奶粉烘干过程微机控制毕业设计论文

长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）

摘 要

在21世纪的今天，随着经济的发展，温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，而在食品行业也在广泛应用者。食品都是有保质期的，所以食品温湿度的保持对其质量的保障显得尤为重要。

针对此领域的发展方向，本文介绍了温湿度自动检测系统。本系统是以AT89S51单片机为控制单元、温度传感器AD590、湿度传感器SH1101为主要检测器件，实现温度、湿度的测量、显示、报警、保存。

关键词：单片机 温湿度 A/ D 转换

I

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Abstract

In the 21st century today,With the development of economy, moisture and humidity measurement and control of human daily life, industrial production, weather forecast, material storage and so on all play a very important role. On many occasions, to obtain the target temperature and humidity accurately and timely information is very important, in recent years, the temperature and humidity measurement and control field is developing rapidly, and with the development of digital technology, temperature and humidity measurement and control of the chip also corresponding boarded the stage of history, In the food industry are also widely applicators. Food is a shelf life, so keep food temperature and humidity on the quality of its security is particularly important.

For this area of development, this paper, based on the temperature, humidity detection system. AT89S51 SCM is the system for the control unit, temperature and humidity sensor SH1101 as the main detection devices, temperature, humidity measurements, display, alarm and preserve.

Keywords： single chip temperature and humidity A/ D transfer

II

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目 录

第1章 绪 论 ...................................................................................................... - 1 -

1.1 选题背景及意义 .................................................................................... - 1 - 1.2 设计过程及工艺要求 ............................................................................ - 2 -

1.2.1 基本功能 .................................................................................... - 2 - 1.2.2 主要技术参数 ............................................................................ - 3 -

第2章 方案的比较和论证 .................................................................................. - 4 -

2.1 温度传感器的选择 ................................................................................ - 4 -

2.1.1 采用热电阻温度传感器 ............................................................ - 4 - 2.1.2 采用AD590温度传感器 ............................................................ - 5 - 2.2 湿度传感器的选择 ................................................................................ - 5 -

2.2.1 采用HOS-201湿敏传感器 ........................................................ - 5 - 2.2.2 采用HS1100/HS1101湿度传感器 ............................................ - 6 - 2.3 A/D转换器的选择 ................................................................................. - 6 -

2.3.1 采用AD7874转换器 .................................................................. - 6 - 2.3.2 采用ADC0809转换器 ................................................................ - 7 -

第3章 系统硬件设计 .......................................................................................... - 8 -

3.1 信号采集 ................................................................................................ - 8 -

3.1.1 温度传感器 ................................................................................ - 8 - 3.3.2 湿度传感器 .............................................................................. - 11 - 3.2 信号分析与处理 .................................................................................. - 14 -

3.2.1 A/D转换 ................................................................................... - 14 - 3.3 单片机AT89S51 ................................................................................... - 16 -

3.3.1 主要特性 .................................................................................. - 16 - 3.3.2 内部结构 .................................................................................. - 16 - 3.3.3 外部特性（引脚功能） .......................................................... - 18 - 3.3.4 工作方式 .................................................................................. - 19 - 3.3.5 数据存储器的掉电保护 .......................................................... - 20 - 3.3.6 中断系统 .................................................................................. - 20 - 3.4 显示与报警的设计 .............................................................................. - 21 -

3.4.1 显示电路 .................................................................................. - 21 - 3.4.2 报警电路 .................................................................................. - 22 -

第4章 系统软件设计 ........................................................................................ - 24 -

4.1 系统软件设计特点 .............................................................................. - 24 - 4.2 温度控制主程序 .................................................................................. - 24 - 4.3 PID控制规律 ....................................................................................... - 25 - 4.4 程序框图 .............................................................................................. - 26 - 总 结 .................................................................................................................... - 30 -

III

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致 谢 .................................................................................................................... - 31 - 参考文献 ................................................................................................................ - 32 - 附录1：奶粉烘干过程微机控制原理图 ............................................................. - 33 - 附录2：奶粉烘干过程微机控制程序清单 ......................................................... - 34 -

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

2000年后，因为我国经济的迅速发展，乳制品市场转变成一个很大的市场，且因巨大消费群体，更可划分为高、中、低三个消费层次。为了调节大陆市场供应与需求，除了从海外的日本、新西兰等国进口将近30万吨乳制品以应付高中消费层次外，中国大陆绝大多数消费群体，包括婴幼儿，还是以我国自主生产的产品为主。在此因素下，知名三鹿牌顺势推出以一袋18元人民币（约3美金），不到进口奶粉价格一半价格婴幼儿配方奶粉以应付大规模的奶业市场，之后并成为大陆重要且知名婴幼儿奶粉品牌，多年蝉联该中国大陆自制乳品市场的首位。

