長春工業大學畢業論文1. 概述1.1 設計的目的和意義我國是世界上最大的糧食生產和消費國家，年總產糧食約5億噸。據統計，我國糧食收獲后在脫粒、晾曬、貯存、運輸等過程中的損失達15%，遠遠超過聯合國糧農組織規定的5%的標準。在這些損失中，每年因氣候潮濕，濕糧食來不及曬干或未達到安全水分造成霉變、發芽等損失的糧食高達5%，若按年產5億噸糧食計算，相當于2500萬噸糧食。若每人每天食用1斤糧食，可供6。8萬人一年的用量，約合人民幣250億元。吉林省是農業大省，糧食年產量約為225億公斤，由于糧食含水量的問題，每年損失約占7%，約為15。75億公斤，折合人民幣約為14億元左右。這些數字是驚人的，因此發展糧食干燥機械化技術，改變傳統靠天吃飯的被動局面，使到手的糧食損失降低到最低點，從這一意義上說，糧食干燥的現代化比田間的農業機械化更為重要，也是糧食豐產、豐收的重要保障條件。本畢業設計的目的是設計一個微波糧食烘干控制系統。該系統是以89C51單片機為核心，利用單片機來控制電機旋轉的圈數和磁控管的工作時間，從而將糧食的含水量控制在安全水之下。1.2 國內外糧食烘干技術發展狀況與趨勢現在很多糧食大國對糧食都采用微波或紅外烘干技術，使糧食的質量得到明顯的提高，而加工成本卻得到明顯下降，如美國和加拿大采用的是大型全自動、人機界面的微波或紅外烘干加工系統。而國內現有的糧食谷物烘干處理方式都是熱風式烘干（燃油或燃煤），用于糧庫、農場、種籽，和飼料加工等企業。由卸糧、提升、清理、檢廳，烘前倉、烘后倉、熱風爐（油爐、煤爐）、電器及控制等單元組成。我國現有的糧食烘干設備存在以下問題： 1、 烘干時間過長，一般在23小時/噸2、 熱風爐需要燃煤或燃油，造成了能源的大量消耗，而且造成了大量的空氣污染。3、 由于是燃煤或燃油，很容易造成糧食的燒焦或火災，對糧食也不衛生。4、 烘干不均勻，很難將水量控制在安全水范圍內，造成了糧食和飼料的大量損失。5、 整個工藝流程復雜，設備成本高，能耗大。由于微波加熱迅速、均勻、高效節能、易于控制及安全環保，并且加熱、防霉、殺菌同步進行，與傳統的加熱方式相比有非常獨到、非常優越的特點，所以與先進的控制技術和計算機技術相結合，微波烘干谷物、糧食等技術在我國將會被廣泛采用。1.3 微波的應用近年來，微波技術在環保領域的應用十分活躍。由于它具有快速、高效、資源回收利用率高、不會造成二次污染、成本低廉等優點，因而受到人們的青睞。目前，微波技術主要應用于環保領域的以下幾個方面：1、制取活性炭生產工業。以往多采用傳統的氯化鋅法制取活性炭，要消耗大量優質原材料，而且制取過程熱利用率低、勞動強度大、成本高。現在，國內科研機構正在開發微波氯化鋅快速制取活性炭技術，可以有效地改變這種狀況。在微波輻射下，物料內部迅速被加熱，由于氯化鋅和水分子急劇揮發，造成物料有更顯著的多孔結構，表面積增加。實驗證明，采用這種新技術，具有污染小、節能、縮短生產時間、操作易控制等優點，很有推廣價值。2、分解二氧化硫。隨著工業的不斷發展，大氣中二氧化硫的排放量日漸增加。采用微波碳還原法處理二氧化硫，將微波輻射到活性炭的表面，在微波作用下，通過吸附微波的循環方式，使二氧化硫與活性炭發生反應，生成二氧化碳和單質硫。單質硫可用作化工原料，不存在二次污染。該技術裝置簡單，投資少，使用方便，受到有關企業的歡迎。3、分離、吸收原油乳液。當原油從地下被開采出來時，含有一種可以分離出油料的乳液，但其中有為一種頑固性穩定乳液，通常只能大量廢棄，其結果是在產油區形成一個個黑色的“沼澤湖”。這種“沼澤湖”占據大片土地，且數量還在不斷增長，成為亟待解決的環境問題。為解決這一問題，國外科研機構開發出了原油淤泥微波脫油技術，并已實現工業化應用。在操作中，首先用微波輻射原始乳液，然后再以連續流動的方式離心分離，其中油料回收率為，殘余固體可以進行填埋處理。該裝置便于攜帶，可以流動作業。此外，微波輻射制備的高吸油樹脂對浮油有很好的吸收作用，可以大幅度縮短完成聚合物交聯反應過程所需要的時間，使吸油效率得到明顯提高，因而將越來越多地得到應用。4、回收電路板。目前，全球每年報廢的電路板數以百萬計。如采用填埋法處理這些電路板，會滲出劇毒重金屬元素，造成地下水污染。美國科學家開發出的微波回收法，先將電路板粉碎，放入坩鍋中用微波加熱，使其中的有機物揮發出來，再繼續加熱到左右，余下的玻璃和金屬等廢料便熔化形成玻璃化物質，這種物質冷卻后，金、銀和其它金屬就以小珠的形式分離出來，方便回收利用，余下的玻璃物質則可回收用作建筑材料。5、抵御電磁波輻射。鑒于電磁波輻射已成為新的環境污染因素，科研人員正在開展微波吸收材料的研究與開發。