鲁晗红薯粉丝压榨机设计之控制部分设计说明书Word文件下载.docx
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AT89C51,AT89C2051singlechipmicrocomputer;
Temperaturecontrol;
PIDalgorithmcontrol;
中文内容提要…………………………………………………………………I
英文内容提要………………………………………………………………II
1绪论…………………………………………………………………………1
1.1课题背景…………………………………………………………………1
1.2课题来源及意义…………………………………………………………1
1.3内部条件…………………………………………………………………2
1.4外部条件…………………………………………………………………2
1.5加工红薯粉丝的工艺分析……………………………………………2
2温度控制方案设计…………………………………………………………4
2.1总体方案设计……………………………………………………………4
2.2单片机控制系统的选择…………………………………………………4
2.3系统设计任务及指标……………………………………………………7
2.4方案设计…………………………………………………………………8
3温控系统硬件设计………………………………………………………12
3.1系统硬件需要完成的任务………………………………………………12
3.2系统硬件设计原则………………………………………………………12
3.3系统硬件设计原理………………………………………………………13
3.4系统硬件电路设计………………………………………………………15
3.5系统资源分配……………………………………………………………20
4温控系统软件设计………………………………………………………22
4.1系统软件需要完成的任务………………………………………………22
4.2系统软件设计的基本原则………………………………………………22
4.3系统程序设计……………………………………………………………23
5温度控制方法与仿真……………………………………………………27
5.1过程控制系统基本原理…………………………………………………27
5.2控制方法简介……………………………………………………………27
6系统抗干扰设计…………………………………………………………31
6.1抗干扰设计的必要性……………………………………………………31
6.2抗干扰措施………………………………………………………………32
设计总结…………………………………………………………………40
参考文献……………………………………………………………………41
致谢…………………………………………………………………………42
1绪论
1.1课题背景
20世纪以来,我国食品工业较改革开放初期有了很大的发展,人民生活有了很大的改善,日益对食品加工和食品包装提出了更高的要求。
发展食品工业的基础便是食品机械。
不断地研制各种类型的食品机械来促进食品工业的发展,以满足不断提高的人民物质和文化生活的需要,使人们从繁重的家务劳动中解放出来,而以更充裕的时间投入到工作中去。
因此研制先进的食品机械,使食品加工迅速地实现机械化和自动化是社会发展必然趋势[1]。
红薯粉丝压榨机是一种专门用于红薯粉丝加工的专用机器。
在加工过程中,对于红薯粉温度控制关系到了红薯粉丝的出产质量,本文就红薯粉丝加工过程中的温度控制显得尤为重要。
1.2课题来源及意义
通过本系的刘学敏老师介绍,通过对红薯粉丝压榨机的设计,熟练所学的有关专业知识,把大学期间所学的知识通过这个毕业设计整合到一起,对之前所学的知识进行巩固和应用,丰富实践知识,亲身感受所学知识与实际的应用,理论与实际的相结合,是对以前所学知识的一个初审,通过独立的设计,在此过程中发现并弥补自己的不足之处,进一步巩固和深化所学的理论知识,为即将参加工作打下良好的基础。
我国的食品机械发展前景十分广阔,究其主要原因是我国人民消费的食品大多是来自农业的未加工食品,每年因缺乏必要的食品加工机械使食品资源不能直接加工、贮藏、保鲜而造成的损失高达几十亿元,未能深加工综合利用而造成的资源浪费损失更高,因此我国食品机械具有广阔的市场前景[1]。
红薯粉丝具有久煮不烂、清香可口、食法多样的特点,是中国大部分地区群众喜爱和常见的食品。
因此红薯粉丝的生产方式得到了大家的关注,随着机械自动化的发展日益成熟,使得红薯粉丝加工变得更加广泛。
然而在此加工同时,加工过程中的温度控制就显得尤为重要了。
所以做好加工过程中温度控制这一方面就解决的红薯粉丝生产中的一个大问题,不仅能是生产的粉丝表面光滑透明而且粉丝的质量也会得到大大的提升。
从而生产出更加优质的产品。
