食品仓储温度控制系统

1、食品仓储温度控制系统河南工业大学计算机控制技术课程设计院（系）：专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：起止时间：键入文档标题食物储藏温度控制系统设计iii课程设计（论文）任务及评语院（系 教研室：:）:电气工程学院名专业班级学号课程设计（论文）题目食物仓储温度控制系统设计设计任务及要求1、确定系统设计方案，包括单片机的选择， 输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、推导PID控制算式，设计PID算法的程 序流程图或程序清单；4、仿真研究，验证设计结果。（ 论 文 ） 任 务5、撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数温度控制范围：-5+5 oC误差小

2、于5% 低于下限或高于上限时报警键入文档标题食物储藏温度控制系统设计食物储藏温度控制系统设计进度计划1初无汀 宀疋 3 ( , 天 十 月 i ;冏 ， 象导打 务 寸 隹 弊 控法写 住 被算撰 7 、 、 、 、天 2 3 4指导教师评语及成绩- : 辩答绩 论成 申 、师 平 总教导指年 月 日9本设计以单片机为核心的果蔬仓储温度控制系统设计，从硬件和软件的思路 来分析其原理，对硬件原理图和程序流程图进行了系统的描述。系统主要功能是 检测现场温度和温度越限报警功能，实现温度的自动测量和控制，并采用PID算法，将温度控制在规定的范围内，通过显示器显示当前温度。本设计单片机控制 部分由2部分

3、组成，第一部分是控制制冷机的制冷量，通过单片机PID算法，输出模拟信号送到变频器，来控制压缩机来控制制冷量。第二部分是控制空调机来 实现温度升高。从而达到将仓储温度控制在最佳温度范围内的控制目的。关键词：单片机；果蔬仓储；温度控制1222错误！未定义书签。第1章绪论第2章课程设计的方案2.1概述2.2系统组成总体结构第3章硬件设计3.1单片机最小系统设计 43.2核心芯片的选择 53.3A/D转换器的选择 63.4模拟量传感器的选择 73.5变频器的选择 83.6LED显示与键盘电路 83.7系统总电路图 9第4章软件设计 104.1单片机软件设计 104.2系统设计流程图 13第5章课程设计

4、总结 19参考文献 20键入文档标题食物储藏温度控制系统设计第1章绪论我国北方冬季寒冷而漫长，大力推广果蔬仓储来满足人们日常生活对水果蔬 菜的需要，随着人们生活水平的日益增长，对果蔬的要求也较高，对果蔬储存的 最重要的一个因素就是温度控制。冬季对果蔬储存是一个对温度要求较高的设计， 当温度过高时，水果和蔬菜会发变质发烂：当温度过低时，对水果蔬菜会造成冷 冻状态，失去原有的味道，所以对仓储的温度要求是非常高的。仓储温度采集系统主要应用在对果蔬的储藏，本系统由检测软件、A/D转换器、单片机、传感器组成。采集控制器可接传感器，控制器报警输出以一个采集 控制器为一个采集单元，报警输出参考值可以是2采集

5、点平均温或单点温度，平均温度报警输出更加合理，更加准确绝对避免温度突变误报。采集器防水处理可 以安装在-5+5 0C的仓储温度范围内，可壁挂式安装或嵌入式安装。温度控制系统主要适用于药品储藏、食品储藏、水果储藏、蔬菜储藏、疫苗 储藏，血液储藏等，但本设计方案主要对于水果和蔬菜的储存温度进行控制设计。随着科学发展的进度和对水果蔬菜最适温度的研究，对仓储温度的要求也越 来越高，为了让人类的生活更加完美，吃到的水果蔬菜既新鲜又美味，仓储温度 的控制系统起着重要作用，为了使单片机控制温度更加精密，所以对系统的要求 更咼。17第2章课程设计的方案2.1概述本次设计主要是综合应用所学知识，对果蔬仓储温度系

6、统进行设计，并在实 践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“单片机”课 程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型单片机系统设计的基本方法。应用场合：应用于蔬菜、水果仓储储存，冷库温度控制系统有一个脉冲温度传感器，通过脉冲计数可以显示冷库中的温度值。控制器由12V蓄电池供电。系统功能介绍：利用传感器采集现场温度，并通过 A/D转换器将模拟信号转 化为数字信号送入单片机中，通过 PID算法将温度控制在规定范围内，从而达到 对仓储温度控制的目的。2.2系统组成总体结构仓储储存在我国北方是比较常见的一种对水果和蔬菜的储存方法，其主要是 检测仓储内部的温度，并将温度控制在规定范围