研究表明，用鐵砂制備鐵氧體微波吸收劑，對電磁波有較大的衰減作用，將成為一種物美價廉的抵御電磁波輻射材料。微波是頻率在300兆赫到300千兆赫的電磁波(波長1米 - 1毫米），通常是作為信息傳遞而用于雷達、通訊技術中。而近代應用中又將它擴展為一種新能源，在工農業上用作加熱、干燥；在化學工業中催使化學反應；在科研中激發等離子體等。家用微波爐就是微波能應用的一個典型例子。1. 4 微波加熱烘干的原理通常，一些介質材料由極性分子和非極性分子組成，在微波電磁場作用下，極性分子從原來的熱運動狀態轉向依照電磁場的方向交變而排列取向。產生類似摩擦熱，在這一微觀過程中交變電磁場的能量轉化為介質內的熱能，使介質溫度出現宏觀上的升高，這就是對微波加熱最通俗的解釋。 由此可見微波加熱是介質材料自身損耗電磁場能量而發熱。對于金屬材料，電磁場不能透入內部而是被反射出來，所以金屬材料不能吸收微波。水是吸收微波最好的介質，所以凡含水的物質必定吸收微波。 有一部份介質雖然是非極性分子組成，但也能在不同程度上吸收微波，其原理。微波加熱的特點： 1、加熱速度快 常規加熱如火焰、熱風、電熱、蒸汽等，都是利用熱傳導的原理將熱量從被加熱物外部傳入內部，逐步使物體中心溫度升高，稱之為外部加熱。要使中心部位達到所需的溫度，需要一定的時間，導熱性較差的物體所需的時間就更長。 微波加熱是使被加熱物本身成為發熱體，稱之為內部加熱方式，不需要熱傳導的過程，內外同時加熱，因此能在短時間內達到加熱效果。2、均勻加熱 常規加熱，為提高加熱速度，就需要升高加熱溫度，容易產生外焦內生現象。微波加熱時，物體各部位通常都能均勻滲透電磁波，產生熱量，因此均勻性大大改善。3、節能高效 在微波加熱中，微波能只能被加熱物體吸收而生熱，加熱室內的空氣與相應的容器都不會發熱，所以熱效率極高，生產環境也明顯改善。4、易于控制 微波加熱的熱慣性極小。若配用微機控制，則特別適宜于加熱過程加熱工藝的自動化控制。5、低溫殺菌、無污染微波能自身不會對食品污染，微波的熱效應雙重殺菌作用又能在較低的溫度下殺死細菌，這就提供了一種能夠較多保持食品營養成份的加熱殺菌方法。6、選擇性加熱 微波對不同性質的物料有不同的作用，這一點對干燥作業有利。因為水分子對微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量較低的部位這就是選擇加熱的特點。烘干木材、紙張等產品時，利用這一特點可以做到均勻加熱和均勻干燥。 值得注意的是有些物質當溫度愈高、吸收性愈好，造成惡性循環，出現局部溫度急劇上升造成過干，甚至炭化，對這類物質進行微波加熱時，要注意制定合理的加熱工藝。7、安全無害 在微波加熱、干燥中，無廢水、廢氣、廢物產生，也無輻射遺留物存在，其微波泄漏也確保大大低于國家制定的安全標準，是一種十分安全無害的高新技術。 1.5 采取的控制方案 本畢業設計系統主要利用單片機來控制電機的旋轉圈數和磁控管的工作時間,采取的控制方案涉及到弱電和強電的隔離問題。關于弱電和強電的隔離有如下幾種電路控制方案。方案一的電路圖1-1如下：圖1-1 方案一方案二的電路圖1-2如下：圖1-2 方案二考慮到電路的安全和干擾問題，我采用MOC3041光耦器件，該器件內含有過零檢測電路。本畢業設計的微波糧食烘干控制系統應用的控制方案電路圖1-3如下： 圖1-3 方案三2.計基礎知識2.1 單片機89C51的介紹AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖2-1 AT89C51引腳圖1.主要特性： 與MCS-51 兼容 4K字節可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環 數據保留時間：10年 全靜態工作：0Hz-24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8位內部RAM 32可編程I/O線 兩個16位定時器/計數器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 2管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高電阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /（外部中斷0） P3.3 /（外部中斷1） P3.4 /T0（記時器0外部輸入） P3.5/ T1（記時器1外部輸入） P3.6 /（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 ：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。 /VPP：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，將內部鎖定為RESET；當端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3振蕩器特性 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 4芯片擦除 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。 此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 2.2、 光耦元件的介紹光電耦合器是把發光器件和光敏器件組裝在一起，通過光線實現耦合，構成電光電的轉換器件。將電信號送入光電耦合器輸入端的發光器件時，發光器件將電信號轉換成光信號，光信號經光接收器接收，并將其還原成電信號。由于輸出與輸入之間沒有直接的電氣聯系，信號傳輸是通過光電耦合的，所以也稱為光電隔離器。光電耦合器的結構及特點光電耦合器由發光源和受光器兩部分組成，并封閉在同一不透明的管殼內由絕緣的透明樹脂隔開，如圖3-11所示。發光源引出的管腳為輸入端，受光器引出的管腳為輸出端。光電耦合器的封裝形式有管形，雙列直插式和光導纖維連接形式。光電耦器械的發光源常用砷化鎵紅外發光二極管，受光器常用光電三極管，光敏晶閘管和光敏集成電路等。光電耦合器具有如下特點：1、 光電耦器的信號傳遞采取電光電的形式，發光部分和受光部分不接觸，因此具有很高的絕緣電阻，可以達到10個億歐姆以上。并能承受2000伏以上的高壓，因而被合的兩個部分可以自成系統，也不需要“共地”，絕緣和隔離性都很好，能夠避免輸出端對輸入端可能產生的反饋和干擾。2、 光電耦器的發光二極管是電流驅動器件，動態電阻很小，對系統內外的噪音干擾信號形成低阻抗旁路，所以具有很強的抑制噪音干擾能力。3、 光耦合器作為開關應用時，具有耐用、可靠性高和速度快等優點，響應時間一般為數us以內，高速型光耦合器的響應時間有的甚至小于10ns。光耦合器的用途很多，如作為高壓開關，信號隔離轉換，脈沖系統間的電平匹配以及各種邏輯電路等。 輸 輸 入 出 圖2-2 光電耦合器的結構和符號221、光耦器件的典型應用光耦器件主要用于微機接口電路中的光電隔離、功率驅動電路中的光電隔離和遠距離的隔離傳送等，以下分別介紹。1、機接口電路中的光電隔離微機有多個輸入端口，接收來自遠處現場設備傳來的狀態信號，微機對這些信號處理后，輸出各種控制信號去執行相應的操作。在現場環境較惡劣時，會存在較大的噪聲干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進入微機系統，會使控制準確性降低，產生誤動作。因而，可在微機的輸入和輸出端，用光耦作接口，對信號及噪聲進行隔離。典型的光電耦合電路如圖4-24所示。該電路主要應用在AD轉換器的數字信號輸出，及由CPU發出的對前向通道的控制信號與模擬電路的接口處，從而實現在不同系統間信號通路相聯的同時，在電氣通路上相互隔離，并在此基礎上實現將模擬電路和數字電路相互隔離，起到抑制交叉串擾的作用。對于線性模擬電路通道，要求光電耦合器必須具有能夠進行線性變換和傳輸的特性，或選擇對管，采用互補電路以提高線性度，或用VF變換后再用數字光耦進行隔離。圖2-3 典型的光電耦合電路2 、功率驅動電路中的光電隔離在微機控制系統中，大量應用是對開關量的控制，這些開關量經過微機的IO輸出，而I/O的驅動能力有限，一般不足以驅動一些點磁執行器件，需加接驅動接口電路，為避免微機受到干擾，須采取隔離措施。如晶閘管所在的主電路一般是交流強電回路，電壓較高，電流較大，不易與微機直接相連，可應用光耦合器將微機控制信號與晶閘管觸發電路進行隔離。電路實例如下圖2-4所示。在馬達控制電路中，也可采用光耦來把控制電路和馬達高壓電路隔離開。馬達靠MOSFET或IGBT功率管提供驅動電流，功率管的開關控制信號和大功率管之間需隔離放大級。在光耦隔離級放大器一級大功率管的連接形式中，要求光耦具有高輸出電壓、高速和高共模抑制。 圖2-4 光藕在驅動中的應用電路222 遠距離的隔離傳送在計算機應用系統中，測控系統與被測和被控設備之間不可避免地要進行長線傳輸，信號在傳輸過程中很易受到干擾，導致傳輸信號發生畸變或失真。