乳粉干燥微机控制系统基于51单片温度控制系统Word格式文档下载.docx
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目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1引言1
1.1.1牛奶的营养价值1
1.1.2乳粉干燥过程1
1.2喷雾干燥技术的发展2
1.3干燥过程中的几个问题3
2乳粉干燥工艺介绍及方案设计4
2.1乳粉喷雾干燥工艺介绍4
2.2方案设计4
3硬件设计5
3.1系统总体设计方案5
3.2AT89S51单片机简介5
3.3温度传感器8
3.3.1温度传感器简介8
3.3.2温度传感器DS18B20的工作原理8
3.3.3温度传感器DS18B20的测温原理10
3.5引脚连接12
3.5.1晶振电路12
3.5.2串口引脚13
3.5.3其它引脚13
3.6系统硬件电路设计13
3.6.1主板电路设计13
3.6.2各部分电路13
4系统软件设计18
4.1系统软件设计整体思路18
4.2系统程序流图18
4.3程序代码24
结论25
参考文献26
致谢27
1绪论
1.1引言
1.1.1牛奶的营养价值
⑴乳是哺乳动物出生后赖以生存的发育的唯一食物,它含有适合其幼子生长发育所必需的所有营养素。
由于牛乳具有以下特点,所以被公认为迄今为止的一种比较理想的完全食品。
①乳经过杀菌后,不需要进行任何调理即可直接供人食用。
②人们食用牛乳几乎全部消化吸收,并无废弃排泄物。
③牛乳含有促进人类生长发育以及维持健康水平的几乎一切必需的营养成分。
④牛乳所含有各种营养成分比例大体适合人类生理需要。
⑤其他食物由于添加了牛乳,可显著提高这种食物的蛋白质的营养价值。
⑵乳脂肪的营养价值:
牛乳脂肪为短链和中链脂肪脂肪酸,熔点低,仅为34.5℃。
牛乳脂肪球颗粒小,呈高度乳化状态,所以乳脂肪极易消化吸收。
乳脂肪还含有人类必需的脂肪酸和磷脂。
因而乳脂肪是一种营养价值较高的脂肪。
⑶乳蛋白质的营养价值:
牛乳蛋白质含有人体生长发育的一切必需的氨基酸和其他氨基酸。
⑷牛乳中碳水化合物的营养价值:
乳中的碳水化合物只有乳糖一种。
一分子乳糖消化时可得一分子葡萄糖和一分子半乳糖。
半乳糖可促进脑苷脂类和粘多糖类的生成。
因而牛乳中的碳水化合物不仅能提供热量,且营养价值要优于其他碳水化合物。
⑸牛乳中矿物质的营养:
乳中有丰富的矿物质。
如钙、磷、铁、锌、铜、钼等。
所以牛乳是人体钙最佳来源。
综上所述,除膳食纤维外,牛乳中含有人体所需要的全部营养物质,其营养价值之高是其他食物所不能比的。
1.1.2乳粉干燥过程
⑴原料
用于生产乳粉的牛乳必须在一级品以上,酸度超过20°
T会严重影响乳粉的溶解度,在保藏过程中容易发生酸败。
乳粉在复水后应还原到鲜乳状态,因此,原料乳需标准化到鲜乳国标要求。
⑵预热杀菌
由于乳粉在常温的保藏期长,脂肪酶、蛋白酶、过氧化物酶的残留会对产品的风味、色泽造成严重影响,必须加以钝化。
对原料乳的杀菌可以达到以下目的:
①杀灭存在于牛乳中的全部病源微生物和绝大部分其他微生物,使产品中微生物残存量达到国家卫生标准的要求,成为安全食品;
破坏牛乳中各种酶的活性,尤其要破坏脂酶和过氧化物酶的活性,以延长乳粉的保存期。
②提高牛乳的热稳定性。
③高温杀菌可提高乳粉的香味,同时因分解含硫氨基酸而产生活性巯基,提高乳粉的抗氧性,延长乳粉的保存期。
⑶真空浓缩
牛乳的87%以上都是水,未经浓缩直接干燥的乳粉有许多缺点,通过浓缩可达到如下目的:
①提高产品的色、香、味、形,浓缩后干燥的乳粉色泽奶黄到淡黄,而直接干燥的乳粉灰白暗淡,反之则性能相反。
②节约能源和设备,喷雾干燥时蒸发1Kg水需耗用2.8~3.2Kg蒸汽,真空浓缩只需1~1.2Kg;
未浓缩乳喷干需要的干燥室体积比正常的大三分之一,设备投资高;
③便于包装,直接干燥乳粉因颗粒小、密度低,包装过程中容易发生粉尘飞扬和粘滞,包装材料也需多耗10%。
真空浓缩的工艺条件为:
单效浓缩,真空度为表压0.08~0.0895MPa,乳温51~56℃,多效浓缩的末效真空度0.08~0.092MPa,末效温度40~45℃;
加热蒸汽压力0.1~0.15MPa;
浓缩终点,全脂乳粉为11.5~13波美度,相当于含固形物38%~42%。
⑷喷雾干燥
系统化技术应用于物料干燥的一种方法。
于干燥室中将稀料经雾化后,在与热空气的接触中,水分迅速汽化,即得到干燥产品。
该法能直接使溶液、乳浊液干燥成粉状或颗粒状制品,可省去蒸发、粉碎等工序。
喷雾干燥具传热快,水分蒸发迅速,干燥时间瞬间的特点,且制品质量好,质地松脆,溶解性能也好,能改善某些制剂的溶出速率。