7、内，保证水果蔬菜新鲜。本设计 温度控制以单片机为核心，选用 8052芯片作为控制器件。果蔬仓储的电源采用交流电，使用可控硅来控制温度功率，本设计采用单相 220V交流电即可。该温度控制系统启动后，能够按实测温度和设定温度通过单片机的运算输出 信号从而控制双相晶闸管的导通角，来控制果蔬仓储冷却功率，调节温度使温度 保存在设定值。在单片机进行运算的同时会进行相应的报警判断，来决定是否输 出报警信号等，采用PID控制算法，将温度控制在规定范围内，并在显示器上显 示出当前温度值。该温度控制系统分为三个部分，温度采样、主机部分和实现部分，在设计单 片机结构的同时要通过PID算法求出当前仓储的温度值，利用

8、专业知识来进行编 程设计，软硬件相结合来完成本次设计，熟练掌握PID计算方法来完成温度值的求得，选用适当的单片机芯片，完成各接口的连接以及各部分的结构图和流程图， 根据各部件要求及设计思路，可得系统结构框图如下所示：图2.1系统总体框图第3章硬件设计3.1单片机最小系统设计本系统所需单片机最小系统如下图所示:nuiUTTOZ1X2EH SE IEDP1P1F1巩P1F1P1P珈 EE»3X>ER 诡7TZ2CDTMD1C图3.1单片机最小系统图图3.1是温度控制系统的结构框图，系统主要由单片机，检测系统及变换电路、 键盘、显示器、变频器、执行机构组成，采用了模块化的设计方案，组

9、建方式灵活, 具有良好的扩展性。驱动仏门控制图3.2温度检测及丨温度控制系统结构框图该系统的性能特点：（1） 可靠性高，在系统设计中对系统可靠性作了充分的论证，同时采取了相应的解决措整个系统的可靠性高，使运行安全、可靠。（2）控制精度高，由于对仓储温度分布进行了分析，找出最佳测量点，在设计方案上采用了开关量控制和模拟量控制以提高精确度，在硬件上采用了高精度的传感器和性能良好的集成芯片，使温度精度进一步提高满足用户对温度要求。（3）可控点多，扩展性能良好，采用平均值算法客服了以往温控制能单点测量某一区的温度值。3.2核心芯片的选择目前，市场上以 MCS-51系列单片机应用最广，配合其生产的芯片业

10、最多，而且51系列以能完成本系统所需要求，价格较低，所以本系统选用 51系列单片机 AT89C52作为核心芯片。AT89C52有 40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O） 接口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计时器，2个双全工串行通 信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。将其通用的微处理器和Flash存储器结和再一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效的降低开发成本。其引脚如图所示其主要功能特性如下：兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O 口256*8bit 内部 RAM3个16位可编程定时/计时器中

11、断时钟频率0-24MHZ2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源2个读写中断口线3.3 A/D转换器的选择A/D转换器采用AD5240芯片，它是采用CMOS：艺制作的单片41/2位A/D转 换器，只要附加译码器，数码显示器，驱动器及电阻电容元件等。组成一个满量 程为2V的数字电压表，其引脚功能及芯片图如下图所示。AD5240主要特点如下：1在每次A/D转换前，内部电路都自行进行调零操作。2具有自动极性转换功能。3所以输出端与TTL电路相等。4有过量程和欠量程标志信号输出，可用作自动量程转换的控制信号。5输出为动态扫描 BCD码。6对外提供6个输入，输出控制信号，因此除用于数字电压表外，

12、还能与异 步接受/发送器，微处理器或其他控制电路连接使用。7 STATUS当输出电压超出量程范围，STATUS将会变高，该信号在 CLK信号结束时 变高，在START阶段开始时变低。8 CLK :时钟输入端，工作于双极性情况下，最高时钟频率为 125kHZ这时 转换次数为3次每秒左右。如果输入信号为单极性的，最高时钟频率为 1kHZ,这 时转换速度为25次每秒左右。9 DGND数字地10 R/H ;启动转换保持控制端，该端接高电平时，转换器自动连续转换。每隔40002个时钟完成一次A/D转换。该端为低电平时，A/D转换结束后保持转换 结果，输入一个正脉冲后，重新启动转换器进行下一次转换。双积分

