基于单片机的乳化物干燥过程控制系统设计毕业设计.docx

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基于单片机的乳化物干燥过程控制系统设计毕业设计

基于单片机的乳化物干燥过程控制系统设计

摘要

对乳化物进行干燥是为了使物料便于加工、运输、驻藏和使用。

本设计是以

AT89S51单片机为核心的温度控制系统。

温度信号由温度芯片DS18B20采集并以

数字信号的方式传送给单片机,该控制系统的硬件部分包括温度检测电路、温

度控制电路、PC机与单片机串口通讯电路和一些接口电路。

单片机通过对信号进

行相应处理从而实现温度控制的目的。

软件设计部分尤为重要在这里采用模块

化结构主要模块有数码管显示程序、键盘扫描及按键处理程序、温度信号处理

程序、超温报警程序、加热程序。

经过调试实现了系统的智能化控制使乳化物

干燥过程达到较好的效果。

关键词单片机控制温度干燥

本页完第2页共53页MICROCONTROLLER-BASEDEMULSIONDRYING

PROCESSCONTROLSYSTEMDESIGN

ABSTRACTDryingoftheemulsionistomakethematerialeasytoprocess,transport,anduseof

Tibet.ThisdesignisbasedonAT89C51microcomputerasthecoreofthetemperature

controlsystem.ThetemperaturesignalbythetemperaturechipDS18B20gathering,and

transmitsbydigitalsignal'swayforthemonolithicintegratedcircuit.Inthearticle

introducedthiscontrolsystem'shardwarepart,including:

Temperatureexamination

electriccircuit,temperature-controlcircuit,PCmachineandmonolithicintegrated

circuitserialportcommunicationchannelandsomeinterfacecircuit.Themonolithic

integratedcircuitthroughcarriesoncorrespondingprocessingtothesignal,thusrealizes

thetemperaturecontrolgoal.hesoftwaredesignisespeciallyimportant,usesthemodular

structureinhere,themainmoduleincludes:

Nixietubedisplaysequence,keyboard

scanningandpressedkeydisposalprocedure,temperaturesignalprocessingprocedure,

black

-whitecontrolprocedure,excesstemperaturewarningprocedureheating

procedure.Aftercommissioning,realizedtheintelligentcontrolsyatem,makeemulsify

dryingprocesstoachievebettereffect.

Keywords:

SCMControlTemperature,Drying

本页完第3页共53页目录1绪论.................................................错误未定义书签。

1

1.1本课题研究的对象、背景、现状及意义......错误未定义书签。

1

1.1.1背景及意义........................................错误未定义书签。

1

1.1.2现状..............................................错误未定义书签。

1

1.1.3最新研究动态......................................错误未定义书签。

1

1.1.4发展趋势............................................................2

1.1.5被控对象的介绍......................................................3

1.1.6单片机的发展及温度控制系统..........................................3

2系统的总体方案设计......................................................6

2.1系统的总体设计........................................................6

2.2乳化物的干燥过程及温度的设定..........................................7

2.2.1原料................................................................7

2.2.2预热杀菌............................................................8

2.2.3真空浓缩............................................................8

2.2.4冷却................................................................8

3硬件设计................................................................9

3.1单片机选型原则........................................................9

3.2单片机的选择.........................................................10

3.374HC245芯片的选定...................................................16

3.4温度采集硬件的选择.................................................17

3.4.1技术性能描述.......................................................18

3.4.2应用范围.........................................................19

3.4.3接线说明...........................................................19

3.5显示硬件的选择.......................................................22

3.6按键的选择...........................................................22

3.7通信部分.............................................................22

3.8报警加热部分.........................................................23本页完第4页共53页3.9Proteus软件的介绍....................................................24

3.10总体电路原理图......................................................25

4软件设计...............................................................26

4.1KeilC51软件的介绍...................................................26

4.2设计思路、流程图.....................................................26

4.2.1温度采集模块.......................................................27

4.2.2数据处理模块.......................................................28

4.2.3键盘模块...........................................................29

4.2.4加热报警模块.......................................................3

0

4.2.5编写程序所需要的总流程图...........................................314.2.6本设计的源程序代码.................................................32