⑸冷却
干燥后乳粉的温度通常都在60~72℃,温度的高低是根据颗粒大小与在干燥室中滞留位置及工艺条件而定。
如不及时对乳粉实施冷却,容易引起蛋白质变性;
脂肪球因处于超熔点状态,容易破裂而使游离脂肪量增多,尤其在包装过程中,经撞击与摩擦,使乳粉中的脂肪渗出到表面,再保藏阶段容易发生氧化[1]。
1.2喷雾干燥技术的发展
通过干燥脱去微生物生长所必需的水分来保存不同食品的方法已经使用了几个世纪。
在过去的150年左右的时间里,许多干燥食品的技术发展起来了,有一些就特别适合于乳粉生产。
不容置疑,当今最重要的干燥方法是喷雾干燥,该原理可追溯到一个多世纪前的一项相关的专利,是通过雾化来改良干燥和浓缩的液态物料。
尽管喷雾干燥的概念在19世纪后期就存在了,但大多数乳粉生产直到20世纪中叶仍采用滚筒干燥。
美国在第一次世界大战前后,Merril-Soul和Grey-Jensen将喷雾干燥的加工方法用于商业化生产,直到50年以后,喷雾干燥才代替了滚筒干燥,成为最经典的乳粉生产方法。
滚筒干燥仍然用于某些特殊的乳制品生产中,并且十分广泛地应用于食品工业的其它领域[2]。
1.3干燥过程中的几个问题
在乳粉喷雾干燥过程中有如下几个问题会影响乳粉的质量,这也同样是我们在控制中需要关注的几个问题:
⑴干燥温度
加热过程中热、质交换的平衡非常重要,热空气温度过高,易使乳滴表面硬结,内部水分扩散困难,导致部分蛋白质变性及热敏性成分的损失,颗粒疏松,沉降性差,影响产品的复原性能;
乳滴过大或浓度过高都易发生在干燥过程中由于乳固体提高,水分扩散减慢而降低品质。
反之,干燥温度太低,产品的含水量过高,会引起许多质量问题。
干燥时物料的受热的均一性极为重要,要求雾化液滴与热介质接触良好,物料受热程度一致,否则造成产品水分含量不一致,还会导致热敏性组分变性或损失[3]。
⑵喷雾方式与压力
压力喷雾干燥中,高压泵压力的大小是影响乳粉颗粒直径大小因素之一。
高压泵的使用压力高,雾化状况好,但雾化的液滴小,产品颗粒小,色泽差;
使用压力低,则乳粉颗粒直径就大,但可能造成雾化液滴太大而不易干燥。
喷头孔径大,干燥所得的产品颗粒大,但孔径太大易造成潮粉。
离心喷雾时,喷头的孔径大小及内孔表面的光洁度状况,也影响乳粉颗粒直径的大小及分布状况,喷头孔径大,内孔光洁度高,则得到颗粒直径大、颗粒大小较为均匀一致的乳粉。
⑶水分含量
水分含量对乳粉质量的影响有以下几个方面:
①乳糖。
含水分3%~5%的喷雾干燥脱脂乳粉,在37℃保存600日也不结晶化。
②乳粉的色泽。
乳粉在保藏过程中颜色会逐渐变深,这与水分含量关系很大。
③溶解度。
水分含量在3%以下,在充氮密封包装后,在室温下保藏二年,溶解度不会下降,水分超过5%,溶解度易下降。
④微生物。
含水量在5%以下的乳粉经密封包装后一般不会有细菌繁殖,在2%~3%,细菌反而减少,超过5%细菌就容易繁殖并容易产生陈腐味。
本文主要是应用单片机AT89S51和温度传感器DS18B20来将温度控制到乳粉干燥的最佳温度来提高乳粉干燥的质量。
2乳粉干燥工艺介绍及方案设计
2.1乳粉喷雾干燥工艺介绍
喷雾干燥的过程:
喷雾干燥包括浓缩物料微粒加热、表面水分汽化、微粒内部水分向表面扩散以及对干物料的加热。
干燥过程可分为以下三个阶段。
⑴预热阶段。
浓缩物料的微粒与干燥介质接触的瞬间,干燥过程便开始进行,微粒表面的水分即开始汽化。
微粒表面的温度如低于干燥介质的湿球温度,则干燥介质供给的热量使微粒表面迅速达到湿球温度;
如微粒表面的温度高于干燥介质的湿球温度,则其表面温度因水分蒸发而迅速下降,直至达到汽化所需热量平衡,此时预热阶段结束,干燥速度迅速增大,进入恒速干燥阶段。
⑵恒速干燥阶段。
在恒速干燥阶段,微粒内部的水分不断向表面扩散,表面水分不断汽化,水蒸气分压等于水的饱和蒸汽压,微粒表面温度等于干燥介质的湿球温度(一般为50~60℃)。
干燥速度取决于干燥介质的温度、湿度、气流状况。
干燥介质温度与微粒表面湿球温度间温差越大、湿度越低,微粒在干燥介质中的分散性越好,干燥速度越大。
恒速干燥阶段约0.01~0.04s内完成。
⑶降速干燥阶段。
当微粒内部水分扩散速度降至低于颗粒表面的蒸发速度,恒速干燥阶段即告结束,降速干燥阶段开始。
在降速干燥阶段,物料颗粒温度将逐步超出干燥介质的湿球温度,并逐步接近干燥介质温度,干物料的水分含量也接近或等于该干燥介质状态的平衡水分。
此阶段的干燥时间较恒速干燥阶段长,为10~30s或更长[4]。
2.2方案设计
本设计的内容是温度测试控制系统,控制对象是温度。