13、A/D转换工作原理电路先对未知的输入模拟电压 Uin进行固定的时间积分，然后转为对标准电压 进行反向计分，直至计分输出返回起始值，则对标准电压积分的时间正比于模拟 输入电压，输入电压大，则反向积分时间长，用高频率标准时钟脉冲来测量时间， 即可以得到相应模拟电压的数字量。3.4模拟量传感器的选择当将单片机用于做测控系统时，系统总要有被测量信号的输入通道，由计算 机拾取必要的信息，对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的观 察也是不可缺少的环节。对被测对象的状态的拾取，一半都离不开传感器，这是 因为被测对象的状态参数往往是一种非电物理量，而计算机只是一个能识别和处 理电信号的数字系统，因

14、此利用传感器将非电物理量转换成电信号才能完成测量 和控制功能。一般情况下，一切随温度变化而物体性质也发生变化的物质均可作为温度传 感器，一般真正能作为实际中使用的传感器物体可具备如下特点：（1）物体的特性随着温度的变化有较大的变化， 且变化量易于 测量。（2） 对温度变化有较好的 对应关系。（3）性能误差及老化小，重复性好，尺寸小。（4）有较强的耐机械、化学及热作用等特点。(5) 与被检测的温度范围和精度像适应。(6) 价格适宜，适合于批量生产。本系统采用的温度传感器是热电阻，热电阻是温度测量中最常用的传感器， 其测温区宽，测量的准确度和灵敏度都较咼，尤其在咼温范围内，有较咼的精度, 热电阻已

15、经标准化，产品系列化，易于选用。3.5变频器的选择本系统采用的变频器是交流变频器，通过变频器的调速功能来改变执行机构 的制冷机或空调机，从而来改变仓储内部的温度，该系统所选用的交流变频器的 普通型变频器，其主要特点是变速快，结构简单易于维护，操作简单，可靠性高。交流变频器在该系统中主要作用是来改变执行机构对温度调节的速度快慢，本系 统对调节时间要求并不高，所以选用交流变频器能够达到所期望的目的，市场上 普通型交流变频器的价格并不高，对本系统的成本并没有影响，所以该变频器是 满足本系统的最佳变频器。3.6 LED显示与键盘电路本系统采样三位显示作用，第一位显示温度的正负，第二位显示温度的整数位，

16、第三位显示的是温度的小数位，根据规定的温度范围所得。LED显示是由发光二极管组成的显示器，是智能化测量控制仪表中简单而又常用到的设备，常用 来指示机器的状态或其他信息。他的优点是价格低，寿命长，对电压电流的要求 低容易实现等，因而在智能化控制仪表中得到了广泛应用。在多位LED显示时，为了简化电路，通常将所有位的段选线相应的并联在一起， 由一个8位I/O 口控制，形成段选线的复用。而各位的共阳极和共阴极分别由相 应的I/O 口线控制，实现各位的分时选通。各位LED能够显示出与本位相应的显 示字符，必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通 状态，同时，段选线上数出相应的输出码

17、，这样同一时刻，3位LED中只有选通的那位显示数值，本系统显示精确到小数点后一位，例如通过PID检测到当前温度为零上1.5 oC时，相应的显示为，百位+、十位1、各位5。3.7系统总电路图系统电路连接包括单片机，A/D转换，传感器，单片机，显示电路，键盘电 路及执行单元，通过各引脚将各单元连接起来，其连接电路图如下所示。TextTextTextText图3.5总电路图第4章软件设计4.1单片机软件设计本系统设计要求是能够实时的测温并显示所测得的温度以及根据要调节的 温度，采用一定的算法使控制的温度与所调节的相符。在设计该系统时，根据控 制系统的实时测量，实时决策，实时控制来完成，将程序分解成模

18、块来处理。软件程序所要完成的任务：(1) 利用A/D来完成对俩个通道进行选择(2) 键盘扫描、识别、温度显示(3) 数据处理(4) 越限处理(5) PID运算主程序：主程序只需要进行一些 AT89C52本身的初始化，然后等待中断的产 生，初始化包括中断允许寄存器的设置，对中断的优先级IP的设定，T0的初始化，等待中断。T0中断服务程序：T0中断程序是温度控制系统的主体程序，用于启动转换，读入采样数据，数字虑波，越限温度报警和越限处理，计算等。从T0中断程序中，还需要用到一系列的子程序，如温度采用值的子程序，数字滤波子程序限处 理子程序，计算子程序，标度转换程序和温度显示程序。常规PID控制是一

