蛋白质水解温度控制系统设计.docx

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1、蛋白质水解温度控制系统设计摘要本文介绍了以8031单片机为核心的蛋白质水解控制器的工作原理和设计方法。文中介绍了该控制器的硬件部分，包括：温度检测电路、温度控制电路和一些接口电路（如：EPRoM犷展接口、并行I/O接口、A/D转换接口等）。此外，文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：To中断服务程序、分段控制程序、给定值计算程序、采样程序、数字滤波程序以及PlD计算程序等。本设计也可用于其它的温度控制系统。Abstract:Thispaperintroducestheprincipleandthedesigningmethodsofproteolysiscontrol

2、ler,andthemainis8031single-chipcomputer.Atfirst,thepapergivesthehardwarepartsonthissystem.Thesecircuitsinclude:temperaturemonitor,temperaturecontrollerandafewmeets,whichincludeEPROMexpand,I/OparallelinterfaceandA/Dconversionetc.Inaddition,themainofthispaperisthesoftwareparts.Andthemodularprogramming

3、isusedinthepaper.Themainmodulesinclude:Tointerruptserviceroutine,segmentationroutine,predeterminevalueroutine,samplingroutine,digitalfilteringroutineandPIDcalculatingroutineetc.Thisdesignisusedfortheothersoftemperaturecontrollerincommon.KeyWord:Single-chipcomputerProteolysiscontrollerTemperaturemoni

4、torTemperaturecontrollerAnalogDigitalconversionProcessIDcalculation前言：蛋白质水解是食工加品领域中的主要应用之一，因为在不同的温度曲线下，蛋白质水解速度与水解度不同。这就需要一个优良的水解温度控制系统。现代社会，随着科学技术的不断进步，各种各样的智能控制系统越来越多，在众多的控制系统中，单片机扮演着重要的角色。利用各种各样的单片机作为控制系统的核心，是这些智能控制的标志。本设计就是采用MCS-51系列单片机对蛋白质水解炉温度控制，电阻炉炉温控制是这样一个反馈调节过程：由单片机定时对炉温进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量

5、和需要的炉温量得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节炉子的加热功率，从而实现对炉温控制。全文可以分为硬件和软件两个部分，首先介绍了该控制系统器的硬件设计部分，包括温度检测电路、温度控制电路和一些接口电路（如：EPROM扩展接口、并行1/0接口、A/D转换接口等）。其次是软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：TO中断服务程序、分段控制程序、给定值计算程序、采样程序、数字滤波程序以及PlD计算程序等。限于本人常识浅薄，加上时间仓促，错误和遗漏之处在所难免，敬请各位老师和同学不吝批语指出。设计要求1、分段对蛋白质溶液进行监测和控制，段数为319段；要求每段的温升-时间关系为电炉加热

6、功率：2000瓦；容积：20升；电源：AC220伏；控温范围：+20+100度。2、分段对蛋白质进行监测和控制，要求每段的升温速度为：Tto3、反应的温度要按预定的温度-时间关系变化。4、要有一定的控制精度和转换精度（一般采用数字式PlD控制）。5、要求设计一个清晰明了的整体方案，各个芯片的选用要具体，具有良好的扩展技术和接口技术。6、需要考虑到其他的一些技术，如：传感器技术，抗干扰技术和一些可靠性技术等。设计总体方案本设计是主要是利用单片机8031实现对温度的监测和控制，以达到蛋白质水解反应的具体温度。该系统的工作流程如下框图：工作流程为：传感器定时对炉温进行监测放大后，经芯片ADC0809

7、的A/D转换得到相应的数字量，再送到单片机803ICPU进行判断和运算，得到相应控制量去控制电阻炉功率，从而实现对温度的控制。硬件电路设计一、中央处理器的选择MCS-51系列单片机是8位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口（UART）,规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。由于单片机具有较高的性能比，国内尤以MCS-51系列单片机应用最广，易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强，可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。设计本着应用性，因此选择MCS-51系列的8031单片机作为中央处理器

8、，如图1所示。8031片内无程序存储器，只有128字节的数据存储器，与常见的微机的配置方式不同，数据存储器和程序存储器两者是分开的，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。片内RAM和ROM最多可以扩展64K字节数据和程序存储器空间。采用8031的最小系统作为中央处理器，再加上必要的外围电路，形成自动控制电路。8031的内部资源如下: 一个8位CPU图1 一个片内振荡器及时钟电路128字节RAM数据存储器两个16位定时器/计数器 可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储空间的控制电路 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口） 一个可编程全双工串行口具有五个中断源，两个优先级嵌套中断结

9、构时钟频率：1.2MHZ12MHZ二、温度检测和变送器热电式传感器的总类有：热电偶（在工业测温热电偶中常用粕错一粕热电偶，这种热电偶可以用于较高的温度，能长时间在。1300C中工作，短时间可以测量到1600C,它的物理化学稳定性好，因此一般用于较为精密测温中。如果加热物质是钢水，我们就可以选择这种热电偶），热电阻，热敏电阻以及PN结型温度传感器。热电偶虽然有测温范围宽的优点，但其热电势较低；热敏电阻的工作温度范围窄，但灵敏度高，有利检测微小温度变化。由于它们的输出都是非线性的,给使用带来一定的困难。PN结温度传感器和它们相比，最大优点是输出特性呈线性，且测温精度高。PN结测温传感器是利用半导体

10、材料和器件的某些性能参数的温度依赖性，实现对温度的检测、控制和补偿等功能。在窄温场中得以广泛应用。集成温度传感器是将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。电压型集成温度传感器中的四端电压输出型，它由PTAr核心电路，参考电压源和运算放大器三部分组成。典型的型号有LX56005700LM3911、UP515/61OA-C和UP3911等。性能指标如下：最大工作温度范围为一40+125C；灵敏度为10mvk;线性偏差为0.5%2%；长期稳定性和重复性为0.3%测量精度为4K(1)基本应用电路形式：,5V左图所示为正电源接法，在内部参考电压的fe2嵌位作用下，V+和V-端之间保持为

11、6.85V,传感r-tuo器实际是一个电压源。因传感器必须和电Rl串输入我出口0mv)联，所加电压也必须高于6.85V,常取15V,传感器的电路电流通常选在ImA左右，因此，电阻Rl值可以由下式确定：Rl(k)=Ucc(v)-6.85(v)lmA=8.2kQ,其中Ucc=I2V(2)摄氏温度检测器图中给出两种输出电压直接表示摄氏温度的检测电路，两种电路都是利用传感器自身的参考电压分压，而得到2.37V作为其偏置电压，这样使输出电压移动一2.73V,即使传感器在273K(Te)时，输出为0,于是补偿后的输出电压UO将直接指示摄氏温度，而不是绝对温度。三、温度控制电路温度控制电路采用可控硅调功方式

12、。双向可控硅管和加热丝串接在交流220V、50HZ交流市电回路。在给定周期T内，8031只要改变可控硅管的接通时间就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。下图示出了可控硅管在给定周期T内具有不同接通时间情况。显然，可控硅在给定周期T的100%时间内接通时的功率最大。对于这样的执行机构，单片机只要输出能控制可控硅通断电时间的脉冲信号就可以了，这可用一条【/0线，通过程序输出控制脉冲。在此采用8031用软件在Pl.3引脚上产生受过零同步脉冲同步后经光耦管和驱动器输出送到可控硅的控制极上。为了达到过零触发的目的。需要交流电过零检测电路。此电路输出对应于50HZ交流电压时刻的脉冲，作为触发双向可

13、控硅的同步脉冲，使可控硅在交流过零电压时刻触发导通。电路如图2+5V四、接口电路（一）程序存储器接口设计1、程序存储器的扩展性能（1） 程序存储器有单独的地址编号（0000HFFFFH）,虽然与数据存储器的地址重叠，但不会占用；使用单独的控制信号和指令，程序存储的指令、数据读取控制不用数据存储器的而控制和MoVX指令，而是由万成控制。读取数据用MOVC查表指令。（2） 由于大规模集成电路的发展，程序存储器使用的芯片数量愈来愈少,因此，地址选择多半采用线选法，而不用地址译码法。（3） 程序存储器和数据存储器共用地址总线与数据总线。MCS-51单片机访问外部存储器时，所使用的控制信号有：ALE:低

14、八位地址锁存器控制PSEN:外部程序存储器“读取”控制2、程序存储器EPROM的扩展方法（1）EPROM的基本扩展电路单片机一般都采用片内无RC）M的供应状态芯片80310程序存储器扩展时，一般扩展容量都大于256字节，因此，EPROM片内地址线除了由PO口经锁存器提供8位地址线外,还需由P2口提供若干地址线。EPROM所需的地址数决定于EPROM的容量，当EPROM为2K字节时地址线为11根（2K=2）,4K字节时地址为12根（4K=22）,余类推。所需要的高8位地址线由P2口提供。（2）程序存储器扩展电路芯片程序存储器扩展时，除必须有EPRoM芯片外，还必须有锁存器芯片。1）地址锁存器地址

15、锁存信号为ALE,可使用带三态-ALE41LALE76543 2 10 Aaaaaaaa 2=htIOK缓冲输出的八D锁存器74LS373,也可以使用带清除端的八D锁存器74LS273oMCS-51单片机PO口地址锁存器连接方法如右图。2） EPRoM程序存储器紫外线擦除电可编程只读存储器EPROM可作为MCS-51系列芯片的外部程序存储器。Intel公司典型产品有2716(2K8),2732(2K8),2764(8K8),27128(16KX8)和27256(32KX8)等。2732EPROM有五种工作方引脚号(18)(20)(24)(9-11,13-17)方式CEOEINPPVCCQ0-Q7读VILVILVCCDataOut编程VILVPPVCCDataIn编程检验VILVILVCCDataOut编程禁止VIHVPPVCC高阻维持VIH任意VCC高阻式，具体见上表。8031的I/O端口扩展常用芯片主要有通用I/O芯片和TTL、CMOS、锁存器、缓冲器电路芯片两大类。通用I/O扩展芯片主要有Iniel公司的8255（3X8位）、8155（2X8位+6位，