在通過較長電纜連接的相距較遠的設備之間，常因設備間的地線電位差，導致地環路電流，對電路形成差模干擾電壓。為確保長線傳輸的可靠性，可采用光電耦合隔離措施，將兩個電路的電氣連接隔開，切斷可能形成的環路，使它們相互獨立，提高電路系統的抗干擾性能。若傳輸線較長，現場干擾嚴重，可通過兩級光電耦合器將長線完全“浮置”起來，如下圖2-5所示。長線的“浮置”去掉了長線兩端間的公共地線，不但有效消除了各電路的電流經公共地線時所產生噪聲電壓形成相互串擾，而且也有效地解決了長線驅動和阻抗匹配問題。同時，受控設備短路時，還能保護系統不受損害。受控設備I/O接口光耦3光耦1主機光耦4光耦2圖2-5 光藕在遠距離傳輸中的應用2.3 晶閘管元件的介紹晶閘管，也稱可控硅，在早期的中文獻中也有人稱為硅可控整流器。它是目前應用最廣泛的半導體功率開關元件。晶閘管隨著半導體工藝的發展和進步，現在型號和品種十分齊全，整流電流從數安培到千安培，目前已形成了單向晶閘管SCR（Silicon Controlled Rectificer），雙向晶閘管Triac，和可關斷晶閘管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)這三種最基本的結構。晶閘管在單片機應用的各種場合有很大的作用。在工業上的電機控制，電磁閥控制；在文藝舞臺的燈光控制；在各種特殊的專用設備中，例如充電機，穩壓器等都有著十分普通的應用。以晶閘管做成的各種固態繼電器，由于無吸動機構、無噪聲、體積少、可靠性高、不用維修等一系列優點，已越受用戶的歡迎。單片機應用系統中廣泛應用晶閘管作為功率元件，是一種不可逆轉的方向。231 晶閘管的原理及特性晶閘管雖然型號繁多，但不外是單向、雙向和可關斷三種結構。由于這三種結構的形式及原理有所不同，但本次畢業設計應用到了雙向晶閘管。下面我們對它進行具體介紹。雙向晶閘管也稱雙向三極半導體開關元件（Bidirectional Triode Thyristor），它和單向晶閘管的區別是：第一，它觸發之后是雙向導通的；第二，在門極中所加的觸發信號不管是正的還是負的都可以使雙向晶閘管導通。雙向晶閘管可看作由兩個單間晶閘管反向并聯組成。雙向晶閘管的內部結構原理及表示符號如圖2-6所示 電極2 MT2 電極2 MT2N P N P NN 門極 G 電極1 MT1 電極1 MT1 G 門極 （a） (b) 圖2-6 雙向晶閘管內部結構雙向晶閘管是從N型硅單晶片的兩側擴散P型材料，形成PNP結構；然后分別在兩個P型材料上再形成N型材料，從而形成五層三端特殊的NPNPN結構，如圖2-6（a）所示。它的表示符號如圖2-6（b）所示。由于雙向晶閘管是雙向導通的，故它的電極不能稱陰、陽極。為了區別雙向晶閘管的兩個電極，一般把和門極G接近的電極稱電極1，它也是參考電極；另一個電極稱電極2。電極1用MT1表示，電極2用MT2表示。雙向晶閘管在觸發之后，主電路的電流可雙向流過；而在控制觸發方面，雙向晶閘管也具有雙向性，故雙向晶閘管在觸發時，四種觸發方式：第一象限觸發：MT2+，G+。這時對于參考電極MT1而言，電極MT2的電壓為正；門極G的觸發電流為正。第二象限觸發：MT2+，G。這時電極MT2的電壓為正；門極G觸發電流為負。第三象限觸發：MT2，G。這時電極MT2的電壓為負；門極G觸發電流為負。第四象限觸發：MT2，G+。 這時電極MT2的電壓為負；門極G觸發電流為正。絕大多數雙向晶閘管的最高觸發靈敏度在第一、三象限。觸發靈敏度較差的是第二象限。最差的是第四象限。所以一般不采用第四象限的觸發方式。雙向晶閘管是雙向導通的，它從一個方向過零進入反向阻斷狀態只是一個十分短暫的時間，一般只是用于60Hz或頻率小于60Hz的正弦電壓電源中。當負載是感性的時候，由于電流的滯后性，有可能會使得電壓在過零時電流仍然存在而導致雙向晶閘管失控。為了使它能夠正確工作，應抑制雙向晶閘管中的電壓上長率t,也就是在雙向晶閘管兩個主電極MT1、MT2之間加上RC回路。2.4 ADC0809芯片的介紹ADC0809是由8位A/D轉換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉換的。ADC0809的內部結構由單一+5V電源供電；片內帶有鎖存功能的8路模擬多路開關，可對8路0-5V的輸入模擬電壓信號分時進行轉換，完成一次轉換約需100us；片內具有多路開關的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器，穩定的比較器，256R電阻T型網絡和樹狀電子開關以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態鎖存緩沖器，可直接接到單片機數據總線上；通過適當外接電路，ADC0809可對0-5V的雙極性模擬信號進行轉換。