5单片机控制温度的说明及PID控制.........................................33

5.1温控制的说明.........................................................33

5.2PID控制原理及算法....................................................33

5.2.1控制原理...........................................................33

5.2.2控制规律及对系统稳定性的影响.......................................34

6仿真

...................................................................35

6.1下面是仿真的结果和分析...............................................35

7总结...................................................................36

附录Ⅰ..................................................................37

附录Ⅱ..................................................................38

参考文献................................................................47

致谢....................................................................49

本页完第5页共53页1绪论1.1本课题研究的对象、背景、现状及意义

1.1.1背景及意义

干燥在化工生产中应用非常广泛因为绝大多数的固化工产品都有一定的含湿

量要求。

例如聚氯乙烯的含水量须低于0.3%否则在其制品中将有气泡生成

抗菌素含水量太高会影响其使用期限不经干燥的染料在包装桶中贮藏时湿物料

会沉降分层使各层中染料含量不同这会给使用厂家带来许多不必要的麻烦。

所

以干燥的意义是使物料便于加工、运输、驻藏和使用。

1.1.2现状

几乎所有工业领域都有热力干燥这一环节涉及的材料超过6万种。

物料干燥

属于高能耗行业据不完全统计全球1025的能源用于工业热力干燥在

我国干燥所用能源占国民经济总能耗的12左右。

目前干燥学术研发活动地位低

下存在咀下问题

1）很多干燥的实际过程过于复杂有时甚至无法总结归纳其采用的干燥原理

2）不少干燥的理论研究与工业应用脱节陷人了“理论研究一发表论文一再研

艚发表论文”的怪圈昂终失去应用价值

3）一砦新的干燥理念在小试或巾试后由于技术风险性高和扩大生产的条件限

制只有少部分成为有活力并可在商业上应用的创新技术4）多数干燥设备的使用

寿命过长在优化设计方面无创新阻碍了创新的快速发展。

如目前术材干燥行业

巾尚尤突破性的技术取代常规蒸汽干燥{5）大多数工业干燥生产习惯于采用简单

的、无正规设计的土法干燥设施[1]。

1.1.3最新研究动态

1干燥创新技术举例

1）干燥模型近年来一些学者采用了神经网络模型和考虑物料收缩的孔道网

络等温干燥楼型以及计算流体动力学模型（配有CFD商用计算软件）L7一等。

2）过热蒸汽干燥用过热蒸汽作干燥介质町以减少传质阻力明显增强传热

系数。

3）联合干燥是符合国际干燥技术的创新发展趋势的干燥方式。

因为每一种干燥第6页共53页方法都有各自的优点和适用范围联合干燥IE是取其优点而避其缺点。

4）生物干燥原理是利用堆积的生物材料巾微生物氧化分解有机物所产生的能

量来实现干燥过程。

特点是不需要消耗常规能源干燥成本低且使用安全。

生物

干燥的速度常与生物材料的含水率、温度及通气量有关。

该技术可用于干燥纸浆混

和物在技术上和经济E都星可行的。

5）超临界干燥超临界流体是一种温度和压力处于临界点以上无汽液柏界面

区别而兼有液体性质和气体性质的物质相态。

超临界干燥过程实际上就是利用超临

界流体超强的溶解能力使被干燥液体达到超临界状态并溶解在超临界流体中。

1.1.4发展趋势

未来干燥技术的发展总趋势是在同等能耗下提高产品的产量和质量在同

等产品产量和质量下降低能耗;各种干燥技术组合和优化以降低干燥过程对环境危

害,促进可持续发展。

1推进干燥技术的创新

1）将沉积的创新技术转变为可持续发展的创新技术否则失去干燥技术研发的

意义

2）干燥模型必须可预测转递现象和制定质量参数使之更具有普遍性、精确性

和实用性

3）提高干燥效率不单是热质传递问题还要考虑整个十燥系统的优化联合干

燥技术就属一例

4）真空一过热蒸汽干燥是一项颇具发展潜力的干燥技术可叫显提高十燥速

度且改善干燥质量

2推广常规干燥的节能和排气热能回收技术

目前在世界各国的干燥设备中常规干燥仍占主导地位在我囤木材的常规蒸

汽干燥占80以上。

常规干燥能耗高的主要原因之一是排气热能损失大如能有

效回收排气热能则可显著减少能耗和烟尘对大气的污染。

同收排气热能的方法很

多比较成熟的有用除湿机和热管换热器回收。

除湿干燥与常规蒸汽干燥联合

与蒸汽干燥相比其节能率在40以上。

用热管换热器回收排气热能其热能回

收率略低于除湿机但由于投有运动部件本身不消耗能量且易于操作管理因

此有较好的推广应用前景[2]。

本页完第7页共53页1.1.5被控对象的介绍

在工业生产上被干燥物料的性质、对产品的要求以及生产能力的大小各不相

同操作上间歇或连续两种方式加热方法有对流、传导或辐射等方式为了适应

这些千差万别的特点干燥的形式、种类必然是多种多样的。

生产中的几种常见的干燥设备有以下几种下面作简要说明。

1.盘架式干燥器典型的间歇式常压干燥设备。

2.转筒干燥器直接加热热空气逆流操作的干燥器。

3.气流干燥器使物料悬浮在热气流中被热气流带走一边干燥一边向上输

送从干燥管顶部经旋风分离器把干燥好的物料回收废气经除尘器后放空。

4.