19、种线性控制，如图 4.1所示。图4.1 PID控制原理图在制冷控制中，根据给定温度值r(t)与实际输出温度值c(t)构成控制偏差e(t) = r(t)-c(t)，然后将偏差按比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，控制被控对象，控制规律是：u(t) = Kpe(t) + 1/T je(t) +丁4嚮其中，KP是比例系数，TI是积分时间，Td是微分时间。对于制冷机来说，采用变频器来控制，因此其PID控制规律可采用增量式差分方程：.心(k)二u(k) -u(k -1) = 2e(k) -e(k -1) T/e(k) Td/Te(k) - 2e(k -1) e(k - 2) 其中，K为采样序号，u

20、(k)是第K次时计算机输出值，e(k)是第K次采用输入 差 值，e(k -1)为第K-1次采用输出偏差值。把测得的仓储温度与设定值相比，便可得到二者的偏差，然后经过PID的运算，得到控制器的输出量，驱动变频器改变执行机构功率，来改变仓储内部的温 度。PID参数的整定控制系统质量的好坏取决于控制器与被控对象之间的特性配合是否恰当，因 此PID控制器的参数应由被控对象来空调机来确定。由于空调机是一个多参数， 大惯性的对象，可将其看作延迟对象，应满足：Gs 二 Ke/1 Ts其中，Ts是空调机的时间常数，由于被控对象中有储能环节，对于突变的输 入，其输出不能立即复现，因此时间常数Ts反映了一个系统自

21、动平衡的时间长短，为空调机的延时，表示输出量复现输入量所需要的延时一段时间，为空调机的 增益，K .反映了对象的自平衡性，s为拉普拉斯变换算子。空调机的特性参数K、T、将随着热负荷的大小变化而变化，可以通过实验反复曲线法求得。实验如下，给压缩机一个速度阶跃，空调机的制冷量将对应一 个响应，可以测得空调机响应制冷的一个曲线。然后根据响应曲线求得T、K、分别为：K f；( ：T)/ ：M =( ：T2 ：T1)/(M2M1)T =1.5(t 0.632 -10.28)= 1.5(t0.28 _t0 632/3)其中，AM为空调机流量的阶跃变化，X-=T)为空调机制冷量的变化，t0.28是 空调机响

22、应曲线对应0.28时的时间，t0.632是空调机响应曲线对应 0.632的时间。对应求得：Kp =1.2T/K.;Ti =2；Td =05根据执行机构空调机的参数得到该系统的传递函数为：D(s)二 Ke/1 Ts=Ke11/Ts又因为D(s)二 Kp1 1/Tis Tds所以KP 二 Ke,Ti =T,Td 二 0由增量型公式：，:u(k) =Kpe(k) Kz e(i) KDe(k) _ 2e(k _1) e(k _ 2)其中，Kp = Ke,Ki =KpT/Ti,Kd =KpTd/T本实验选用传递函数为：G( s) = 1/( 0.1s+1) *2/( 0.1s+1)通常取Yo(ti) =

23、O.3Yo(：J，从图中可得到ti =0.32s通常取Yo(t2)= O.7Yo(：)，从图中可得到t 0.78sTo =(t2 -ti)/0.8473 =0.5429t =(1.204t1 -0.3567t 2)/0.8473 =0.1843求得PID调节器控制参数Kp,Ti,TdKp =1/Ko1.35( /To)0.27 =0.36412Ti =To*2.5(. /T) 0.5(. /T) /1 0.6(. /T) =0.4088Td 二To* 0.37( ./To)/1 0.2( To) = 0.0376根据求得的数据计算偏差值，并控制偏差值5%，若偏差值5%，采用PID 参数整定法将

24、偏差值控制在5%以内，这样才能够保证能够实现所要求的温度范围内，即将温度控制在-5+5摄氏度。由此看出，空调机是一个多参数相互耦合的系统，各种干扰导致其右强烈的 非线性，因此在采用滞后一个惯性环节时，进行了线性处理，才得到了PID控制参数，PID控制算法能使空调机的参数 K、T、在一定范围内变化，仍具有一定 的适应性，这也是很多制冷系统采用PID算法的原因。4.2系统设计流程图本系统编程采样单片机编程，利用所学知识来完成各部分编程，本程序设计 采用模化设计思路，这种设计方法特点是便于编程，调试程序，编程效率高，其 基本思路是将整个控制系统的功能分解成几个相应的独立的标准模块，使其在的 每一个模