ADC0809是28腳雙列直插式封裝，引腳如圖2-7所示。圖2-7 ADC0809的引腳結構圖各引腳功能如下： D7D0:8位數字量輸出引腳。IN0IN7：8路模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：接地。REE（+）：參考電壓正端。REE（-）：參考電壓負端。START：A/D轉換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩信號用于啟動A/D轉換）EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。OE：輸出允許控制端，用于打開三態數據輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端。A、B、C：地址輸入線，經譯碼后可選通IN0IN7八個通道中的一個通道進行轉換。A、B、C的輸入與被選通的通道的關系如表2-1所示。表2-1地址輸入與被選通的通道的關系被選通的通道CBAIN0000IN1001IN2010IN4100IN5101IN6110IN71112.5 移位寄存器74LS164的介紹74LS164 為串行輸入、并行輸出8位移位寄存器并且74LS164為普通的TTL電路，價格低，并且鍵值讀入、顯示驅動均可使用該芯片完成。接一片74LS164可擴展一個8位并行口，用以連接一位七段數碼管LED，段選口作靜態顯示或作為鍵盤中的列地址線使用。本畢業設計系統的顯示電路部分運用了74LS164芯片，在顯示電路中的主要功能的串行輸入并行輸出。下表為74LS164芯片的各管腳標號及其功能：表2-2 74LS164芯片的各管腳標號表 本畢業設計系統的顯示電路部分運用了74LS164芯片，在顯示電路中的主要功能的串行輸入并行輸出。26 7407芯片的介紹7407緩沖器為集電極開路六正相高電壓驅動器，它的內部結構如圖2-8所示圖2-8 7407內部結構真值表為表2-3所示：表2-3 7407 真值表7407緩沖器內部電路為OC門電路，即“與非”門電路，它的最大負載電流為40mA，截止時耐壓30V，足以直接驅動光電耦合器。27 霍爾傳感器的介紹HZL201霍爾齒輪HZL201霍爾齒輪傳感器是一種用于測量速度、角度、轉速、長度等的新型傳感器。由傳感黑色金屬齒輪或齒條的齒數并轉換成電壓脈沖信號來測量物體的速度、轉速等參量。并轉換成電壓脈沖信號來測量物體的速度、轉速等參量。電參數表2-4如下表2-4參數符號量值單位工作電壓Vcc5-20V工作電流Icc15mA輸出低電平VOL0.4V輸出高電平VOH(Vcc-1)V 工作距離d1-2.5mm它的特點：傳感黑色金屬目標；輸出幅度與齒輪轉速無關，低速性能優異；工作頻率高，可達100KHZ；抗電磁干擾；有電源極性反向保護；安裝維修方便。2.8 濕度傳感器的介紹 HS1101（濕敏電容）:是基于獨特工藝設計的電容元件，專利的固態聚合物結構;高精度2%；極好的線性輸出；1-99%RH濕度量程；-40到100攝氏度的溫度工作范圍；響應時間5秒；濕度輸出受溫度影響極小；防腐蝕性氣體；常溫使用無需溫度補償；無需校準；電容與濕度變化0.34pf/%RH;典型值180pf55%RH;長期穩定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/年。實物圖如下： 圖2-9 濕度傳感器（HS1101）3.系統設計3.1 系統工作原理 本設計的微波糧食烘干控制系統是利用微波加熱原理，充分體現了微波加熱快、加熱均勻、無污染等優點，采用單片機89C51來控制微波加熱器件磁控管的工作時間。從而經過該系統烘干后的糧食被控制在安全水之下。具體的系統工作過程包括向系統輸送糧食、微波加熱、系統輸送出糧食三大過程。如圖31系統構成圖所示： 圖31系統構成圖 通過自動定量給料器將糧食送到間歇運行的傳輸帶上,通過刮板將糧食自動攤平,厚度為30mm，判斷糧食輸送到位之后，磁控管開始對輸送到位的糧食進行微波加熱，同時對糧食的濕度進行監控測量，并判斷此時的糧食是否達到安全水之下，如果糧食已達到了標準，電機開始旋轉，把烘干的糧食輸送到收料器中。同時又把將要烘干的部分糧食輸送到微波加熱板中。這樣就完成了本系統的一次循環過程。下面具體講解單片機是怎么對本系統的工作過程進行控制的。