1.3内部条件
通过自身在校已学的知识,例如机械制造技术、互换性与测量技术、机械制图、机械原理、金属工艺学、机械设计、电机与拖动等专业课程。
1.4外部条件
1.毕业设计导师刘学敏老师指导。
2.邵阳学院图书馆有关专业方面的知识书籍和期刊。
3.网络化的机房,可以通过中国知网、中国期刊网、维普网、万方数据网、超星数字图书馆等网站进行有关资料的查询。
4.计算机一台。
1.5加工红薯粉丝的工艺分析
红薯粉丝加工的工艺流程为:
淀粉→打浆→调粉→漏粉→冷却、漂白→冷冻→干燥→成品。
打浆:
先将少量淀粉用热水调成稀糊状,再用沸水冲入调好的稀粉糊,并不断朝一个方向快速搅拌,至粉糊变稠、透明、均匀,即为粉芡。
制100千克干红薯粉丝,需用明矾300克,开水35千克,用作打浆的干淀粉约3千克。
调粉:
先在粉芡内加入0.5%的明矾,充分混匀后再将湿淀粉和粉芡混合,搅拌搓揉至无疙瘩、不粘手、能拉丝的软粉团即可。
如下条太快,发生断条现象,表示粉浆太稀,应掺干淀粉再揉,使面韧性适中;
如下条困难或速度太慢,粗细又不匀,表粉浆太干,应再加些湿淀粉。
调粉以一次调好为宜。
粉团温度在30℃~42℃为好。
漏粉:
将揉好的粉团放在带有小孔的漏瓢中,漏瓢孔径7.5毫米,粉丝细度0.6~0.8毫米。
用手挤压瓢内的粉团,透过小孔,粉团即漏下成粉丝。
距漏瓢下面55~65厘米处放一开水锅,粉丝落人开水锅中,遇热凝固煮熟。
水温应保持在95℃~98℃。
冷却、漂白:
粉丝落入沸水锅后,待其将要浮起时,用小竹竿将其拉入冷水缸中冷却,目的是增加粉丝的弹性。
冷却后,再用竹竿绕成捆,放人酸浆中浸3~4分钟,捞起凉透,再用清水漂过,并搓开互相粘着的粉丝。
酸浆浸泡的目的是漂去粉丝上的色素,除去粘性,增加光滑度。
为了使粉丝色泽洁白,还可用二氧化硫熏蒸漂白。
二氧化硫可用点燃硫磺块制得,熏蒸可在一密闭室内进行。
冷冻:
红薯粉丝粘结性强,韧性差,因此需要冷冻。
冷冻温度为-8℃~-10℃,达到全部结冰为止。
然后,将粉丝放人30℃~40℃的水中使其溶化,用手拉搓,使粉丝全部成单丝散开,放在架上晾晒。
干燥:
晾晒架应放在空旷的晒场,晾晒时应将粉丝轻轻抖开,使之均匀干燥,干燥后即可包装成袋。
成品红薯粉丝应色泽洁白,无可见杂质,丝干脆,水分含量不超过2%,无异味,烹调加工后有较好的韧性,不易断,具有红薯粉丝特有的风味。
2温度控制方案设计
2.1总体方案设计
本文通过对有关红薯粉丝压榨机现存问题的分析,确立以单片机为控制核心,在常规PID控制基础上,应用PID调节原理和模糊控制理论相结合的控制方法,进行硬件和软件设计实现对红薯粉丝压榨机加工温度的实时控制。
本系统任务是对料筒温度进行控制。
考虑到料筒较长且受到其自身热惯性、环境温度以及料筒内的物料的进入时间不同等诸多因素的影响,采用三点测量料筒测温点。
料筒温度控制系统的CPU采用AT89C51单片机,其温度控制系统总体设计框图如图1-1所示。
为了控制料筒的温度,首先要解决好温度检测问题,常用的温度检测元件是热电偶,根据料筒的温度控制要求,选用AD590热电偶测量[2]。
热电偶输出的毫伏级电压信号经隔离放大、A/D转换读入计算机,再调用PID算法子程序求出控制量。
单片机输出的通断信号经隔离放大后,直接驱动固态继电器(SSR)的直流端对加热器功率进行比例控制,以调节料筒温度[3]。
图1-1温度测控系统总体设计
2.2单片机控制系统的选择
以微型计算机(或单片机)为核心部件,扩展一些必要外部接口和设备组成工业控制机的系统,主要用于工业过程控制。
在现代数据采集系统中,大都采用CPU作为仪器或系统的核心。
CPU的采用,不仅可以实现误差的修正和补偿等功能,而且可以显著地提高仪器的灵敏度和精度,同时还可以实现灵敏度的自动切换、超限报警等智能化功能[4]。
单片机体积小、价格低、可靠性高、使用方便灵活、功能愈来愈强,在中小型控制系统中,单片机基本上取代了微型计算机。
微电子技术发展迅速,目前各个公司不断采用新技术,使单片机的种类、性能不断提高,应用领域不断扩大。
如ATMEL公司的89C51芯片,片内含有4KBEPROM;
89C51FA芯片,片内有8KBEPROM;
89C51FB芯片,片内有16KBEPROM;
8051是MCS-51系列的典型产品,8051单片机最早由Intel公司推出,8051型单片机具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点,能够很方便地完成普通单片机的功能,控制能力增强,提供了便利的开发环境,应用广泛[5]。
