基于单片机的烟叶烘烤温度湿度控制系统-单片机毕业设计.doc

基于单片机的烟叶烘烤温度湿度控制系统-单片机毕业设计第一章 绪论 1.1课题研究目的和意义 烟叶烘烤过程就是要将烟草在全部种植生产过程优良充分显露发挥出来,烟叶是否能让广大消费者满意才是烟叶最后是否是好的烟叶的标准。而在生产烟叶过程中，科学的烘烤调制是生产好烟叶的基础。科学的烘烤调制是一个比较完善的技术系统，包括在适当的时候及时采收烟叶、正确无误进行烘烤工艺和建造标准烤房等多方面的实施。 烟叶生产决定质量的关键在于烟叶烘烤，因此社会上烟叶烘烤过程也受到了越来越多的重视，传统的烟叶烘烤是靠工人长时间的的看守，如利用温度计，干湿球等也显露出了越来越多的弊端，烟叶烘烤过程中加热的能源例如煤炭燃烧过后也会产生更多对空气有害的气体，给环境带来污染。能源短缺和环境污染的双重压力下，综合考虑，新的烘干和加热设备的开发和研究是非常必要的，不仅保证了烟叶的清洁生产，确保烟草的味道和质量，还遵循国家新提倡的节能减排的原则。 开发新型烘烤设备是烘烤烟叶技术发展的一个必然趋势，新主要体现在利用电子设备可以精准的自动控制温度湿度，减少了人工干预，省工，省时，也能干净、安全的生产烟叶。温度和湿度在工业生产中是比较重要的物理参数，准确地测量和有效控制的温度湿度才能产生出产品是高质量、高产量、低耗和安全生产的。 单片机作为烟叶烘烤温湿度测控体系选用的控制器,自动调整和远程监控采用PID控制技术控制各种烘烤参数执行机构的实现，以达到使烘烤质量提高和减弱劳动强度的目标，确保烤房内的参数严格依照设定的温湿度曲线变化,从而提高烤房内温湿度控制精度及烧烤烟质量。有很短的时间达到设定的温度和湿度，反应灵敏，抗干扰能力强等优势。 新型烟叶烘烤设备是发展专业化烘烤，建设现代化烟叶烘烤的不可或缺的基础设施。和以往的老旧的烟草烘烤技术相比，现代烘烤技术的劳动强度和技术难度都变小，也会生产出更优质、高产的烟草，并且更会令消费者满意，令领导者缩小开支，令工人减轻负担。同时，利用清洁能源，将生物能、太阳能等应用于烟叶烘烤，能够达到节能降耗的效果。所以建设新型烘烤设备发展现代烟叶烘烤已经是非常必要以及非常重要的。 1.2国内外研究现状 1.2.1国内研究的现状 - 1 - 2015年是烟叶烘烤行业发展过程中非常关键的一年，首先，我国近期连续出台了许多影响烟草行业发展的新政策与新法规。转变经济增长方式，提倡严格的节能降耗对烟叶烘烤行业的发展都产生了深刻的影响，另外还有来自通货膨胀、人民币升值、人力资源成本上升等等因素的影响;而且，行业的竞争，完善的技术过程中的所有环节，出口市场逐步萎缩的销售市场日趋复杂的问题，这都将是决策者必须面对和需要被尽可能快地得到解决的。 近几年，在烟草局发布了一些政策，在政策指引下，各烟草公司、科研院所和一些企业都认识到了新型烘烤设备的优势和发展的前景。密集烘烤获得了快速42的发展。2005年全国仅仅有三万四千座密集烤房，承担烘烤烟叶面积4.5*10hm,到2009年，仅仅四年时间，密集烤房已经超过了2005年的十倍达到四十多万座，42承担烘烤烟叶面积大约54.3*10hm,占全国烟叶种植面积的四分之一以上。 目前，密集烘烤在配置和工艺上等几方面已赢得重大突破和翻新，在节能、提质、省工、减耗等方面拥有鲜明明了的技术优势。普通烘烤耗煤1.80元/千克干烟，人工成本1.82元/千克干烟，总成本是3.89元/千克干烟。而专业化烘烤只需耗煤1.39元/千克干烟，人工成本1.02元/千克干烟.总成本只有2.90元/千克干烟，相当于每千克干烟总成本减少了将近一元的成本。烘烤工艺主要是利用先进的专业化的设备，使技术的复杂性明显的下降，同时也使烟叶烘烤的危险性降低，烟叶总体质量也有显著提高，从事烟叶烘烤的技术职员不再需要学习大量的专业的烘烤技能，只通过简易的看守机器，控制便可实现具有高技术并且新的烘烤过1程。 当前，国内推广应用的烘烤烟叶发酵室严格能达到温湿度自控、智能化控制的还很少,能够确实依照烟叶的变化特征和烤房的自动控制特点，烘烤烟叶的自动化和现代化的这个宏远目标全部靠利用清洁能源和自动控制技术实现还有一段距离。为更好地使烘烤烟叶技术自控化今后应从烘烤烟叶的烘烤特性入手,研究适合烟叶发酵的温度湿度，采集烟叶的更多的特性，形成最适合烟叶的数据库，数据库中的数据输入到发酵室，单片机的自动控制，采用PID控制技术来控制执行机构,实现对各发酵参数远程监控的自动调整，智能决策烘烤时间温度湿度，提高烘烤过程控制度和稳定程度，温湿度自控真正实现，并智能化决策。 1.2.2国外研究的现状 从有烟草生产开始就有晾干的方式，最古老的原始晾制方法是晒制，然后慢慢发展为阴干的晾制。从国外香烟发展的历史上，直到第二十世纪，烟草科学技术在烟叶发酵、烤烟等方面真正开始迅速发展。将近一个世纪，通过许许多多研究烟草的科研人员的艰苦奋斗，如今，烟叶科学技术已经发展到达了一个新高度，也可以说国外的烟叶烘烤发酵技术算是达到很完善健全的阶段。 - 2 - 国外许多国家对烟草烘烤有更先进的研究，例如巴西式烤房算是在中上等烟中好多方面都明显优于别的其他类型烤房的，特别对下部烟叶烘烤成效好，但造价高、耗煤量大、烘烤成本也比较贵。韩式烟叶烘烤炉，温度湿度的控制效果明显，中部烟叶中烤出上等烟比例高，煤的用量也还是最少的，但是价格会昂贵。