喷雾干燥器它是一种处理液体物料的干燥器它可使乳浊液、悬浮液、糊

状液的有机物料、无机物料、生化制品等转化为粒度均匀的产品。

它干燥速率快、

效率高、产品质量好适用于石油、化工、建筑、冶金、食品、医药、陶瓷、生化

等行业。

5.滚筒干燥器一种间接加热连续的干燥器其热量的传递是通过器壁以传导

方式进行的。

6.沸腾床干燥器它也叫流化床干燥器它利用物料在硫化状态下与热气进

行传热玉传质而达到干燥目的的。

7冷冻干燥在低温、低压条件下利用水的升华性能而进行的一种干燥方法。

1.1.6单片机的发展及温度控制系统

单片机作为微型计算机的一个重要分支应用面很广发展很快。

自单片机诞

生至今已发展为上百种系列的近千个机种。

目前单片机正朝着高性能和多品种

方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价

格和外围电路内装化等几个方面发展。

单片机诞生于20世纪70年代末经历了

SCM、MCU、SOC三大阶段[3]。

1SCM即单片微型计算机SingleChipMicrocomputer阶段主要是寻

求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功奠定了SCM

与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上Intel公

司功不可没。

本页完第8页共53页2MCU即微控制器MicroControllerUnit阶段主要的技术发展方向

是不断扩展满足嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路突显

其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关因此发展MCU的

重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看Intel逐渐淡出MCU

的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面最著名的厂家当数Philips公司。

Philips

公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到

微控制器。

因此当我们回顾嵌入式系统发展道路时不要忘记Intel和Philips

的历史功绩。

3单片机是嵌入式系统的独立发展之路向MCU阶段发展的重要因素就

是寻求应用系统在芯片上的最大化解决因此专用单片机的发展自然形成了SOC

化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展基于SOC的单片机应用系统

设计会有较大的发展。

因此对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制

器延伸到单片应用系统。

随着半导体集成工艺的不断发展单片机的集成度将更高、体积将更小、功能

将列强。

在单片机家族中80C51系列是其中的佼佼者加之Intel公司将其MCS–

51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制

造厂商如Philips、

NEC、Atmel、AMD、华邦等这些公司都在保持与80C51单

片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。

这样80C51就变成有众多制造厂商

支持的、发展出上百品种的大家族现统称为80C51系列。

80C51单片机已成为单

片机发展的主流。

专家认为虽然世界上的MCU品种繁多功能各异开发装置也

互不兼容但是客观发展表明80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

基于单片机的温度控制主要运用单片机技术微机接口技术传感器与信号处

理技术来实现。

用传感器感知温度并转换成电压的输出单片机的外围电路芯片

把模拟信号转换成数字信号输入到单片机中。

包括系统的硬件设计和软件设计。

硬件方面有8155接口电路A/D转换电路温度传感器进行设计然后把它

们整合成为一个整体完成对温度进行控制的硬件部分。

在软件设计方面对主程

序中断服务程序采样子程序数字滤波程序进行编写[4]。

用单线数字温度传感器采集温度数据,打破了传统的热电阻、热电偶再通过A/D

转换采集温度的思路。

用单片机对数字进行处理和控制,通过RS-232串口传到第9页共53页PC机对温度进行监视与报警,设置温度的上限和下限。

其优势是结构简单编程不

需要用专用的编程器,只需点击电脑鼠标就可以把编好的程序写到单片机中,很方

便且调试、修改和升级很容易。

本页完第10页共53页2系统的总体方案设计2.1系统的总体设计

温度自动控制系统以单片机为核心主要采用AT89C51单片机为中央处理器

结合高精度数字温度传感器及其控制电路实现高精度、高可靠性。

数据传输的速

度及准确性是控制系统的关键采用传感器传输温度测量信号通过单片机控制乳

化物干燥设备的工作过程实现控制系统的智能化达到更好的干燥效果。

系统的

设计原理图如图2.1

图2-1单片机该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度

数据、数据处理同时还要对执行单元进行控制。

单片机是整个系统的控制核心及

数据处理核心[6]。

温度信号采集与传感器本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度

信号温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。

再把电流信号转换成电压信号

使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号

本设计采用的是数字温度传感器以上过程都在温度传感器内部完成。

串口通信为了提高系统的可用性和实用性。

主要包括按键输入、输出显示。

通过按键输入完成系统参数设置而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的

输出串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信便于进行温度数据统计

为将来系统功能的扩展做好基础工作。

单片机

温度采集模板

键盘显示模板

加热报警模板