AT89C5l是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内有4KB的可反复擦写的程序存储器和256B的随机存取数据存储器,器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容,片内配置通用8位中央处理器和Flash存储单元。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89CS,是一种高效微控制器。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
功能强大的AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域[6]。
因此,本系统拟采用AT89C51型单片机为控制核心,对红薯粉丝压榨机的温度检测控制系统进行设计。
目前,AT89C51单片机在工业控制、智能仪器、家用电器等领域得到了广泛应用。
2.2.1AT89C51单片机系列特点
ATMEL89系列单片机是以8031核心构成的,所以,它和8051系列单片机是兼容的系列。
这个系列对于以8051为基础的系统来说,是十分容易进行取代和构造的。
故而对于熟悉8051的用户来说,用ATMEL公司的89系列单片机进行取代8051的系统设计是轻而易举的事[6]。
89系列单片机有以下明显的优点:
(1)内部含Flash存储器
在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改大大缩短了系统的开发周期。
同时,在系统工作过程中,能有效地保存一些数据信息,即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。
(2)与80C51插座兼容
89系列单片机的引脚是和8OC51一样的,所以,当用89系列单片机取代80C51时,可以直接进行代换。
这时,不管采用40引脚亦或44引脚的产品,只要用相同引脚的89系列单片机取代80C51的单片机即可。
(3)静态时钟方式
89系列单片机采用静态时钟方式,所以可以节省电能,这对于降低便携式产品的功耗十分有用。
(4)错误编程亦无废品产生
一般的OTP产品,一旦错误编程就成了废品。
而89系列单片机内部采用了Flash存储器,所以,错误编程之后仍可以重新编程,直到正确为止,故不存在废品。
(5)可进行反复系统试验
用89系列单片机设计的系统,可以反复进行系统试验;
每次试验可以编入不同的程序,这样可以保证用户的系统设计达到最优。
而且随用户的需要和发展,还可以进行修改,使系统不断能追随用户的最新要求。
2.2.2AT89C51模块结构
AT89C51单片机的内部结构,如图1-2所示。
其主要结构有:
微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(FLASH)、I/0口(P0、P1、P2、P3口)、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器(SFR)等[7]。
图1-2单片机的内部结构
2.3系统设计任务及指标
2.3.1系统设计任务
系统任务组成框图如图1-3所示。
图1-3系统任务组成框图
2.3.2指标的确定
温度测量范围:
0-280℃
测量精度:
≤士1.0℃
温度控制范围:
95-98℃
加热T设-T测>
2
自然冷却|T设-T测|≤2
温度控制方式模糊PID调节2<
T测-T设<
T上
风机降温并报警T测>
上式中为T测测量的当前温度,T设为设定的工作温度,T上为设定的上限温度。
2.4方案设计
在本系统中,选用AD590热电偶为温度传感器,AD590热电偶具有时间常数小,使用方便,反应时间短,测量精度高等特点;
以AT89C51单片机为控制核心,通过A/D转换器实现温度检测,并行口两个输出端控制输出,一路作为加热器控制输出,一路作为风机的启停控制;
通过确定合适的控制算法,来确定加热器的控制输出量及风机的开关量。
本系统主要的信息输入方式是键盘,要实现温度的设定、复位等功能。
考虑到操作的方便和控制面板布局的美观,本系统采用4x4行列矩阵式键盘。
采用6位七段数码管实现按键提示和温度的显示等功能。
通过并行口管理键盘和六个数码管,实现温度的设定和显示。
设计工况显示和报警电路。
采用红、绿、白三色灯,以提示系统的不同工作状态;
对异常情况进行声光报警
2.4.1硬件设计
系统电路主要由以下部分组成:
单片机电路;
键盘电路;
显示电路;
信号采集电路;
超限报警电路;
控制输出电路。
使用AT89C51单片机为核心,利用其内部存储器直接存储数据和程序,其接口有较强的驱动能力,可以减少外围电路。
该电路采用最小化控制系统常用的方案。
AT89C51单片机采用典型电路结构,内部以3.6V供电,接口以+5V供电,外围有上电自动复位和手动复位电路、时钟振荡电路,保证单片机正常工作。
显示电路采用6个共阴极LED七段数码管,动态显示管理方式,主要用于显示测量温度和输入设置温度。
字形输出由单片机的并行口P1.4低八位实现,可直接驱动;