要进一步吸收国外烟叶烤房设计的优势，提高中、下部烟叶烘烤过程，并且促进。 近二十年来，科学家们继续完善现有的烟草生产和加工技术，同时，也做了很多的创新研究开发和改进与完善。从总体上看，国际的烟叶烘烤技术和设备已达到了相当成熟的阶段并得到了普遍的选用，近年来，国际烟草界并没有因为技术达到成熟阶段，就停止了进一步的研究与开发工作，深入的研究和开发工作取得了许多的新成果，完善了烘烤烟叶技术和烘烤设备，达到了一个新的技术水平。 我国烟叶科学技术研究距离具有国际先进水平的烘烤技术还有些差别，鉴于烟草确保我们的产品质量和竞争力，我国必须注重研究工作，并主要投资于技术，努力短期缩小和国际之间的差距，尽快提高烟叶烘烤技术水平和烟草行业的整体竞争力。 1.3本文的主要内容 在本文中，新型的烟叶烘烤温湿度控制设备，将改变以往的那种需要操作人员，通过查看模拟显示仪温度、湿度的显示和阀门与风门状态，而对阀门和风门等执行设备需要人为地操作来调节发酵室内的温、湿度的方法，原来的方法不仅烘烤发酵效率低、劳动强度大，而且要严格达到烟叶的发酵过程当中所规定的参数值，保证烟叶的品质是很困难的。本文针对烟叶发酵过程中温、湿度变化的特点，该系统通过过程监控、参数显示与设定、声光报警、报表输出、历史数据保存等功能实现发酵过程的自动化。降低发酵成本，保证发酵质量，对香烟质量提高，起着重要作用。 由于发酵室的空间大，而且烟包堆放多，加湿加温装置在发酵室的一侧。所以是一个分布参数的大惯性滞后系统。加热蒸汽的压力和发酵室散热条件的变化是随机变化的，对系统形成随机干扰。 烟叶发酵的温湿度测控系统的主要参数: 该系统由单片机最小系统，数据采集系统，测量处理的温度控制系统组成，并利用人机通道实现温度的显示。 设计要求:温度范围:0?80?，控制精度:升温?2?，恒温?1? 相对湿度:湿度范围:20%80%，控制精度:升温?5%，恒温?2% 升温速率:温度(080?)时间(23天) - 3 - 第二章 系统总体方案设计 2.1卷烟生产的主要工艺生产过程 现代的卷烟产品的生产过程大致分为七个步骤，烟叶初烤，打叶复烤，烟叶发酵，卷烟配方，烟支制卷，卷烟包装的工艺流程。经过这些生产过程，才能转到消费者手里。烟叶初烤、复烤后，没有经过一年以上储存的烟叶统称为新烟。新烟在品质上距正常标准还有一段距离，会有刺激性大，烟气粗糙，香味不能显露等缺陷，有些还会唇线苦，辣，涩等缺点。因此新烟在卷制之前需经过自然醇化或人工发酵的过程，使烟叶杂气消除，香味显现，刺激减弱。烟叶发酵分为自然发酵和人工发酵法。 人工发酵法是模拟自然发酵法的原理，是将未经储存的新烟放在有温湿度控制系统的发酵室内，利用电子设备精准的自动控制温度湿度来使烟叶发酵进程加快的方法，减少人工干预，省工，省时，干净、安全的生产烟叶，在最短的时间改善原料品质的效果。 2.2系统控制系统方案设计 根据工艺过程和设计要求，设计了两个方案。 方案一: 温度检测电路 A/D转换电路 单 显示电路 湿度检测电路 555振荡电路 片 温度控制电路 加热炉 机 报警电路 湿度控制电路 湿度控制器 图2.1 系统控制原理框图方案一 方案一所设计的发酵室温湿度控制主要由单片机、温、湿度检测及变送模块、温、湿度控制模块、显示模块、键盘电路模块、报警模块等五部分组成。温度检测电路运用了温度传感器采样，对温度进行实时采样并立即将模拟信号转换成数字信号传输给单片机。湿度检测电路原理相同。系统可通过键盘对烟叶发酵室温湿度进行预设，单片机根据当前室内监测和处理后的温度和预设温度进行比较结- 4 - 果，并由此控制电路来调节加热炉和加湿器，当室内温度与要求温度不符时，蜂鸣器将进行报警，从而使室内温湿度迅速达到预设值并保持恒定。该系统由显示电路显示当前温度，不仅可以容易理解，还能一目了然。 方案二: 温、湿度数字传感器 单 显示电路 片 温度控制电路 加热炉 报警电路 机 湿度控制电路 湿度控制器 图2.2 系统结构控制图方案二 方案二所设计的发酵室温湿度控制主要由单片机、温湿度数字式传感器、温、湿度控制模块、显示模块、报警模块等几部分组成。其中温湿度检测由数字式传感器传输数字信号到单片机。选择数字式传感器可以直接传输数字信号给单片机，减少了A/D转换的过程，简化了电路，在硬件方面，使电路简洁。 方案一与方案二相比较，两种方案的方案一中硬件方面比方案二复杂，方案一中运用了两个模拟传感器，并且需要增加一个模数转换器，方案二中运用了一个数字式传感器就代替了三个原件，但是方案二中运用的温湿度的数字式传感器价格昂贵，而且二者在实现传输功能中的效果是一样的，因此，根据系统设计要求与性价比综合考虑，本设计选择方案一。 2.3系统总体方案设计 2.3.1系统控制器的选择 单片机不只是能实现简单逻辑功能的芯片,而是把完整一个计算机系统集成到这一个小小芯片上。它也是嵌入式控制系统的重要组成部分，就等同于一个微型的计算机，与计算机相比，单片机只缺乏I/O配置。一块芯片就相当于一台计算机。单片机的特点有集成度高，通用性好，功能大，特别是体积小，重量轻，耗能低，价格便宜生产成本低，可靠性能高，易于嵌入，抗干扰能力强而且使用- 5 - 方便，在数字、智能化方面有广泛的用途。