2008年9月8日甘肃岷县14名婴儿同时患有肾结石病症，引起外界关注。至2008年9月11日甘肃全省共发现59例肾结石患儿，出现了一些“大头娃娃”，部分患儿已发展为肾功能不全，同时已死亡1人，这些婴儿均食用了三鹿18元左右价位的奶粉。经检测，奶粉中掺入了大量的三聚氰胺。奶粉中蛋白质的含量尤为重要，而蛋白质的基本单位是氨基酸，质检部门主要通过检测氨基酸中氮元素的含量来确定蛋白质的多少。但是蛋白质价值不菲，而三聚氰胺中的氮元素含量较高，于是一些不法奶粉生产厂家就通过大量添加三聚氰胺来提高蛋白质的含量。三聚氰胺是一种化工原料，人如果长期食用会导致人体泌尿系统膀胱、肾、产生结石，并可诱发膀胱癌。这场非常严重的奶粉污染事件经过国家政策的干预，终于得以解决。

以上事件证明奶粉污染和奶粉的烘干没有任何关系，是生产的环节出了问题，但是奶粉的烘干过程同样重要。

奶粉是将牛奶除去水份后制成的粉末，它适宜保存。奶粉是以新鲜牛奶或羊奶为原料，用冷冻或加热的方法，除去乳中几乎全部的水分，干燥后添加适量的维生素、矿物质等加工而成的食品。提高奶粉烘干效率，降低烘干费用，从而降低成本，以进一步扩大淀粉的工业应用等要求显的日益紧迫。奶粉烘干的质量，直接影响到后道工序奶粉的正常生产，包括奶粉生产的出率、质量和产量。因此，奶粉烘干是奶粉生产工艺中非常重要的工序之一。奶粉烘干的目的是把湿润的奶粉烘干加工来得到干燥的优质奶粉，以便奶粉的存放。

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由于各通道不同而产生的舍入误差。小于2n的孔隙延迟，允许多片联合，以扩展模拟通道的数目，但是会造成相位误差。

2.3.2 采用ADC0809转换器

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。但是由于本设计中只用到了一个温度传感器和一个湿度传感器，所以用A/D转换器ADC0809即可，而且价格也低于AD7874转换器。

综上所述，选择ADC0809转换器更为合适。

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第3章 系统硬件设计

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以AT89S51基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、显示、报警电路、系统软件等部分的设计。系统总体框图如图3—1所示。

AD590温度检测ADC0809A/D转换器单片机HS1101温度检测图3-1 系统总体框图

串行口LED显示报警电路

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。 信号采集：由AD590温度传感器和HS1101湿度传感器组成； 信号分析：由A/D转换器ADC0809、单片机AT89S51基本系统组成； 信号处理：由串行口LED数码管显示器和报警系统等组成。

3.1 信号采集

3.1.1 温度传感器

AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。

1.主要特性

在4 V至30 V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 μA/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25°C)时输出298.2 μA电流。AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M

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表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-2所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。

.A1-+0.AD590.图3-2 集成温度传感器的电路

.

流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

I T/T=1μA /K式中：IT—— 流过器件（AD590）的电流，单位μA。 T——热力学温度，单位K。 AD590的测温范围-55℃- +150℃。

AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT

变化1μA，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损坏。

输出电阻为710MΩ。

精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

2.AD590的工作原理

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。

对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3-3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。

3.基本应用电路

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图3-3是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只保证在0℃或25℃附近有较高的精度。

图3-3 AD590应用电路

如图3—4为AD590的温度与电流对应关系表。

表3-4 AD590温度与电流的对应关系表

摄氏温度 （单位：℃） -10 0 10 20 30 40 50 60 100 AD590电流 （单位：uA） 263.2 273.2 283.2 293.2 303.2 313.2 323.2 333.2 373.2 经10KΩ电压 （单位：V） 2.632 2.732 2.832 2.932 3.032 3.132 3.232 3.332 3.732

4.AD590主要特性

1、流过器件的电流(μA) 等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数： Ir/T=1 (1)

式中，Ir—流过器件(AD590) 的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位

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为K；

2、AD590的测温范围为- 55℃~+150℃；

3、 AD590的电源电压范围为4～30 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；

4、 输出电阻为710 mΩ；

5、精度高，AD590在- 55℃~+-150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。 5.摄氏温度测量电路

