乳粉干燥微机控制系统设计毕业设计

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1、第一章 绪 论1.1引言一牛奶的营养价值1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。乳经过杀菌后，不需要进行任何调理即可直接供人食用。人们食用牛乳几乎全部消化吸收，并无废弃排泄物。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。牛乳所含有各种营养成分比例大体适合人类生理需要。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。为了取得牛奶同等数量的营养成分，用其他谷物提供，在数量上要比牛乳消耗好几倍。2每100克牛乳所含营养成分：脂肪3.5克、蛋白质3.

2、2克、乳糖4.6克、矿物质0.7克、生理水88克。3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。4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。牛乳蛋白质的消化率可达98%100%，生物价84。而豆类蛋白质消化率为80%。因而乳蛋白为完全蛋白质。5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。乳糖在自然界中仅存在与哺乳动物的乳汁中，其甜度为蔗糖的1/6。一分子乳糖消化时可得一分子葡萄糖和一分子半

3、乳糖。半乳糖可促进脑苷脂类和粘多糖类的生成，因而对幼儿智力发育非常重要。乳糖的一个重要特点是能促进人类肠道健康。乳糖还和糖的代谢有关，在食物中添加乳及乳制品有利于钙的吸收，取得预防小儿佝偻病、中老年人骨质疏松症的效果。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。6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。特别是含钙多，而且钙、磷比例合理，吸收率高。所以牛乳是人体钙最佳来源。钙是人体中含量最多的一种无机盐，是构成骨骼和牙齿的主要成分。人体中90的钙集中在牙齿和骨骼上。儿童、青少年生长发育期需要充足的钙，同样孕妇及成人、中老年人，也需要补充钙质，

4、缺乏钙会影响牙齿和骨骼的正常发育，导致佝偻病。成年人每日需钙800毫克，但我国居民的钙摄入量不足400毫克，由于钙摄入不足，出现骨质疏松，软骨症等，严重影响了我国人民的身体健康。大自然中的钙是以化合态存在的，只有被动、植物吸收后形成具有生物活性的钙，才能更好地被人体所吸收利用。牛奶中含有丰富的活性钙，是人类最好的钙源之一，1升新鲜牛奶中含活性钙约1250毫克，居众多食物之首， 它不但钙含量高，而且含维生素D3能促进人体胃、肠壁对钙的吸收，吸收率可高达98，调节体内钙的代谢，维持血清钙浓度，增进骨骼的钙化。7牛乳中维生素的营养价值：牛乳中含有所有已知的各种维生素，尤其是维生素A和B2含量较高，而

5、一般食物中维生素A和B2很少。所以，牛乳还是人类维生素A和B2的重要来源。牛乳中胆固醇含量少，而且还含有降低血胆固醇的3羟3甲基戊二酸及乳清酸，对中老年尤为适宜。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。一个成年人每日喝500毫升牛乳，能获得1517克优质蛋白质，可满足每天所需要的必须氨基酸；能获得600毫升的钙，相当于需要量的80%；可满足每日热量需要量的11%。牛奶是人类改善营养、科学补钙、增强体质的最好食品。二奶粉生产工艺流程图及其简介11.原料用于生产乳粉的牛乳必须在一级品以上，酸度超过20T会严重影响乳粉的溶解度，在保藏过程中容易

6、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。2.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；此外，产品中不得有致病菌检出，大肠杆菌和杂菌数也有严格标准。对原料乳的杀菌可以达到以下目的：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；提高牛乳的热稳定性；提高浓缩过程中牛乳的进料温度，使牛乳的进料温度超过浓缩锅内相应牛乳的沸点，杀菌乳进入浓缩锅后即自行蒸发，

7、从而提高了浓缩设备的生产能力，牛乳的进料温度等于浓缩锅内牛乳的沸点，也同样可提高设备的生产能力，并可减少浓缩设备加热器表面的结垢现象；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。因此，乳粉原料奶的杀菌条件比较激烈，一般有中温长时间杀菌法，7275保持15分钟；高温短时间杀菌法，8590，保温35分钟；超高温瞬时杀菌法，120140，保温12秒钟。实践证明，无论从乳粉的卫生及其他质量指标来看，高温短时加杀菌效果良好，因此，目前乳粉生产上多采用高温短时间杀菌法。超高温瞬时杀菌不但是牛乳经杀菌后处于无菌状况，而且保持牛乳原有的营养成分，但由于设备

8、成本高，未能得到广泛的应用。3.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：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；经浓缩的乳粉乳香浓郁、滋味充足，未经浓缩的乳粉乳香淡薄，缺乏乳粉滋味；经过真空浓缩的乳粉颗粒直径大，分散性、冲调性好，反之则性能相反；节约能源和设备，喷雾干燥时蒸发1Kg水需耗用2.83.2Kg蒸汽，真空浓缩只需11.2Kg；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；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