單片機對本系統控制的工作過程分為兩大部分，分別是對糧食輸送的控制和對磁控管工作的時間的控制。 （1）對糧食輸送的控制當單片機89C51上電復位后開始工作時，控制磁控管不工作，電機開始工作，是為把將要烘干的糧食輸送到微波加熱板上。單片機此時開始對電機旋轉的圈數進行計數，是為了確保糧食輸送到位，單片機的計數過程是這樣的：當霍爾傳感器掃描到一個磁鋼時，霍爾傳感器發生一次脈沖輸入單片機，由于微波加熱板的長度為2m，傳送輪子的周長為1m，傳送輪子上有8個磁鋼，所以傳送輪子需要旋轉2圈，也就是發生17個脈沖信號，應能確保將要烘干的糧食輸送到位了。這時單片機產生一次中斷，控制電機停止旋轉。這樣單片機就完成了對糧食輸送的控制工作。（2）對磁控管工作的時間的控制當確保把將要烘干的糧食輸送到位之后，單片機產生一次中斷，控制電機停止旋轉和磁控管開始對輸送到位的糧食進行微波加熱，同時單片機對送入微波加熱板內的糧食進行持續的監控測量糧食的濕度，并判斷微波加熱板內的糧食是否達到安全水標準。如果微波加熱板內的糧食達到了安全水之下，單片機又產生一次中斷，控制磁控管的微波加熱停止，電機開始轉動，同時單片機要控制電機旋轉的圈數為2圈，保證把烘干后的糧食輸送到收料器中和把將要烘干的糧食輸送到磁控管的微波加熱板上。就這樣循環的運行下去。3.2 控制硬件設計 321 系統原理圖的設計濕度信號采樣A/D轉換單片機信號處理輸出控制信號要求設計的微波糧食烘干控制系統是根據單片機來控制磁控管的工作時間和電機旋轉的圈數，從而把糧食控制在安全水之下。其過程如下：先要電機工作，磁控管不工作，是為了把將要烘干的糧食輸送到微波加熱上。同時通過計霍爾傳感器發出脈沖的個數，來確保將要烘干的糧食輸送是否到位了。收到設定的個數之后，產生一次中斷，說明糧食已經輸送到位了。此時單片機控制電機不工作、磁控管開始工作；是為對輸送到位的糧食進行微波加熱烘干，同時對輸送到位的糧食進行持續的監控測量糧食的濕度，如果微波加熱的糧食已經達到了安全水標準，單片機又產生一次中斷。控制電機工作、磁控管不工作，之后要計脈沖；為了確保把烘干后的糧食輸送到收料器中和把第二次將要烘干的糧食輸送到微波加熱板的指定位置，就形成了一個循環。322 系統的組成框圖顯示電路控制執行電路命令鍵輸入89C51應用系統數據采集傳感器 通過系統的組成框圖可把該微波糧食烘干系統的硬件設計部分可分為輸入輸出接口設計、人機接口設計和控制接口設計。下面我們來依次介紹本畢業設計的微波糧食烘干系統所應用的這三部的設計。323 輸入輸出接口設計 本系統的輸入輸出接口設計主要包括數據采集電路和模數轉換電路，該系統應用的電路圖如圖3-2所示圖3-2數據采集電路的主要元件是濕度傳感器，濕度傳感器主要由濕敏元件構成，濕度的變化引起了濕度傳感器內部電容RH的改變，在相對濕度為55%時，RH的典型值為180pf。電容式濕度傳感器HS1101是用集成工藝制造的濕度傳感器，它在1%99%范圍內能按恒定比率輸出一個與濕度成正比的電壓，通過對此電壓的測量，就可得到所需要的濕度值。濕度傳感器對糧食的濕度信號進行采樣，要通過采樣電路來實現。當采樣到糧食的濕度信號之后，通過兩級LM358芯片的放大，每一級的放大倍數為：，最后把放大的模擬信號輸入ADC0809，進行模數轉換。A/D變換器工作原理 ：模/數轉換器的功能是把輸入的模擬信號轉換成數字形式，使微處理機能夠從傳感器或其它模擬信號獲得信息。A/D轉換器的種類很多，但目前應用較廣泛的主要有兩種類型：逐次逼近式A/D轉換器和雙積分式A/D轉換器。324 人機接口設計該微波糧食烘干控制系統的人機接口設計電路包括兩個部分為顯示電路的命令鍵輸入電路。下面依次對它們進行介紹：本系統的顯示電路使用串行口的靜態LED驅動接口。利用串行口和移位寄存器作為顯示器的驅動接口，可以簡化設計，節省CPU的I/O線。圖3-3是一個使用89C51串行口的靜態LED顯示接口。 圖3-3用串行口的靜態LED顯示接口單片機89C51的串行口設定工作在方式0狀態。在方式0時，89C51的串行口起一個移位寄存器的作用，RXD引腳作為輸入或輸出移位時鐘。輸出時以字節為單位輸出，D07位首先送出接著送D1位，最后是D7位。一個字節輸出完畢后89C51內部自動對串行口發送中斷標志T1置位。在程序中可測試T1以確定是否發送完畢。電路中使用串行輸入并行輸出的移位寄存器74LS164。74LS164的功能是把串行輸入的數據轉變為并行輸出，當時鐘端CP有一個正跳變信號時，輸出端Q0至Q7的數據移位一次，Qn移至Qn+1，數據輸入端Da和Db的值相與后送入Q0，Q7原來的數據丟失。當下一級74LS164的Da和Db端接上一級的Q7端時，Q7原來的數據移至下一級74LS164的Q0端。