温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛,比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。
而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视,其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。
针对此问题,本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统,它应用广泛,功能强大,小巧美观,便于携带,是一款既实用又廉价的控制系统。
以往的测温电路是使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将被测温度转变为电压或电流采集过来,进行A/D转换后,用单片机进行数据的处理,在显示电路上,这样就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路,感温电路比较麻烦。
使用AT89S51单片机处理系统数据和控制升降温设备,温度采集核心部件采用温度传感器,其内部采用温度频率变换方法进行温度采集,经过处理后测温精度可达到0.25℃,采集数据耗时为167.5ms。
3硬件设计
3.1系统总体设计方案
本系统的电路设计方框图如图2-1所示,它由三部分组成:
⑴控制部分:
主芯片采用单片机AT89S51。
单片机AT89S51具有低电压供电和体积小等特点,四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要。
⑵显示部分:
采用3位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示。
显示电路采用3位共阴LED数码管,从P0口送数,P2口扫描。
⑶温度采集部分:
采用DS18B20温度传感器。
这一部分主要完成对温度信号的采集和转换工作,由DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。
数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口,单片机接受温度并存储。
此部分只用到DS18B20和单片机,硬件很简单。
LED显示
图2-1温度计电路总体设计方案框图
3.2AT89S51单片机简介
AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)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ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点:
40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,片内时钟振荡器[5]。
⑴主要特性:
①8031CPU与MCS-51兼容
②4K字节可编程FLASH存储器(寿命:
1000写/擦循环)
③全静态工作:
0Hz-33MHz
④三级程序存储器保密锁定
⑤128*8位内部RAM
⑥32条可编程I/O线
⑦两个16位定时器/计数器
⑧6个中断源
⑨可编程串行通道
⑩低功耗的闲置和掉电模式
⑵管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
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。
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。
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
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。
I/O口作为输入口时有两种工作方式,即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据,而是把端口锁存器的内容读入到内部总线,经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
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地位字节。
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。