25、块完成某一特定的功能，使它们的运行不受其他模块的影响。同时，在 整个系统的主程序中，利用顺次查询方式完成数据处理，逻辑运算，功能块调试 等。尽量减少跳转指令，增强系统的可靠性。同时，为增加数据存储的可靠性， 可以采用冗余设计，对重要数据进行备份。增加一个软件定时器，当单片机受到 各种干扰而失效，因此程序跑飞，也可能使程序进入死循环，因此，可以采用程 序监控技术。图4.2主程序流程图通过实验测试及PID控制算法测的得出系统传递函数，根据其PID参数得到相应的PID曲线图，其图形如下图所示：本系统所以程序如下:#i nclude<reg51.h>包含单片机寄存器的头文件#include

26、vintrins.h> /包含_nop_()函数定义的头文件unsigned char code digit10="0123456789"数字/定义字符数组显示un sig ned char code Str="Welcome"un sig ned char code Error="Error!Check!"un sig ned char code Temp="Temp:"度/说明显示的是温度说明没有检测到/说明显示的是温un sig ned char code tab sbit RS=P0A5;sbit R

27、W=P0A6;sbit E=P0A7;/sbit BF=P1A7;void delaylms/寄存器选择位，将RS位定义为P2.0引脚读写选择位，将RW位定义为P2.1引脚/使能信号位，将E位定义为P2.2引脚忙碌标志位，将BF位定义为P0.7引脚un sig ned char i,j; for(i=0;i<10;i+)for(j=0;j<33void dela ynms(un sig ned char n)un sig ned char i;for(i=0;i< n;i+)返回值：result o result=1，忙碌;result=0，温度超过上限bit BusyTes

28、t(void)bit result;RS=0;RW=1;E=1;E=1，才允许读写return result;键入文档标题食物储藏温度控制系统设计void Writel nstructio n (un sig ned char dictate)while(BusyTest()=1);如果忙就等待RS=0;根据规定，RS和R/W同时为低电平时，可以入指令RW=0;E=0;E置低电平void display_expla in(v oid) un sig ned char i;WriteAddress(0x00);/写显示地址，将在第1行第1列开始显示i = 0;从第一个字符开始显示while(St

29、ri != '0') /只要没有写到结束标志，就继续写WriteData(Stri);将字符常量写入 LCDi+;指向下一个字符delaynms(100);延时100ms较长时间，以看清关于显示的说明void display_symbol(void)un sig ned char i;WriteAddress(0x40);i = 0;while(Tempi != '0') / WriteData(Tempi); i+;dela ynm s(50);写显示地址，将在第2行第1列开始显示/从第一个字符开始显示只要没有写到结束标志，就继续将字符常量写入LCD指向下一个

30、字符延时1ms给硬件一点反应时间void display_dot(void)WriteAddress(0x49);写显示地址，将在第 2行第10列开始显示WriteData(T);/将小数点的字符常量写入 LCDdelaynms(50);延时1ms给硬件一点反应时间void display_ce nt(void) un sig ned char m;Writel nstructio n(0x40);写年月日for(m=0;m<40delaynms(50);延时1ms给硬件一点反应时间void display_temp1( un sig ned char x)unsigned char j

31、,k,l;j,k,l分别储存温度的符号、个位、小数位j=0取正l=x%10;/取个位k=x%0.1WriteAddress(0x46);WriteData(digitj);WriteData(digitk);WriteData(digitl); dela ynm s(50);/取小数位/写显示地址，将在第2行第7列开始显示 符号位字符常量写入LCD将个位数字的字符常量写入 LCD将小数位数字的字符常量写入 LCD延时1ms给硬件一点反应时间void display_temp2( un sig ned char x)WriteAddress(0x4a);写显示地址，将在第2行第11列开始显示Wr

32、iteData(digitx);/将小数部分的第一位数字字符常量写入LCDdelaynms(50);延时1ms给硬件一点反应时间void ReadyReadTemp(void)Init_DS18B20();将 DS18B20 初始化Write On eChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作Write On eChar(0x44); /启动温度转换for(time=0;time<100;time+);/温度转换需要一点时间Init_DS18B20();将 DS18B20 初始化Write On eChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作Write On eChar(0xBE); /读取温度寄存器，前两个分别是温度的低位和高位void ma in (void)LcdI ni tiate();将液晶初始化delaynms(5);延时5ms给硬件一点反应时间display_error(); display_expla