MR端是復位控制端，WR為低電平時，Q0至Q7均輸出低電平。顯示接口電路中不需要復位操作，所以WR端接+5V。89C51的串行數據由RXD端輸出，送到74LS164輸入端Da和Db，移位時鐘由89C51的TXD端輸出，經7408組成的同相驅動器后接到所有的74LS164的時鐘端CP上。顯示器使用8個共陽極七段LED，組成8位十六進制數字顯示器，采用非掃描即靜態顯示方。每一片74LS164的8個輸出Q7Q0經過限流電阻后分別接到一個LED顯示器的ag端以及小數點Dp端,只要89C51不發出移位時鐘，顯示的數據就保持不變。顯示器程序中有一個段碼表。碼表就是把所要顯示字型的字段控制數據按所顯示數值的大小，順序排成一個表，并放在程序存儲中。例如要顯示的數字是十六進制數0F及十進制小數，空字符等.則段碼表的首地址單元存放顯示0.，1.到F.的段碼，20H單元存放不顯示的段碼，這樣就形成段了段碼表，即顯示子程序中的SGTAB。當需要顯示0時，則把地址為SGTAB的存儲單元的內容0C0H送到串行口輸出，經74LS164接收后驅動七段LED顯示出”0”。段碼字節的D0對應于74LS164的Q7即a段，D7對應于Q0端Dp段。SGTAB上段碼表的首地址，要顯示的數據為段碼表的偏移量,偏移量字節中D0D3代表顯示數字0F，D4小數點的顯示狀態，H表示不顯示。使用移位寄存器組成的顯示接口電路，可以接很多的七段LED顯示器。由于移位寄存器是一個個串聯的，增加LED顯示器不需要增加單片機的I/O線，只需修改相應的顯示控制程序。所以最大的顯示位數主要由CP線的驅動能力和傳送數據時間長短決定。如果用驅動能力強的74S241驅動器作為移位時鐘驅動，則顯示位數可接到20位以上。該接口電路的優點是顯示位數多，顯示亮度大，顯示程序簡單，主序不必掃描顯示器接口，故有更多是時間用于完成其它任務。本系統的命令鍵輸入電路如圖3-4所示 圖3-4 命令鍵輸入電路命令鍵輸入電路的關鍵部分是鍵盤，它是最簡單的單片機輸入接口，通過鍵盤輸入數據或命令，實現簡單的人機對話。鍵盤上閉合鍵的識別是由專用硬件實現的，成為編碼鍵盤，靠軟件實現的稱為非編碼鍵盤。在單片機應用系統設計中，為了節省硬件，通常采用非編碼鍵盤，在這種鍵盤結構中，單片機對它的控制不外乎有以下三種方式： 程序控制掃描方式：這種方式只有當單片機空閑時，才調用鍵盤掃描子程序，響應鍵盤的輸入請求。 定時掃描方式：單片機對鍵盤的掃描也可采用定時掃描方式，即每個一定的時間對鍵盤掃描一次。在這種掃描方式中，通常利用單片機內的定時器，產生10ms 的定時中斷，CPU響應定時器溢出中斷請求，對鍵盤進行掃描，以響應鍵盤輸入請求。 中斷掃描方式對鍵盤定時掃描控制方式的主要優點是能及時響應鍵入的命令或數據，便于用戶對正在執行的程序進行干預。這種控制方式，不管鍵盤上有無鍵閉合，CPU總是定時的關心鍵盤狀態，因為人工鍵入動作極慢，有時操作員對正在運行的系統很少甚至不會干預，所以在大多數情況下，CPU對鍵盤進行空掃描。為了進一步提高CPU的效率，可采用中斷方式，當鍵盤上有鍵閉合時產生中斷請求，CPU響應中斷，執行中斷服務程序，判別鍵盤上閉合鍵的鍵號，并作相應處理。 對鍵盤/顯示器接口設計的兩個要求：1.功能技術要高。2.可靠性好。但是系統不同，要求就不同，接口設計也就不同。對一個鍵盤/顯示器接口設計應從整個系統出發，綜合考慮軟、硬件的特點，合理分配軟、硬件的比重。在應用系統設計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本系統控制器的鍵盤采用掃描工作方式，這四個按鍵分別是復位鍵和外中斷控制鍵、功能加1鍵和功能減1鍵，直接把這些低電平觸發信號分別接到AT89C51的RET、P1.6和P1.7引腳上。有鍵按下時，系統進入鍵盤掃描服務程序，判斷哪個鍵被按下，并執行相應的操作。如果S4鍵被按下，系統進行復位功能；如果S3鍵被按下，系統產生外部中斷；如果S1鍵被按下，系統控制的磁控管的工作時間延長10秒；如果S2鍵被按下，系統控制的磁控管的工作時間減少10秒。325 控制接口設計本畢業設計的微波糧食烘干控制系統的控制接口設計部分采用交流電磁式接觸器的功率接口。繼電器中切換電路能力較強的電磁式繼電器稱為接觸器。接觸器的觸點數一般較多。交流電磁式接觸器由于線圈的工作電壓要求是交流電，所以通常使用雙向晶閘管驅動或使用一個直流繼電器作為中間繼電器控制。圖3-5是交流接觸器的接口電路圖。 圖3-5 交流接觸器接口由于本畢業設計的微波糧食烘干控制系統所控制的是高功率的電機和磁控管，所以利用交流接觸器來控制它們。