808，下面对其作一个介绍。工作原理：逐次逼近法 a/d 转换器是一种速度快，精度高的 a/d 转换器，它是通过最高位（dn-1）到最低位（d0）的逐次检测来逼近被转换的输入电压。一个 n 位的逐次逼近法 a/d 转换器的原理图 3.10。这种 a/d 转换器是以 d/a 转换为基础，加上比较器、n 次逐次逼近寄存器、置数控制逻辑电路以及时钟等组成，其转换原理如下： - -21+ +- -比较器时序与控制逻辑电路n位寄存器时钟脉冲doned/a 转换器输出缓冲器 位数字量输出noe图 3.10 逐次逼近法 a/d 转换原理在启动信号控制下，置数控制逻辑电路置 n 位寄存器最高位（