而且控制功能比较强大，可以通过芯片进行扩展，几乎可以完成所有的现场控制功能。在要求较小或成本要求较低的控制系统中，单片机应当首选。 PLC比单片机“大”，即“体积大”、“功能完善”。但实际上，PLC里面用的单片机芯片大多都是工业级的，并且其余组成元件也都经过了标准化处理，因此PLC的稳定性和抗干扰性都比普通的民用级单片机芯片好许多。正因为PLC在各种方面比单片机“大”，是以价格昂贵。同样的任务可以用单片机与PL来能完成，显然来说采用PLC方案就会增添许多控制系统的成本。PLC体积大有时也会使PLC的应用受到限制。 工控机即工业控制计算机，是一种选用总线结构，对生产加工及机电设备、检测工艺装备与控制的工具的总称。简单易懂的说，是特地为了工业现场而设计的计算机，它的机箱是钢制造，有防震设计，连续工作时间长，机箱里面有专用电源并且有较强的抗干扰能力。由于更多的专业的特点，工控机要比普通计算机贵上很多。工控机体积比plc和单片机大很多，而且价格昂贵，烟叶发酵室并没有工业现场那么震动，灰尘那么多，需要的系统控制器的所在环境较好，因此并不需要工控机控制。 根据系统设计要求，综合各个方面的考虑，本设计选择单片机。 2.3.2检测元件的选择 根据系统的设计要求及原理框图，需要检测温度，湿度。 (1)测温元件 现代信息技术日新月异，能够进行温度检测的原件有:热电阻，热电偶、AD950。 热电阻是最常用测量中低温区的一种温度检测器。普遍应用于测取-200+850?C范围内的温度，热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度变化而变化这一特征来进行温度测量的。热电阻的主要特点是体积小，测量的精度比较高，而且性能稳定。不会造成热负载，不仅是普遍应用于工业测温，还被制作成标准的基准仪。热电阻多半由纯金属原料制成，当前用的最多的是铂和铜，用于制造热电阻的材料应具有尽量大和稳定的电阻温度系数和电阻率，最好使输出呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。但是热电阻不是很结实，大电流也会造成自产热，如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。 在温度测量仪表中最常用的测温元件就是热电偶，应用极为广泛，它的优点是构造简单、方便制作、测量限度广、精度高、惯性小和输出信号利于远传等，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势的信号，通过、利用电气仪表转换成被测介质的温度。各种热电偶通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等几- 6 - 个重要部分组成，但是外形经常因为需要而不相同，一般和显示仪表、记录仪表还有电子调节器配套使用。经常被用来作为测量在炉子、管道内的气体或液体的温度，以及固体的表面温度。 热电偶的测量范围非常广。常用的热电偶在零下50度1600度中都可以持续测量，某些特殊热电偶如金铁镍铬最低可测到-269度，例如钨、铼最高可达2800度，热电偶一般由贵金属制成，材料贵重，而测温点与显示的仪表的距离却很远为了节省材料，降低一些成本，大都会采用补偿导线把热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上，通常称为冷端补偿。在热电偶用来补偿导线时必须注意模型匹配，极性不能错，导线和热电偶连接端不能超过100?的温度差。 AD590是美国模拟器件公司制造的单片集成两端感温电流源。AD590的测温范围为-55?,+150?。 AD590的电源电压范围为4V,30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590能够经受44V正向电压和20V反向电压，于是器件反接也不会被损坏，精度高。AD590共有五档I、J、K、L、M，其中M档精度最高，在-55?,+150?范围内，非线性误时，AD590传感器的输出电流是 差为?0.3?，以绝对温度定标:1A/K，0?273.16A . AD590可以测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，普遍应用于不一样的温度控制场合。因为AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，经常使用于测温和热电偶的冷端补偿。 根据系统设计要求高实时性，稳定性、快速性、温度范围等设计要求本设计选择AD590芯片。 (2) 测湿元件 如今科技是十分先进的，空气中湿度的测量方法也越来越多，但是其原理是不变的，把物质置于空气中吸收水分，产生物理或化学变化，通过这个变化可以间接获得该物质的吸水程度，从而测出周围空气的湿度。 湿敏元件是最简单的湿度传感器，其中以电阻式、电容式为主。 湿敏电容根据其材料吸湿后的介电常数发生变化进行湿度测量，湿敏电容的主要优点是灵敏度高、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其中芯片HS1101具有全互换性，在标准环境下不需校正;在长时间饱和下可以快速脱湿;可靠性高，稳定性时间很长;专利的同态聚合物结构;反应时间很快。 