如图3-3所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出V0=0，然后在100℃时调整R4使V0=100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，V0=0mV，100℃时V0=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么V0应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。

3.3.2 湿度传感器

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面 介绍HS1101湿度传感器及其应用。

1.特点

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

图3-5a为湿敏电容工作的温、湿度范围。图3-5b为湿度-电容响应曲线。

10075长期稳定区50250-40-2002040温度 /℃6080100

正常工作区非正常区图3-5a 湿敏电容工作的温、湿度范围

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200190180170160020406080

相对湿度/%RH

图3-5b 湿度-电容响应曲线

相对湿度在1%---100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/℃。可见精度是较高的。 2.特征参数

最大反应参数：工作温度 Ta -40~100 ℃

储存温度 Tstg -40~125 ℃

供电电压 Vs 10 Vac 湿度范围 RH 0~100 %RH 焊接时间 @T=260℃ t 10 S 湿度测量范围 RH 1 99 5 供电电压 Vs 5 10 V

标称电容 @55%RH C 177 180 183 pF 温度效应 Tcc 0.04 pF/℃

平均灵敏度 (33%~75%RH) △C/%RH 0.34 pF/%RH 漏电流 Ix 1 nA

恢复时间 @150小时结露 tr 10 s 迟滞 +/-1.5 % 长时间稳定性 0.5 %RH/yr 反应时间 ta 5 S

曲线精度 （10%~90%） +/-2 %RH

3.湿度测量电路

HS1100/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。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，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集[19]。

频率输出的555测量振荡电路如图3-6所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R3 是防止输出短路的保护电

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阻，R1 用于平衡温度系数。

U346521RSTTHRESCONTTRIGGNDVCCDISCHOUT873

NE555图3-6 频率输出的555振荡电路

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vs通过R4、R2 向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33us。

此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为

t充电=C（R4+R2）Ln2

t放电=CR2 Ln2

因而，输出的方波频率为

f=1/(t放电+t充电)=1/[ C（R4+R2）Ln2]

可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3-2给出了其中的一组典型测试值。

表3-7 空气湿度与电压频率的典型值

湿度(RH%) 频率(HZ) 湿度(RH%) 频率(HZ) 0 7351 60 6600 10 7224 70 6468 20 7100 80 6300 30 6976 90 6168 40 6853 100 6033 50 6728

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3.2 信号分析与处理

3.2.1 A/D转换

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。所以本次设计选择ADC0809A/D转换器。

1.主要特性 (1)8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 (2)具有转换起停控制端。 (3)转换时间为100μs(时钟为640KHz时)，130μs（时钟为500KHz时）。 (4)单个+5V电源供电。 (5)模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。 (6)工作温度范围为-40～+85摄氏度。 (7)低功耗，约15mW。 2.芯片引脚图 1234567IN3IN4IN5IN6SIARIIN7EOCIN2IN1IN0ABALEC28272625242322891011121314D3OECLKVVRECCF+GNDD1D7D6D5VREF-D4D0D221201918171615表3-8 ADC0809A/D转换器芯片引脚图 3.引脚功能及外部特性

(1)IN0～IN7：8路模拟量输入端。

ADC0809U1

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(2)2-1～2-8：8位数字量输出端。

(3)ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 (4)ALE：地址锁存允许信号，输入端，高电平有效。

(5)START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）

使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

(6)EOC： A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个

高电平（转换期间一直为低电平）。

(7)OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此

端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

(8)CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。 (9)REF（+）、REF（-）：基准电压。 (10)Vcc：电源，单一+5V。 (11)GND：地。 4.工作方式

转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。

(1)定时传送方式

对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

(2)查询方式

A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

(3)中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

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3.3 单片机AT89S51

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

3.3.1 主要特性

与AT89S51单片机产品兼容，采用0.35新工艺，降低成本 具有带电源关闭标识

4K字节在系统可编程Flash存储器 烧写寿命更长 1000次擦写周期 全静态工作：0Hz—33MHz 32个可编程I/O口线 2个16位定时器/计数器 6个中断源

全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 内部集成看门狗计时器

双数据指示器及全新加密算法，程序的保密性大大加强，保护知识产权 灵活的ISP编程（字或字节模式） 4.0---5.5V电压工作范围

3.3.2 内部结构

它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。

CPU由运算器和控制逻辑构成。其中包括若干特殊功能寄存器（SFR） AT89S51时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。

AT89S51在物理上有四个存储空间：片内/片外程序存储大路、片内/片外数

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