9、条件为：单效浓缩，真空度为表压0.080.0895MPa,乳温5156，多效浓缩的末效真空度0.080.092MPa,末效温度4045；加热蒸汽压力0.10.15MPa;浓缩终点，全脂乳粉为11.513波美度，相当于含固形物3842。真空度是浓缩过程的关键之一，真空度过低，乳温必然上升，乳蛋白变性加剧；真空度过高，乳的沸点过低，飞腾面就低，将影响蒸发效率。4.喷雾干燥 这是本文研究的重点问题，其工艺将在后文中具体介绍。5.冷却干燥后乳粉的温度通常都在6072，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

10、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。传统的冷却方法是将乳粉放入专用的不锈钢箱内，在室温下自然冷却数小时之后筛粉，更先进的是通过干燥室内附带的冷却装置冷却，或使乳粉在卸粉过程中通过自动筛网，并用符合食品卫生要求的冷风进行冷却，使乳粉温度降至2530，低于脂肪熔点。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。按照马可波罗在亚洲旅行的笔记记载，蒙古人通过在阳光下干燥牛乳以生产奶粉。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

11、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。喷雾干燥设备在1901年首次用于奶粉工业的生产，在20世纪20年代才真正用于奶粉工业的生产，20世纪40年代末才在我国开始使用。最早的结构是属于

12、压力箱式（卧式），物料的雾化为双流体式，动力消耗量大。到1958年，轻工部在黑龙江省推广畜力小型压力式喷雾干燥法生产奶粉，1955年哈尔滨松花江牛奶厂首次用离心喷雾的方法生产奶粉。这两种形式的喷雾干燥设备当时都是平底结构，出粉是间歇式的，每工作一个班次人工出粉一次。20世纪60年代中期，箱式压力干燥设备出现了锥底带螺旋出粉器（搅龙）的结构形式。第一台立式多喷头压力喷雾干燥设备诞生在20世纪70年代初，它的出现使喷雾干燥设备的有效容积缩小近一半，而且不用搅龙，连续出粉。20世纪80年代又生产了单喷头的立式压力喷雾干燥设备，它在奶粉工业中的应用事推动我国乳粉工业技术进步的一个关键环节，为促进我国奶

13、粉工业的迅速发展奠定了基础。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：1.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

14、。2.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。乳粉颗粒的大小随干燥方法的不同而异。一般来说，压力喷雾干燥法生产的乳粉颗粒直径约为10100微米，平均为45微米；而离心喷雾干燥法生产的乳粉颗粒直径则为30200微米，

15、平均为100微米。3.水分含量水分含量对乳粉质量的影响有以下几个方面：乳糖。含水分35的喷雾干燥脱脂乳粉，在37保存600日也不结晶化。水分约7.6时，37保存1日，28.5保存10日，20保存100日开始结晶；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，水分在4以下不易褐变，水分超过5，即使抽真空充氮包装也易褐变；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；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23，细菌反而减少，超过5细菌就容易繁殖并容易产生陈腐味。但水分含量过低（小于1.88）时，也

16、容易发生氧化臭味。第二章 乳粉干燥工艺介绍及控制方案论证2.1乳粉喷雾干燥工艺介绍1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。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。恒速干燥阶段。 在恒速干燥阶段，微粒内部的水分不

17、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5060）。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0.010.04s内完成。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1030s或更长。2喷雾

18、干燥的设备：最简单的喷雾干燥的设备是一个具风力传送系统的喷雾干燥器，见图2.1.1图2.1.11 干燥室2 空气加热器3 牛乳浓缩缸4 高压泵5 雾化器6 主旋风分离器7 旋风分离输送系统深蓝、浅蓝、褐色依次为牛乳、空气、乳粉。这一系统建立在一级干燥原理上，即从将浓缩液中的水分脱除至要求的最终湿度的过程全部在喷雾干燥塔室内(1)完成。浓缩奶由一个高压泵（4）送至干燥室（1）继续进入喷雾器（5），形成极细小奶滴被喷入混合室与热空气进行混合。空气由风扇吸入并通过过滤器，然后在加热器（2）处加热到150250，热空气经分散进入喷雾塔，在塔内，经喷雾的乳与热空气完全混合蒸发出奶中的水分。在干燥过程中奶

19、粉在塔中沉降到塔底排出。奶粉被冷风冷却下来并传送到包装段，冷风由风扇送至输送管道，冷却之后，混着冷风的奶粉流动到排放单元（7），在包装之前奶粉由空气中分离出来。一些小的、轻的颗粒可能与空气混在一起离开干燥空间。这些粉在一个或多个旋风分离器（6、7）中分离。经分离后，这些粉再混回到包装奶粉中，干净干燥的空气由风扇自工厂抽出。3.喷雾干燥的方式：喷雾干燥物料的雾化方式有压力喷雾干燥、离心喷雾干燥和气流喷雾干燥。压力喷雾干燥时物料在多缸柱塞式高压泵下经喷头在干燥室中雾化，与干燥介质进行热、质交换。压力喷雾设备的雾化器是喷头，它必须使浓缩乳能够均匀地分散成微小的液滴目前使用最为广泛的是M型和S型两种。

20、M型喷头的流通能力大，能适应生产能力较大的喷雾干燥设备，喷头喷孔精度高，红宝石喷头硬度大、耐磨性好，因此，浓乳的雾化情况好，操作稳定可靠。S型喷头加工较为方便，价格也较便宜，但流通能力较小，用不锈钢制造的喷头内孔易于磨损，使用寿命较短。离心喷雾干燥是向水平方向作高速旋转的圆盘上连续供以浓乳，使浓如在离心力的作用下高速甩出，形成薄膜或液滴，借助于周围空气的摩擦、阻碍与撕碎作用使之形成细雾。其设备如下图所示浓乳在圆盘上的每一质点均受到岁圆盘旋转而产生的切向力与离心力作用而产生的径向力，其结果为以合速度在圆盘上运动，其运动轨迹可以设想为一螺旋形，液体沿此螺旋线自圆盘上被抛出后，分散成很微小的液滴，并

21、受到使其沿圆盘的切线方向运动的离心力以及使其沉降的重力的合力作用。由于微粒的大小不一，所以它们受到的作用力也不一样。这样，就在不同的距离形成一个以转轴为中心对称的圆柱体。由于离心喷雾几乎都是沿水平面作圆周运动，干燥介质的流动方向与浓乳液滴的流动方向呈顺流或混流。气流喷雾干燥则借助于其他气体的作用挟带物料并经过喷嘴形成微粒再行干燥。此法在化工生产上应用较为普遍，在乳品生产方面很少使用。4.喷雾干燥的特点：喷雾干燥的过程迅速，干燥温度较低，因此特别适用于热敏性较强物料的干燥，产品能保持原有的营养成分和性能；喷雾干燥设备可以方便的调节及改变干燥条件，能适用于不同质量要求产品的干燥；由于干燥介质与湿物

22、料在空中瞬间接触时发生热交换，因此，对换热设备的壁面材料无需过高的要求；设备生产率很高，无需大量操作人员。但喷雾干燥设备的水分蒸发强度较小，因此，设备体积相当庞大，价格昂贵，所需厂房面积也大；喷雾干燥设备热效率很低，设备热效率在30以下，是乳品工厂设备中热效率最低的一种换热设备。5.喷雾干燥的工艺条件：不同的产品对浓缩物料的浓度及浓缩物料的进料量、废气的相对湿度均有不同的要求。浓缩物料的浓度一定程度上决定着喷雾干燥设备的产量和质量，雾化设备的选用队喷雾干燥的质量也有着相当大的影响。在通常情况下，离心喷雾法生产的乳粉颗粒总较压力喷雾法生产的大。在压力喷雾法生产过程中，高压泵的工作压力应控制在10

23、20MPa，不低于140MPa，喷孔的直径在0.73.2mm左右。使用离心喷雾干燥时，离心机圆盘的转速根据不同的直径有所不同，一般在500015000rpm，乳品生产所采用的离心机圆盘的圆周速率一般在100160m/s。进风温度控制在130170，废气的排气温度约在7485，废气的相对湿度在1013。进风机风量=干燥室内水分蒸发量110120，排风机排出风量=干燥室内水分蒸发量120140，干燥室内形成23.3kPa的负压。产品水分含量不超过2。2.2系统控制方案的论证及自动控制变量的确定正确分析喷雾干燥机理，对自动化控制方案的最后确定至关重要。衡量干燥设备应用在特定的工艺条件下成功与否的主要

24、指标是干燥产品的产量、质量，包括产品的粒径分布、外观及产品最终含水量等。产品的产量由生产复合的经济性能及热空气发生器所提供的热量、干燥器的干燥强度、热空气流量、料浆中固形物的含量等条件决定。影响产品质量的因素很多：产品的粒径及外观由干燥设备的工艺性能及料浆配置工艺参数决定，而产品的最终含水量与干燥塔热风进口温度、尾气出口温度及干燥塔内负压等参数的选取有直接关系。在喷雾干燥操作中，干燥温度是控制干燥产品质量的最主要因素。根据过程的物料与热量衡算及雾滴粒子的运动轨迹计算表明，影响干燥温度的因素有物料流量、空气流量和入口空气的温度。系统中可选作调解参数的有：物料流入量、旁路空气量（改变旁路空气量可改

25、变热风温度）、空气加热气的温度等。选其中任何一个调解参数都能够构成温度调节系统，达到控制干燥温度的目的。如下图所示，用调节阀位置代表3种调节方案。图2.2.12.2.3是3种调节方案的方框图。方案1（如图2.2.1所示）：将物料流量作为调节变量，物料经泵送入干燥器，滞后最小，对干燥温度的校正作用最灵敏，而且干扰位置最靠近调节阀，似乎最适宜作为调节参数，但物料流量是生产负荷，需要维持稳定才能保证产量，故它不宜作为调节参数。方案2（如图2.2.2所示）：以旁路空气流量作为调节变量，旁路空气经与热风混合后，再通过风管进入干燥机，比方案1将物料流量作为调节变量的流量调节通道滞后稍大，灵敏度次之。方案3

26、（如图2.2.3所示）：是通过加入经直接燃烧加热的空气而改变空气加热器的温度，热空气在调节阀处进入系统。选用热空气流量作为调节参数，调节通道长，容量滞后大，灵敏度最差，所有干扰进入位置都靠近被调参数。图2.2.1图2.2.2图2.2.3另外，一个控制系统的确定应该考虑多方面的因素。首先应考虑工艺上的合理性。从上述分析，如果从控制系统的角度来看，方案1最好，但由于此方案是以改变生产负荷的方法来达到控制变量温度不变的目的，在工艺上是不允许的，所以不予考虑。其次应考虑可能性。在确定控制系统时，首先应该考虑是否可以检测到所需要的信号。有时即使可以测量，但因测量所需的时间过长，同样可以认为该信号无法测量

27、。另外还应考虑系统是否可以控制。如果所设计的系统基本符合要求，但无法解决控制方法或无法配置调节机构，则此系统仍然不可采纳。最后还需进一步考虑有关控制系统中被控编变量、负荷变化对控制质量影响的评估、调节器控制规律的选用等问题。只有考虑好了以上问题。才能设计好合理的控制系统。综上所述，同时考虑在线测量装置的经济性及必要性，对于喷雾干燥过程，选用第2种方案，即采用旁路空气量作为调节参数为好2。第三章 硬件设计3.1系统总体设计方案概述1.控制系统方案的确定根据设计要求，系统采用以单片机为核心的直接数字控制（DDC）方式。2.测量元件的选择与“传统的温度传感器+温度检测电路”相比较数字型温度传感器有着

28、相当明显的优势，因此系统采用了数字型温度传感器DS1820。3.执行机构的选择在执行机构的选择上，通过直流伺服电动机与步进电机的优缺点对比，最终决定采用步进电机作为系统的执行机构。4.输入输出通道及外设由于采用了数字型温度传感器DS1820故输入通道非常简单，只由单线构成。而步进电机作为执行机构也意味着输出通道仅为一步进电机驱动电路。在显示方面系统采用LED作为外接显示装置。5.控制系统原理图即硬件电路图，见附录。3.2 8031芯片及其外围扩展芯片介绍33.2.18031芯片介绍单片机是整个控制系统的核心，它的选择对整个系统有决定性的影响，选择它有以下要求：字长。字长能影响数据的精度，指令的

29、数目，寻址能力和执行操作的时间，在过程控制领域，一般选择8位字长的微处理器。寻址范围，寻址方式。指令的种类和数量。内部存储器的种类和数量。运算速度。中断处理能力。根据以上要求以及结合本系统的技术指标，可以选用MCS51系列的8031。所选8031的特点是：片内没有程序存储器，使用时需外加程序存储器，使用时灵活方便，成本较低，是我国目前使用最多的一种机型。以下介绍8031的管脚及部分功能：控制口线：PSEN（片外取指控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）电源及时钟：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2I/O口线不能用作用户I/O口线。P3口是多功能口。I

30、/O口线：P0，P1，P2，P3，共四个8位口。I/O口驱动能力，P0口可驱动8个TTL门电路；P1，P2，P3则只能驱动4个TTL门。P3口是双重功能口。 图3.2.1-1 8031管脚图一、8031单片机片内结构 图3.2.1-2 8031片内结构8031片内结构如图所示。它由7个部件组成。即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。它们都通过片内单一总线连接而成。其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构。二、存储器8031内部没有程序存储器，只有数据存储器，其结构图如图3.2-3所示

31、： FFFFHFFH RAM FFH SFR 存 特殊 储 80H 功能 器 寄存器 RAM 80H I/O 数据缓冲器 位寻址区 工作寄存器 0000H 内部RAM 外部RAM 图3.2.1-3 8031存储器结构图三、特殊功能寄存器 特殊功能寄存器是用来对片内各功能模块进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器是一个特殊功能的RAM区，位于片内数据存储器之上。其地址为80HFFH的区域。特殊功能寄存器主要有：P0口锁存器 P0 80H定时/计数控制寄存器 TCON 88HP1口锁存器 P1 90H 串行口控制 SCON 98HP2口锁存器 P2 A0H 中断允许寄存器 IE A8HP3口

32、锁存器 P3 B0H 中断优先级寄存器 IPC B8H 程序状态寄存器 PSW D0H 累加器 ACC E0H 定时/计数分式寄存器 TMOD 89H SP 81H DPL 82H DPH 83H TL0 BAH TL1 BBH TH 8CH TH 8DH SBUF 99H 四、定时/计数器8031单片机内有定时/计数器T0和T1。它们是16位的计数器，即可用于定时，也可用来对片外脉冲计数，T1还可作为串行口的选择波特率发生器，这些功能都可通过软件来设定或修改。五、以时钟控制为核心的控制器 单片机执行指令时，首先按PC所提供的地址从程序存储器中取出指令码，对该指令码进行译码，产生一系列的定时控

33、制的微操作，送到单片机各部分，控制整个单片机的运行。控制器的一切工作都是以一个方波信号作基准时钟，这方波信号作基准时钟的产生如图3.2-4所示。图A为内部方式，图B为外部方式。A图 B图 图3.2.1-4 8031时钟信号的产生3.2.2程序存储器扩展一、程序存储器扩展性能它的扩展特性决定了在其应用系统扩展中程序存储器扩展用的最多，扩展方法也最容易简便。程序存储器有单独的地址编码（0000HFFFFH）虽然与数据存储器地址重叠，但不会被占用，使用单独的控制信号和命令，程序存储器的指令、数据读取控制不用数据存储器的控制和MOVX命令，而是由控制，读取数据用MOVC查表指令。由于大规模集成电路的发

34、展，程序存储器使用的芯片数量越来越少，因此地址选择多半采用线选法。程序存储器与数据存储器共用地址总线和数据总线。二、程序存储器EPROM的扩展 程序存储器一般采用只读存储器，因为这种存储器在电源关断后，仍能保存程序，在系统上电后，CPU可取出这些指令予以重新执行。三、程序存储器扩展芯片程序存储器扩展时，除必须有EPROM芯片，还必须有锁存器芯片。地址锁存程序存储器扩展时，地址锁存信号为ALE，地址锁存器可使用带三态缓冲输出的8D锁存器74LS373。它是透明的带有三态门的8D锁存器。当三态门的使能信号线E为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出；当E端为高电平时，输出三态门断开，输出端对外

35、电路呈高阻状态。因此74LS373用作地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号E为低电平。这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出（1Q8Q）状态和输入端（1D8D）的数据锁入1Q8Q中。EPROM程序存储器 在本次设计中，根据实际情况，选择一片2764作为外接程序存储器。图3.2.2-1 2764引脚图 2764是28线双列直插式三态输出、输入，输出有TTL兼容，有维持工作方式，其引脚如图所示，有和两个控制端，单一+5V电源，当和同时为1时输出有效。外接程序存储器的地址线A8A12由P2口提供。A0A7由P0口提供，且通过地址锁存器74LS373。地址锁存器的锁存信号为ALE，指令数由P0口读入

36、，程序存储器的取指信号为。3.2.3数据存储器扩展数据存储器与程序存储器地址重叠编号（0000HFFFFH），使用的不同的控制信号和指令，但它与I/O及外围设备实行统一编址，任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存储器地址，由于数据存储器与程序存储器地址完全重叠，故两者的地址总线和数据总线可完全并联使用.在8031单片机应用系统中，最常用的静态数据存储器RAM芯片有6116和6264两种。本设计选用6264。其管脚如图3.4-1所示： 图3.2.3-1 6264管脚图静态数据存储器与动态RAM相比，静态RAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较简单。但由于静态RAM是通过有源电路来

37、保持存储器中的数据。因此，消耗功率多，价格也昂贵。6264是Intel 公司的产品，8K8位的静态存储芯片，其中62 是系列号，64 是序号，和存储容量有关。数据存储扩展电路与程序存储扩展电路相似，所用的地址线、数字线完全相同，使写控制线用 、与其它I/O端口芯片进行统一编址。RAM的掉电保护在系统中应用都是易失的，一旦电源掉电，内部的所有信息均破坏，这是不允许的。因此，希望一旦电源掉电，在掉电的瞬间，系统能自动保护RAM中有用的信息和系统运行状态。当电源恢复时，能自动恢复掉电前的工作方式。掉电保护还可以在掉电瞬间表示系统工作状态的数据送入没有掉电保护的RAM，芯片中加以保护，当电源恢复瞬间，

38、将状态数据送回原来的地方。电源恢复后继续原来的工作状态。本系统所应用的是锂电池供电的掉电保护。因为工作的需要，不必掉电监测，只要电源切断就启动保护电路。3.3温度传感器的选择及其硬件接口数字式温度传感器DS1820是美国DALLAS半导体公司推出的单线数字化测温集成电路。它具有独特的单线接口方式，即与微处理器接口时仅需占用1个I/O端口；支持多节点，使分布式温度传感器设计大为简化；测温时无需任何外部元件，可以通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式。测温范围为-55+125，测温精度为0.5,可直接将温度转换值以9位数字码的方式串行输出，将温度转化为数字编码只需200ms。因为每一个DS182

39、0有唯一的系列号，因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上。该温度传感器特别适合与各种微处理器接口组成自动温度测控系统，可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要A/D转换器和较复杂的外围电路的弊端，可广泛用于工业控制、消费类电子产品、电子测温计、医疗仪器等各种温度测控系统中，可提高产品的可靠性、降低成本、缩小体积。一.引脚排列引脚说明GND 地DQ 数字输入输出VDD 可选的VDDNC 空引脚DNC 不连接详细的引脚说明引脚PR35符号说明1GND地2DQ单线运用的数据输入/输出引脚3VDD可选VDD引脚二.DS1820的结构原理（1）DS1820的结构DS1820由3部分组成：即64位光

40、刻ROM、温度传感器、永久型温度报警触发器TH和TL，结构图见下图。该方框图表示DS1820有三个主要的数据部件：64 位激光ROM、温度灵敏元件和非易失性温度告警触发器TH 和TL。器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生电容电源为止。作为另一种可供选择的方法DS1820也可用外部5V 电源供电。与DS1820 的通信经过一个单线接口。在单线接口情况下，在ROM 操作未定建立之前不能使用存贮器和控制操作。主机必须首先提供五种ROM 操作命令之一：1） Read ROM(读R

41、OM)， 2） Match ROM(符合ROM),3)Search ROM(搜索ROM),4)Skip ROM(跳过ROM),或5 Alarm Search(告警搜索)。这些命令对每一器件的64 位激光ROM 部分进行操作。如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了ROM 操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。一个控制操作命令指示DS1820 完成温度测量。该测量的结果将放入DS1820 的高速暂存贮器，通过发出读暂存存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果。每一温度告警触发器TH

42、 和TL 构成一个字节的EEPROM。 如果不对DS1820 施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器。使用存储器操作命令可以写TH 和TL。对这些寄存器的读访问通过便笺存储器，所有数据均以最低有效位在前的方式被读写。（2）寄生电源当I/O或VDD 引脚为高电平时，这个电路便取得电源。只要符合指定的定时和电压要求，I/O 将提供足够的功率。寄生电源的优点是双重的：1、利用此引脚远程温度检测无需本地电源，2、缺少正常电源条件下也可以读ROM。向DS1820供电的另外一种方法是通过使用连接到VDD 引脚的外部电源。这种方法的优点是在I/O 线上不要求强的上拉。总线上主机不需向上连接便在温度

43、变换期间使线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。此外，在单线总线上可以放置任何数目的DS1820。 而且如果它们都使用外部电源那么通过发出跳过ROM命令和接着发出变换温度命令，可以同时完成温度变换。注意只要外部电源处于工作状态GND 引脚不可悬空。在总线上主机不知道总线上DS1820 是寄生电源供电还是外部VDD 供电的情况下，在DS1820 内采取了措施来通知采用的供电方案。总线上主机通过发出跳过ROM 的操作约定，然后发出读电源命令，可以决定是否有需要强上拉的DS1820 在总线上。在此命令发出后，主机接着发出读时间片。如果是寄生供电，DS1820 将在单线总线上送回“0

44、” ；如果由VDD 引脚供电，它将送回“1”。如果主机接收到一个“0”， 它知道它必须在温度变换期间在I/O 线上供一个强的上拉。（3）DS1820的测量原理DS1820 通过使用在板on-board 温度测量专利技术来测量温度。温度测量电路的方框图见下图DS1820 通过门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数计数来测量温度，而门开通期由高温度系数振荡器决定。计数器被预置在与-55相对应的1个基数值，如果计数器在高温度系数振荡器输出的门周期结束前计数到零，表示测量的温度值高于-55，被预置在-55的温度寄存器得值就增加1，然后重复这个过程，直到高温度系数振荡器的门周期结束为止。这时温度

45、寄存器中的值就是被测的温度值，这个值以16位形式存放在便笺式存储器中，其中高位字节为符号扩展位，如果是正温度范围，则可只取低位字节，温度值可由主机通过发存储器命令而读出。斜率累加器是用于补偿温度振荡器的抛物线特性。温度读数以16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供。下表说明输出数据对测量温度的关系。数据在单线接口上串行发送，DS1820，可以以0.5 的增量值，在0.5 至+125 的范围内测量温度。对于应用华氏温度的场合，必须使用查找表或变换系数。注意在DS1820 中温度是以1/2LSB形式表示时，产生以下9 位格式：MSB（最高有效位） （最低有效位）LSB=-25最高有效（符号）位被复

46、制到存储器内两字节的温度存储器中较高MSB的所有位，这种“符号扩展”产生了下表所示的16位温度读数。温度/数据关系三.DS1820与单片机的硬件接口及编程因为DS1820是单线接口式器件，因此它与单片机的硬件接口十分简单，只需占用单片机的一个双向I/O口，其接口电路见下图（以单独电源供电，占用8031的P3.0口为例）。简单的硬件接口是以相对复杂的接口编程为代价的。DS1820的温度转换过程是在主机的控制下，通过单线接口接收主机发出的各种协议（时序），完成各种功能，其工作流程图见附录。主机控制DS1820完成任何操作之前，必须先对其进行初始化，只有当DS1820应答准备好后，主机才可发操作命令

47、。3个基本接口程序是：DS1820初始化程序；写DS1820子程序；读DS1820子程序（见附录）。3.4执行机构的选择及其驱动电路3.4.1执行机构的选择方案1：直流伺服电动机控制系统采用直流伺服电动机的驱动控制系统有其本身的一些优点：首先，直流伺服电动机有着宽广的调速范围，它的转速随着控制电压的改变能在很宽广的范围内进行连续的调节。其次，直流伺服电动机的机械特性和调节特性均为线性：机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系；调节特性是指电机转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。最后，直流伺服电动机电机的机电时间常数很小，并且它

48、有较大的堵转转矩和较小的转动惯量。这样，电机的转速便能随着控制电压的改变而迅速变化。另外，直流伺服电动机没有“自转”现象：它的控制电压为零时能立即自行停转。除此之外，采用直流伺服电动机的驱动控制系统也存在一些电机本身设计所带来的缺点，具体如下：1. 传统的直流伺服电动机大多采用电刷，以机械的方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，会产生机械噪声，从而使电刷的寿命缩短。2. 由于电刷的机械换向会产生电火花，会对伺服控制系统产生电磁干扰，使控制系统发生误动作，造成控制失灵。3. 直流伺服电动机的制造成本较高，维修困难，使它的应用范围受到极大的限制。方案2：步进电动机驱动控制系统步进电动机驱动控制系统

49、的优点：1. 步进电动机是一种离散运动的执行装置，它和现代数字控制技术有着内在的联系，因此很容易和其它数字器件进行接口，这也为控制电路实现的多样性提供了依据。2. 步进电动机的位移与输入脉冲信号数相对应，并且其步距误差不会长期积累，因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在高精度要求时组成闭环控制系统。3. 步进电动机是一种无刷电机，因而其本体部件大大减少，可靠性能得以提高。4. 它易于起动、停止、正反转，并且变速响应性能好。5. 步进电机停止时具有天生的自锁能力。6. 距角选择范围大，可在几十度至一百八十度大范围内选择，在小步距角情况下，通常可以在超低速下高转矩稳定运行，

50、而且可以不经减速而直接驱动负载。7. 电机速度可在相当宽的范围内平滑调节，并且只需要一台控制器就可以同时控制几台步进电动机使它们完全同步运行。同时，步进电动机的驱动控制系统也存在一些缺点：1. 步进电动机带惯性负载的能力较差，所以在使用时既要注意负载转矩的大小，又要注意负载转动惯量的大小，只有当两者选取在合适的范围时，步进电动机才能获得满意的运行性能。2. 不能使用普通的交直流电源驱动步进电动机，需要配上合适的步进电动机专用的驱动电源。3. 存在失步和共振的问题，因此步进电动机的加减速方法根据利用状态的不同而复杂化。根据以上比较的结果，最终选择了步进电机作为该系统的执行电机。3.4.2步进电机

51、1.步进电机控制技术在微机控制系统中，常常要用到步进电机，以实现对生产过程或设备的数字控制。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机，是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。它的励磁绕组不直接接到单相或三相正弦交流电网上，也不能简单地和直流电源接通。它是受脉冲信号控制，靠一种叫做环形分配器的电子开关器件，通过功率放大后使励磁绕组接规定顺序轮流接通直流电源的。由于励磁绕组在空间上按一定规律排列，依次和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，在该磁场的作用下电机转子作旋转运动，并且随着脉冲频率的提高，转子转速对应增加。步进电机作为执行元件，具有快速起停、精确步进以及直

52、接接收数字信号的特点，因此在定位场合得到了广泛的应用。2.步进电机的工作原理步进电机按工作原理和结构可分为电磁型步进电机和永磁转子电机或反应式转子电机两大类。其中电磁型步进电机是早期的步进电机，通常只有一个绕组，在微机控制系统中一般不用。永磁转子电机和反应式转子电机属于第二类步进电机，在永磁式转子电机中，它的转子是用永久磁钢制成的，也有通过滑环供电的直流激磁绕组构成的，即转子是一个磁源；在反应式步进电机中，其转子由软磁材料制成齿状，转子中没有绕组。反应式步进电机有力矩惯性比高、步进频率高、频率响应快、不通电时可自由转动、可双向旋转、结构简单和寿命长等一系列优点，所以在微机控制系统大量使用的是反

53、应式步进电机。本系统的执行元件采用反应式步进电机。同样地，该电机由软磁材料做成的定子和转子组成。定子上有多个磁极，磁极上均匀布齿，每个磁极上绕有励磁线圈，相对的磁极线圈串构成一相控制绕组。转子上也同样均布小齿，但并无绕组。通过轮流给各相定子绕组通电产生磁场，而利用磁场磁导最大化的本性来产生转矩。三相反应式步进电机的模型如上图所示，定子上安排6个磁极，相对的两个磁极上放置着同一相的励磁绕组。它们分别是A-A、BB、CC，相邻两个磁极间的夹角为60度，每个磁极上配有直流励磁绕组，每个磁极面向转子的部分各有5个均匀分布的矩形小齿。相对的两个磁极组成一相，其绕组组成一相控制绕组。步进电机的转子上没有绕