湿敏电阻是根据其材料吸湿后的电阻发生变化进行湿度测量，湿敏电阻的温度的依存性小可以用作空调，加湿器等电器，磁滞小可以使用在楼宇空调中，而- 7 - 且其湿度感知范围广，小型，轻量。然而，由于电阻受温度的影响较大, 固有的温度系数决定它不能工作在很宽的温度范围内。 除了这两种湿敏元件外，还有集成湿度传感器和单片智能湿度传感器。集成湿度传感器和智能湿度传感器虽然与湿敏元件组成的传感器相比有许多优点，但价格昂贵，让人难以接受，性价比太低，而且本系统设计对传感器的要求精度不是很高要能够满足相应的测量范围就可以了，因此本设计选择的湿度传感器选择的芯片是HS1101。 2.3.3输入通道方案选择 在生产过程中随时间温度和湿度连续变化，由传感器检测并转换为模拟信号，并通过模拟量输入通道送至计算机。模拟量输入通道的任务是把传感器检测并转换的模拟电信号转换成数字信号，再经过接口送入计算机。所以要有A/D转换器的加入。 A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，它是将模拟量转换成数字量的电子器件，信号采样和量化都主要是由A/D转换器实现的。 A/D转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接A/D转换器和直接A/D转换器。间接A/D转换器首先将输入模拟电压转换成时间或频率，继而再把中间量转换成数字量，常用的有中间量是时间的双积分型A/D转换器。直接A/D转换器则直接转换成数字量，常用的有并联比较型A/D转换器和逐次逼近型A/D转换器。 并联比较型A/D转换器:它能将输入的模拟信号直接转化为输出的数字信号而不需要经过中间变量，因此转换速度快是它的突出优点，同时，转换速率与输出码位的多少无关。并联比较型A/D转换器的缺点是成本高、功耗大。适用于要求高速、低分辩率的场合。 逐次逼近型A/D转换器:它产生了一系列的比较电压V，但不同与并联比较型A/D转换器，它是逐一产生比较电压，依次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。它比并联比较型A/D转换器的转换速度慢，属于中速A/D转换器件。由于它需用的元器件比并联比较型少，所以它是应用较广的一种。 双积分型A/D转换器:它开始将输入的模拟电压信号转换成成正比的时间宽度信号，继而在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲技术，计数器输出的计数结果就是对应的数字信号。双积分型A/D转换器优点是抗干扰的能力强;稳定性不错;可实现高精度的模数转换过程。缺点是转换速度低，因此这种转换器大多应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中。 其中分辨率是指A/D转换器的输出位所代表的最低数值，通常用转换后数- 8 - 字量的位数来表示。本设计选择八位的A/D转换器。根据采集信号数有八路模拟通道数。四路采集温度信号采样，四路采集湿度信号采样。通过比较三种A/D转换器的优缺点，本设计选择应用较广且性价比较高的逐次逼近型A/D转换器。 2.3.4输出通道的方案选择 根据工艺和控制要求选系统共用了两组继电器，分别用来接加湿器、加热炉。单片机可自动控制继电器的开关状态，开启相应的设备，进而对系统的温湿度进行控制。 由于电机的驱动电压为380V，而单片机的最大输出电压为5V, 因此并不能直接把电机接到单片机上来达到控制的目标，它们之间必须有驱动电路，我们通过继电器用220V的电压开关来控制380V的电机的启停，然后我们再通过继电器用5V的电压开关来控制220V的电压开关，所以，间接地控制电机的启停 本设计选择固态继电器，是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件完成了控制端与负载端的阻断。固态继电器的输入端用细微的控制信号，完成直接驱动大电流负载启动。 固态继电器SSR-40DA的输出电路可与数字电路很配，所以不需要再进行D/A转换，既减少电路的复杂性，还减少了信号转换的过程。 2.3.5外围接口设备的选择 (1)显示器的选择 可以做显示器的有:LED,LCD,CRT等。 CRT显示器是一种使用阴极射线管的器件。它曾是应用最广泛的显示器之一，CRT纯平显示器的优点是可视角度大、无坏点、色彩还原度高、色度均匀、可调节的多分辨率模式、响应时间极短等LCD显示器难以逾越的优点，而且以前的CRT显示器价格要比LCD显示器便宜不少。CRT的维护要求是尽量不要让CRT显示器在灰尘过多、温度较高的地方工作，并且注意避免电磁场对CRT显示器的干扰。 LED使用的是低压电源，供电电压在直流3-24V之间，根据产品不同而不同，也有少数的不在那个区间，所以它使用的电源特别安全，特别适用于公共场所。消耗能量特别少，较同光效其他灯都减少很多的能量。体积很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，可以人一直呈各种形状的显示频，方便，制作材料里不含有害金属汞等有害物质，减少对环境的污染。 