此接口電路就是用來控制交流接觸器C的。從而控制了所要控制的電機和磁控管。交流接觸器C由雙向晶閘管T驅動。雙向晶閘管的選擇要滿足：額定工作電流為交流接觸器線圈工作電流的23倍；額定工作電壓為交流接觸器線圈工作電壓的23倍。對于工作電壓220V的中、小型交流接觸器，可以選擇3A、600V的雙向晶閘管。光電耦合器MOC3041的作用是觸發雙向晶閘管T以及隔離單片機系統和接觸器系統。光電耦合器MOC3041的輸入端接7407，由單片機89C51的P1.0端控制。P1.0輸出低電平時，雙向晶閘管T導通，接觸器C吸合。P1.0輸出高電平時，雙向晶閘管關斷，接觸器C釋放。MOC3041內部帶有過零控制電路，因此雙向晶閘管T工作在過零觸發方式。接觸動作時,電源電壓較低，這時接通用電器，對電源的影響較小。該接口電路還應用了雙向晶閘管型觸發電路，下面對它進行介紹：輸出端的雙向晶閘管導通，觸發外部的雙向晶閘管T導通。當P1.0輸出高電平時，MOC3021輸出端的雙向晶閘管關斷，外部雙向晶閘管T也關斷。電阻R1的大小由下3-1式計算： （3-1式）R1取300 。由于串入阻R1，使得觸發電路有一個最小觸發電壓，低于這個電壓時，T才導通。最小觸發電壓VT由下3-2式計算： （3-2式）對應的最小控制角為： （3-3式）即控制角不能小于，也只有在時，內部雙向晶閘管才導通。當外接的雙向晶閘管功率較大時，需要較大16T，這時最小控制角度比較大，可能會超出使用的要求。解決的方法是在大功率晶閘管和MOC3041之間再加入一個觸發用的晶閘管，這個觸發用的晶閘管的限流電阻可以用得比較小，所以最小控制角也可以做得比較小。當負載為感性負載時，由于電壓上升率較大，有可能超過MOC3021允許的范圍。在阻斷狀態下，晶閘管的PN結相當于一個電容，如果突然受到正向電壓，充電電流流過門極PN結時，起了觸發電流的作用。當電壓上升率較大時，就會造成MOC3041的輸出晶閘管誤導通。因此，在MOC3061的輸入回路中加入R2和C1組成的RC回路，降低電壓上升率在允許的范圍內。經計算R2取2 K （3-4式）經計算R2取2 K晶閘管，來減少晶閘管在導通時對電源的影響。這種觸發方式稱為過零觸發。326 Protel原理圖設計 Protel原理圖的設計過程一般可以按照下圖所示的流程圖進行：設置電路圖紙大小 在工作平面上放置元件原理圖的布線 編輯與調整存盤與打印具體說來可以分為以下的步驟：1 設置圖紙 根據實際電路的復雜程度來設置圖紙的大小，設置圖紙的過程實際是一個建立工作平面的過程。2 放置元件 這個階段，就是用戶根據實際電路的需要，從元件庫里取出所需的元件放置到工作平面上。用戶可以根據元件之間的走線等聯系對元件在工作平面上的位置進行調整、修改，并對元件的編號、封裝進行定義和設定等，為下一步工作打好基礎。3 原理圖的布線 該過程實際就是一個畫圖的過程。用戶利用Protel 99 SE提供的各種工具、指令進行布線，將工作平面上的器件用具有電氣意義的導線、符號連接起來，構成一個完整的電路原理圖。4 編輯與調整 在這一階段，用戶利用Protel 99 SE提供的各種強大功能對所繪制的原理圖進行進一步地調整和修改，以保證原理圖的美觀和正確。這就需要對元件位置的重新調整，導線位置的刪除、移動，更改圖形尺寸、屬性及排列。5 進一步完善 用戶在此階段，可以充分利用Protel 99 SE的強大功能來對原理圖進行進一步的補充和完善。如利用Protel 99 SE的繪圖工具繪制一些不具有電氣意義的圖形或者加入一些文字說明等。6 原理圖的輸出 該部分是對設計完的原理圖進行存盤、輸出打印，以供存檔。這個過程實際是對設計的圖形文件輸出的管理過程，是一個設置打印參數和打印輸出的過程。327 PCB的設計印制電路板（PCB）是電子產品中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電器連接。隨著電子技術的飛速發展，PCB的密度越來越高。PCB設計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此，在進行PCB設計時，必須應遵循PCB設計的一般原則，并符合抗干擾技術的要求。主要應遵循以下原則：1、布局首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸多大時，印制線條長，阻抗增加，抗干擾能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且臨近線條易受干擾。在確定P