54、组，而是在转子圆周上均匀分布着40个矩形小齿，相邻两齿的夹角为9度，称之为齿距角，计作,可用下式求得=360/式中为转子齿数。转子中的小齿和定子的小齿形状相同，齿距也相同。当某相绕组通电时，相对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路，如果这时定子的小齿没有对齐，则在磁场作用下，转子转动一定的角度，使转子与定子齿对齐，可见通电相中定子、转子齿的错位是促使步进电机旋转的条件。假如按照AB C A顺序依次通电，AA上通电时，为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿要与定子AA上的齿对齐。设转子与定子A相中间的齿相对的齿记为0号齿。BB上通电时，为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿

55、也要与定子BB上的齿对齐。转子上与定子B相中间应该对齐的齿号为120/9=13.33，不是整数，即转子与定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁阻，转子要旋转。第13、14号齿距离B相中间的角度分别为3和6，因此13号齿顺时针旋转3与定子齿对齐。CC相通电，同样的道理，转子仍然顺时针旋转3。按照AB C A顺序通电一周，则转子旋转9，即一个齿距角。根据上述的简单动作原理，可推论出步进电机具有如下几个基本特点：1）磁绕组上所施加的不是一个恒定直流或交流电压，而是采用脉冲通电方式，所以又被称作脉冲电动机。它能将数字脉冲信号转变为相应的角位移，并且数字脉冲量与步进电机转过的角度保持严格的对应关系。具体关

56、系式如下：n =Ni 式中：n电机转过的角度（0）;步距角（0）;Ni脉冲数;2）电机的转速与脉冲频率保持严格的同步关系，即：n=f(r/sec)=f60/360(r/min)=f/6(r/min)式中：n电机转速（r/min）;f脉冲频率(Hz)。3）具有自锁能力，定位精度高，当某相或某几相绕组处于通电状态，转子即可被锁住。由于能自锁，电机可停在某一稳定平衡的位置上，因此即使开环控制，步进电机也有较高的定位精度。3.步进电机工作方式对于三相步进电机，它的工作方式有三种：三相单三拍，通电顺序为 ABCA ，三相双三拍通电顺序为 ABBCCAAB和三相单六拍，通电顺序为AABBBCCCAA。如下

57、图所示为三相反应式步进电机的磁场矢量图。图中的矢量TA,TB,TC为步进电机A,B,C三相励磁绕组分别通电时产生的磁场矢量,TAB,TBC,TCA为步进电机中 AB,BC,CA两相同时通电产生的合成磁场矢量。从图（a）中可以看出 ,当给步进电机的 A,B,C三相轮流通电时,步进电机的内部磁场从TA变化到TB再变化到TC,即磁场产生了旋转。一般情况下,当步进电机的内部磁场变化一周 (360)时 ,电机的转子转过一个齿距,因此,步进电机的步距角B可表示为：B= MNr 式中 ,Nr为步进电机的转子齿数；M为步进电机运行时两相邻稳定磁场之间的夹角。M与电机的相数 (m)和电机的运行拍数有关。例如在图

58、（a）中,电机以单三拍方式运行，M=12 0；在图（b）中,电机以三相六拍方式运行,M=60,和单三拍方式相比,M和B都减小了一倍,实现了步距角的二细分；在图(b)中，若只考虑TAB,TBC,TCA的双三拍运行情况，那么M和B与单三拍时相同。但是在通常的步进电机驱动线路中,由于通过各相绕组的电流是个开关量,即绕组中的电流只有零和某一额定值两种状态,相应的各相绕组产生的磁场也是一个开关量 ,只能通过各相的通电组合来减小M和B,这样可达到的细分数很有限。由此可见 ,步进电机步距角细分的结果是使得电机运行的平稳性大大提高，并提高了电机的定位精度，使得步进电机的精确控制成为可能，同时使得控制的灵活性也

59、得以增加。然而，将电流细分来加以精确控制的方法必须采取微机来控制，而且它的功率驱动电路线路复杂、体积大、成本高；同时还带来了一些诸如电磁干扰引起程序跑飞进而烧毁电机等等问题。在本设计中选取了三相单六拍工作方式。该方式较之以前的单三拍或双三拍，其控制精度有很大的提高，而同时几乎没有增加控制及驱动电路的复杂程度；相比于单片机控制电流多细分方式，它的复杂性及成本又大大减小；并且在当前的要求下这种工作方式能完全满足实际情况的要求。3.4.3步进电机驱动电路本系统用8031的P1口作为步进电机的接口。由于P1口驱动能力有限，而被控制的步进电机需要高电压和大电流，所以必须在P1口之后加一个驱动电路，如下图所示。图中只画出了A 相的驱动电路, 其余两相与之完全相同。图中三极管T1 起着开关的作用。驱动电路由T 2、T 3 两个三极管组成达林顿式功率放大, 驱动步进电机的三个绕组A 相、B 相、C 相, 使电机绕组的静态电流达到近2 安培。电路中使用光电耦合器将控制和驱动信号隔离, 提高了系统的可靠性。步进电机绕组中串联电阻R7 是为了限制绕组中电流, 并联一个二极管是为了在绕组断电时提供磁能释放回路, 而不致使晶体管损坏。