LCD 液晶显示器也是低压功耗小，外观小而精致，厚度仅有6.58mm，并无眩光，不刺激人眼，也不会引起眼睛疲劳，能够显示的信息量很大，像素能够做的小，在色谱上可以非常准确的呈现，没有电磁辐射，对人体安全，这种器件几乎没有什么劣化问题，因此寿命极长。 - 9 - CRT这种显示器工作环境要求较高，并不方便本设计使用，而且在现实中已经渐渐要被取代，LCD比LED有更多的优点，但是价格上比较贵，并且本设计并不需要对显示屏的要求并不需要那么高，LED价格适中，在现在工厂中使用比较普遍，也适用本设计的场合，LED的8字数码管是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式来显示信息，它的特点是亮度高、功耗小、微型化、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定，它分为共阴极和共阳极，二者的不同点表现在于显示字符的编码有差别。显示的方式分为动态显示和静态显示，动态的要比静态的节省I/O口。 根据系统的设计要求，本系统的显示器需要有功耗小、微型化、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定的特点，本设计选择LED的CRT是一种使用阴极射线管的显示器8字数码管显示器，采用动态显示的方式。 因此，根据系统设计要求，本设计选择LED。对于LED显示器，根据控制系统要求选择八位显示位数，采用动态显示。 - 10 - 第三章 系统硬件设计 3.1 控制单元电路设计 根据系统总体方案设计，本系统采用单片机作为控制器。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，它的出现为很多的嵌入式控制系统提供了一种灵活的且价廉的方案。 140P1.0Vcc239 P1.1P0.0338P1.2P0.1437 P1.3P0.2536P1.4P0.3635 P1.5P0.4734P1.6P0.5 833P1.7P0.6932RSTP0.7 1421T0P2.0 1522T1P2.11223INT0P2.2 3124EAP2.31025RXDP2.4 1126TXDP2.52927PSENP2.6 28P2.72017 VssRD1816XTAL2WD1913 图3.1 AT89C51引脚图 XTAL1INT130ALE 3.1.1管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，都被定义为高阻输入。P0能够存储外部程序数据，也称为外部数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口是原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口:P1口是一个8位双向I/O口而且在内部提供上拉电阻，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输- 11 - 入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是因为是内部上拉的原因。在FLASH编程和校验时候，P1口作为低八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当作为外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部的上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能:P3.0 RXD(串行输入口)，P3.1 TXD(串行输出口)，P3.2 INT0(外部中断0)，P3.3 )P3.4 T0(记时器0外部输入)，P3.5 T1(记时器1外部输INT1(外部中断1入)，P3.6 WR(外部数据存储器写选通)，P3.7 RD(外部数据存储器读选通)，P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器将器件复位时，要保持RST脚高电平两个机器周期的时间。 ALEPROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。 EA/VPP:当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 - 12 - XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 本系统设计中单片机的P0口连接了LED显示器，P1与P2口连接A/D转换器ADC0809芯片，P3.0 RXD，P3.1 TXD连接了控制电路，P3.2 INT0，P3.4 T0，P3.5 T1连接了报警电路声光报警。复位电路连接了复位开关。 3.1.2 晶振电路 晶振电路晶振是为电路提供频率基准的元器件，通常分成有源晶振和无源晶振两个大类，无源晶振需要芯片内部有振荡器，并且晶振的信号电压根据起振电路而定，允许不同的电压，但无源晶振通常信号质量和精度较差，需要精确匹配外围电路如电感、电容、电阻等，如需更换晶振时要同时更换外围的电路。