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。
AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能,故而取代了89CXX系列的下载方式,也是因为这样,ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机,现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品[6]。
单片机AT89S51的引脚图如图2-2所示。
图2-2单片机AT89S51引脚图
3.3温度传感器
3.3.1温度传感器简介
温度的测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。
水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。
可是它的缺点是只能近距离观测,而且水银有毒,玻璃管易碎。
代替水银的有酒精温度计,它虽然没有毒性,但测量精度很低,只能作为一个概略指示。
在工业生产和实验研究中为了配合远传仪表指示,出现了许多不同的温度检测方法,常用的有电阻式、热电偶式、PN结型等。
它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值,热电势等)的变化的原理。
随着大规模集成电路工艺的提高,出现了多种集成的数字化温度传感器[7]。
3.3.2温度传感器DS18B20的工作原理
DS18B20工作时序是根据温度传感器DS18B20的通讯协议,主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:
⑴每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位。
⑵复位成功后发送一条ROM指令。
⑶最后发送RAM指令,这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒,然后释放,DS18B20收到信号后等待15~60微秒左右后发出60~240微秒的存在低脉冲,主CPU收到此信号表示复位成功。
其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序[8]。
⑴初始化时序
总线上的所有传输过程都是以初始化开始的,主机响应应答脉冲。
应答脉冲使主机知道,总线上有从机设备,且准备就绪。
主机输出低电平,保持低电平时间至少480us,以产生复位脉冲。
接着主机释放总线,4.7KΩ上拉电阻将总线拉高,延时15~60us,并进入接受模式,以产生低电平应答脉冲,若为低电平,再延时480us[9]。
如图3-1所示。
图3-1初始化时序图
⑵写时序
写时序包括写0时序和写1时序。
所有写时序至少需要60us,且在2次独立的写时序之间至少需要1us的恢复时间,都是以总线拉低开始。
写1时序,主机输出低电平,延时2us,然后释放总线,延时60us。
写0时序,主机输出低电平,延时60us,然后释放总线,延时2us[10]。
如图3-2所示。
图3-2写时序
⑶读时序
总线器件仅在主机发出读时序是,才向主机传输数据,所以,在主机发出读数据命令后,必须马上产生读时序,以便从机能够传输数据。
所有读时序至少需要60us,且在2次独立的读时序之间至少需要1us的恢复时间。
每个读时序都由主机发起,至少拉低总线1us。
主机在读时序期间必须释放总线,并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。
主机输出低电平延时2us,然后主机转入输入模式延时12us,然后读取总线当前电平,然后延时50us[11]。
如图3-3所示。
图3-3读时序
3.3.3温度传感器DS18B20的测温原理
每一片DSl8B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号,在出厂前已写入片内ROM中。
主机在进入操作程序前必须用读ROM(33H)命令将该DSl8B20的序列号读出。
程序可以先跳过ROM,启动所有DSl8B20进行温度变换,之后通过匹配ROM,再逐一地读回每个DSl8B20的温度数据。
DS18B20的测温原理如图3-4所示,图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-5
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