字位输出由单片机的并行口P1.4高八位实现。
键盘电路采用4x4按键矩阵,动态扫描管理,对应按键分别为0-9十个数字、上限、下限、设温、确定、测温、复位。
按键管理由单片机的并行口P2高八位实现,高四位做扫描输出,低四位做检测输入。
单片机的并行口设置为上拉电阻输入方式,因此键盘电路中不设置上拉电阻。
输出驱动电路由AT89C51单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3实现,进而实现对加热器的调节和风机的启停。
2.4.2软件设计
程序部分由主程序和各子程序组成,为模块化结构。
程序由主程序;
显示子程序;
按键管理子程序;
定时器中断服务程序;
A/D转换子程序;
温度控制输出子程序;
设置输入子程序;
控制处理子程序。
主程序分初始化和主循环两部分,初始化实现系统内部相关数据的预置;
接口工作方式和状态的设置;
系统状态的检测和复位;
主循环顺序调用显示管理、键盘管理、A/D转换子程序、输出子程序、设置输入子程序、控制处理子程序。
显示子程序包括动态显示管理和延时子程序两部分。
从显示缓冲区中取出显示数据,依次逐位显示并适当延时,保证合理的显示时间及周期。
按键管理子程序包括键盘扫描和键值处理两部分。
键盘扫描对按键进行检测,无按键动作时返回,有按键动作时进行延时消抖处理后进行按键扫描确定动作键的位置。
键值处理根据动作键的位置形成相应的按键数值存放到键盘输入存储单元中,如果是功能键输入,则设置工作状态字。
A/D转换子程序将检测的温度值保存到各自的单元,并计算出每次测量的平均温度,存入到相应单元。
设置输入子程序实现通过按键输入设定温度值的功能。
该子程序首先判断系统是否为设置输入状态,不是则返回。
子程序中调用按键管理子程序,只接受数字键和确认键输入,其余键放弃。
输入数字为三位,从高位开始,当前输入位采用闪烁方式指示,按下数字键后,输入数据被保存到相应单元,并自动转为下一位,输入最低位后转回到高位,按下确认键后将键盘输入数据转换为二进制数据保存到相应单元,结束子程序返回。
控制处理子程序根据工作状态字、设置温度、测量温度,确定是否保存测量数据,测量数据的处理方法(不处理、线性控制、模糊PID调节三种选一);
对测量数据进行相应的处理运算,形成输出控制数据,保存到输出控制寄存单元;
根据情况修改工作状态字。
温度控制输出子程序按照输出控制寄存单元中的输出控制数据输出。
2.4.3测试方案
测试方案是为保证和检测各部分设计的工作效果及相互间配合情况的检查调试方法。
(1)硬件测试
主要是对接口电路进行模拟测试。
将接口电路与单片机的电路断开(先不连接单片机),通电时接口电路工作;
在输出接口电路的输入端(单片机相应的引脚)输入相应的高低电平,检测输出接口电路的工作情况;
对料筒加温,在输入接口电路的输出端(单片机相应的引脚)检测电平的变化。
根据设计及电路原理,可以判断电路工作是否正常,达到设计要求。
(2)软件测试
在硬件正常工作的基础上进行软件测试。
先进行各子程序的测试,然后进行综合测试。
对输入子程序,执行程序后,通过判断存储输入数据的单元内容,检测其工作是否正常。
对输出子程序,先在存储输出数据的单元中设置模拟的输出数据,再执行程序,观察输出是否正常。
(3)综合测试
程序正常执行,正常运行程序。
观察初始状态,显示器是否正常显示;
按按键,输入相应命令和数字,观察按键输入的相应显示是否正常;
设置控制温度值,启动自动控制,观察加热器和风机的工作状态。
3温控系统硬件设计
3.1系统硬件需要完成的任务
控制系统的硬件设计是系统设计的基础。
本控制系统的硬件需要完成的任务有:
1、选择合适的传感器,设计合理的前置放大电路,以完成对温度信号的采集。
2、设计4x4键盘,以实现对温度设定、系统复位等功能。
3、设计LED显示电路,实时显示料筒温度,并在键盘操作时,给予相应提示。
4、设计模拟量、开关量输出电路,以实现对加热器和风机的控制。
5、设计故障报警电路,对异常情况进行声光报警。
3.2系统硬件设计原则
一个单片机应用系统的硬件电路设计包括两部分:
一是单片机系统扩展,即单片机内部的功能单元(如程序存储器、数据存储器、I/0端口等)的容量不能满足系统的要求时,必须在片外进行扩展,选择适当的芯片,设计相应的扩展电路;
二是系统配置,即按照系统功能要求配置外围设备(如键盘、显示器、打印机、A/D转换器及D/A转换器等)[8]。
在系统硬件设计时,遵循以下原则:
1、选择符合单片机系统常规用法的通用电路,采用标准化、模块化设计。
在本系统中,单片机为典型电路结构,采用最小化控制系统常用的方案;
按照模块化规则,将系统电路分为信号采集电路、单片机电路、键盘与显示电路和控制输出电路分别进行设计。
2、系统的扩展与外设的配置在满足
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