有源晶振不需要芯片的内部振荡器，可以提供高精度的频率基准，信号质量也会比在XTAL1无源晶振要好。如下图3.2接单片机的XTAL2口，接单片机的XTAL1口,和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器电，并产生振荡时钟，为单片机提供稳定的时钟。而且单片机都是严格按照机器周期来执行的每条指令的运行，晶振电路提供了机器周期。电容C2和C3通常取值为30PF，对振荡频率输出的稳定性、大小及起振速度有少量的影响。 XTAL2C230pFY1 11.0592MC330pFXTAL1 图3.2 晶振电路 3.1.3 复位电路 单片机复位电路就相当于电脑的重启部分，在使用电脑中，当出现死机，按下重启按钮，电脑内部的程序将从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序错乱的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片- 13 - 机复位。 VCCC3 10uF R1RST 10KKR2200 图3.3复位电路图 单片机最小系统图: 图3.4 单片机最小系统图 3.2 信号检测电路设计 3.2.1温度检测电路与温度传感器的介绍 温度检测电路是整个单片机温度控制系统设计中不可缺少的一部分。本系统要求对发酵室内温度进行实时采集与检测，在确保安全的情况下对待加工器件进行热处理。 根据要求，本系统的温度检测电路主要有传感器、运算放大器及A/D转换器组成。经固定周期对发酵室内温度进行检测，实现加热功能，并使系统安全稳定。 1. 温度传感器的选择 由于本次设计的烟叶发酵室要求温度范围0,80?，控制精度:升温?2?，恒温1?。为满足设计要求选用AD590传感器，其具体参数如下: AD590的测温范围为-55?,+150?。电源电压范围为4V,30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化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。 - 14 - 此温度传感器是工业最常用温度检测元件之一。其优点是: AD590是一款2端口集成电路温度传感器，可产生与绝对温度成比例的输出电流。在4V至30V的电源电压范围内，AD590调节系数为1 A/K，可作为高阻抗)恒定电流的调节器。单片集成电路的天生低成本，加上无需外围支持电路，使得AD590成为许多温度测量场合最具吸引力的选择方案。线性电路，精确电压放大器，热阻测量电路以及冷接点补偿等等，在AD590应用中都不再需要。AD590提供可选的芯片封装，适用于混合电路以及受保护环境中的快速温度测量。AD590在遥感应用中尤其有效。因其高阻抗电流输出，器件对远程传输的压降并不敏感。任何良好绝缘的双绞线都足以应付距离接收电路数百英尺以外的操作。AD590的输出特性也让其轻松实现复用:电流可由CMOS多路复用器选择，而供压则可被逻辑门输出任意切换。 图3.5 温度传感器检测图 2.湿度传感器的选择 由于本设计要求湿度范围:20%,80%，控制精度:升温?5%，恒温?2%，为满足设计要求选用HS1101传感器，其具体参数如下:宽量程:0,100%RH，稳定，比例线性的频率输出，精度?5%RH ，工作温度范围 40100?，采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造，带防护棒式封装;10VDC恒压供电，1-4VDC放大线性电压输出，便于用户使用，防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质。 - 15 - 图3.6 HS1101湿度传感器实物图 HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用的方法是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。 它有以下几个特点: 1、在标准环境下并不需要校正2、即使长时间饱和也可以快速脱湿3、可以自动化焊接，包括波峰或水浸4、高可靠性与长时间稳定性5、专利的固态聚合、可用于线性电压或频率输出回路 7、反应时间短。 物结构 6湿度电容检测原理图如下: 图3.7 湿度电容检测原理图 3.3 前向通道电路设计 本设计采用ADC0809作为数模转换的主芯片。ADC0809是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。利用它可直接- 16 - 输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。 1) 主要技术指标和特性 (1)分辨率: 8位。 (2)总的不可调误差:?1LSB。 (3)转换时间: 取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，T=128s。 CONV(4)单一电源: +5V。 (5)模拟输入电压范围: 单极性0,5V;双极性?5V,?10V(需外加一定电路)。 (6)具有可控三态输出缓存器。 (7)启动转换控制为脉冲式(正脉冲)，上升沿使所有内部寄存器清零，下降沿使A/D转换开始。 (8)使用时不需进行零点和满刻度调节。 2) 内部结构和外部引脚 ADC0809的内部结构和外部引脚分别如图3-7和图3-8所示。内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然，在此就不再赘述，下面仅对各引脚定义分述如下: 图3.7 ADC0809的内部结构图 (1)IN,IN8路模拟输入，通过3根地址译码线ADD、ADD、ADD来07ABC选通一路。 (2)D,DA/D转换后的数据输出端，为三态可控输出，故可直接和微70处理器数据线连接。8位排列顺序是D为最高位，D为最低位。 70- 17 - (3)ADD、ADD、ADD模拟通道选择地址信号，ADD为低位，ADD为高ABCAC位。地址信号与选中通道对应关系如表3-2所示。 (4)V(+)、V(-)正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络RR的基准电压。在单极性输入时，V(+)=5V，V(-)=0V;双极性输入时，V(+)、V(-)RRRR分别接正、负极性的参考电压。 (5)ALE地址锁存允许信号，高电平有效。当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。在使用时，该信号常和START信号连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。 (6)STARTA/D转换启动信号，正脉冲有效。加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始A/D转换。如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，重新从头开始转换。 (7)EOC转换结束信号，高电平有效。该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。该信号可作为被CPU查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需由外电路第一次启动。 (8)OE输出允许信号，高电平有效。当微处理器送出该信号时，ADC0809的输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读走。在中断工作方式下，该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。 图3.8 ADC0809的外部引脚图 ADC0809是一个典型的逐次逼近型8位A/D转换器。它由8路模拟开关、8位A/D转换器、三态输出锁存器及地址锁存译码器等组成。它允许8路模拟量分时输入，转换后的数字量输出是三态的(总线型输出)，可以直接与单片机数据总线连接。ADC0809采用+5V电源供电，外接工作时钟。 - 18 - 1.时钟信号:由于ADC0809无片选端，因此电路增加了或非门74LS02，以便对ADC0809进行读/写控制。单片机采用12MHz/s的晶振，ALE输出2MHz/s时钟信号，经74LS74触发器4分频，得到500KHz的时钟信号，与ADC0809的时钟端CLK相连。 2. 通道选择:三位通道选择端ADDA、ADDB、ADDC与数据线P1口的低三位P2.0、P2.1、P2.2相连，用数据线进行通道选择，由P2.0、P2.1、P2.2三位决定选择那一通道。 3. ADC0809启动:ADC0809的启动端START、地址所存端ALE均为高电平有效。将START和ALE连在一起，与74LS02的输出端相连。或非门74LS02的两个输入端/WR和P2.3均为低电平时，其输出为高电平，执行外部I/O口的写操作。 4. 转换数据的读取:当转换结束时，EOC端输出高电平。可用查询和中断的方法进行数据读取处理。输出允许OE端为高电平，8位转换数据D0D7输出到数据线上。只有 P2.3和/ RD同时为低电平时，OE端才为高电平。执行外部I/O口读操作/ RD为低电平。 5. 转换结束标志EOC:转换结束标志EOC端经反向器与单片机的/INT1相连，即转换一旦结束，外部中断1则申请中断。 图3.9 单片机与A/D模数转换电路接口图 3.4 控制电路设计 固态继电器(Solid State Relay,缩写SSR)，是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关。用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离。固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。 - 19 - 固态继电器由三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。 (1)输入电路 按输入电压的不同种类，输入电路可分为三种，直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路。 (2)隔离(耦合) 固态继电器的输入输出电路的隔离和耦合方式有两种，光电耦合和变压器耦合。 (3)输出电路 SSR的功率开关直接接入电源与负载端，完成对负载和电源的通断切换。主要利用有大功率晶体三极管(开关管-Transistor)，单向可控硅(Thyristor或SCR)，双向可控硅(Triac)，功率场效应管(MOSFET)，绝缘栅型双极晶体管(IGBT)。 固态继电器SSR-40DA是一种无触点开关由固态元件组成，优点是工作时安全可靠、无触点、无火花、寿命长、无污染、高绝缘、高耐压、低触发电流、开关速度快、可与数字电路巨配，它的原料为阻燃型环氧树脂，利用灌封技术，使与外界隔断，还具有耐压、防潮、防腐、抗震动等良好的性能。固态继电器里面采用电压过零控制电路，负载过零时关断的特性，就在负载上可以得到一个完整的正弦波形。因此电路的射频干扰很小，可降低感性负载的反电动势，例如风扇、三相电动机等负载以及驱动阻性负载时可显著降低浪涌电流，如白炽灯、发热丝等负载这些优点,其内部结构如图3.10所示。 图3.10 SSR-40DA内部结构图 在闭环控制系统中用于控制被控对象，被控对象为加热炉与湿度控制器，采用对加在加热炉与湿度控制器两端的电压进行通断的方法进行控制，对电炉丝通断与加湿器的控制采用SSR-40DA固态继电器。它的使用极为简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关。当单片机RXD 、TXD口线输出驱动信号，经反相器后输入固态继电器。单片机RXD输出为低电平时，固态继电器的主- 20 - 触点打开，电源为热阻丝供电，开始加热，单片机TXD输出为低电平时，固态继电器的主触点闭合,电源为加湿器供电，发酵室开始加湿。当单片机RXD、TXD口线输出为高电平时，固态继电器主触点断开，系统加热，加湿停止。 图3.11 控制电路图 3.6 外围设备接口电路的设计 1.显示器接口电路设计 根据系统设计要求，本设计选择LED。对于LED显示器，根据控制系统要求选择八位显示位数，采用动态显示。 在本系统中采用动态显示的方法来驱动 4 个七段数码管，交替显示温度和湿度的信息。数码显示电路采用共阳级数码管，由于 AT89C51 单片机每个 I/O 口的拉电流只有 1,2mA，采用三极管驱动，经过 p1.4,p1.7 进行位选,数据通过 P1.0,P1.3 输出,通过译码器(74LS47)转换成适合数码管显示的 7 段数据码。显示部分接到单片机的 P1口上。 图3.12 显示器接口电路图 2.报警电路的设计 - 21 - 在单片机控制系统中，正常的工作状态可以通过数码管显示来指示，以供技术人员参考。但对于某些紧急状态或者异常状态，为了使技术人员不忽视，可以快速的及时的采取措施，往往也需要一种更能引人注意、让人们提起警觉的报警信号。本系统的报警电路包括两种方式，灯光报警和声音报警。D1温度报警灯，D2为湿度报警灯，同时蜂鸣器声音报警。 可以实现声光报警的接口电路比较简单，如图3.13所示。发声组件采用压电蜂鸣器，只需要在它的两条导线上加3V24V的直流电压，蜂鸣震荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、器件小、而且非常适用于单片机系统。本电路的设计中，要考虑与发光二极管串联的限流电阻的大小，如果阻值选择不当会影响二极管的寿命。 图3.13 声光报警的接口电路 3.7电源电路的设计 本系统设计中许多地方需要5v电源，电源电路的设计如下图3.14。 图3.14 5v电源电路图 - 22 - 本系统中还有某些地方使用了12v电源，电源电路的设计如下: 图3.15 12v电源电路图 - 23 - 第四章 系统软件设计 4.1总体设计思想 4.1.1.系统工作原理 本系统设计利用温度传感器与湿度传感器对烟叶发酵室的温湿度进行测量，通过这两个传感器进行模拟信号的采集将采集到的模拟信号通过A/D转换器，转换为数字信号，再将转换后的数字信号通过I/O口传送给单片机并经过处理，同时将结果显示在LED显示器上。当检测到的温湿度出现与设定值不符时，系统将迅速通过PID算法调节温湿度并且达到原始设定的数值，同时，会发出声光报警提示操作员。 本系统的应用程序主要由三部分组成，主程序、中断服务程序和子程序。 4.1.2.程序设计方法的选择 常用应用程序设计的方法有模块化设计和结构化设计两种设计方法。 (1)模块化设计方法: 模块化程序设计是首先把一个复杂的大问题分解，将之分解成一个一个独立的易处理的小问题，这些小问题被称作模块。然后再分别解决这些容易处理的小问题，这样就可以把复杂的问题轻松的解决。这些模块相对独立的且功能单一，这样编写程序就相对简单，能够独立编写调试，测试，更新都以模块为单位，并不影响其他模块。不同的模块可以由不同的开发人员来开发，大家可以同时开发，这样就缩短了开发的周期，最终将其组合成完整的程序，而且开发出的小模块也可以分别应用在不同的应用程序中，减少了重复编写的过程，提高开发效率。 (2) 结构化设计方法: