微波粮食烘干控制系统毕业论文

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1、长春工业大学毕业论文1. 概述1.1 设计的目的和意义我国是世界上最大的粮食生产和消费国家，年总产粮食约5亿吨。据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输等过程中的损失达15%，远远超过联合国粮农组织规定的5%的标准。在这些损失中，每年因气候潮湿，湿粮食来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5%，若按年产5亿吨粮食计算，相当于2500万吨粮食。若每人每天食用1斤粮食，可供6。8万人一年的用量，约合人民币250亿元。吉林省是农业大省，粮食年产量约为225亿公斤，由于粮食含水量的问题，每年损失约占7%，约为15。75亿公斤，折合人民币约为14亿元左右。这些数字是惊人的，因此发

2、展粮食干燥机械化技术，改变传统靠天吃饭的被动局面，使到手的粮食损失降低到最低点，从这一意义上说，粮食干燥的现代化比田间的农业机械化更为重要，也是粮食丰产、丰收的重要保障条件。本毕业设计的目的是设计一个微波粮食烘干控制系统。该系统是以89C51单片机为核心，利用单片机来控制电机旋转的圈数和磁控管的工作时间，从而将粮食的含水量控制在安全水之下。1.2 国内外粮食烘干技术发展状况与趋势现在很多粮食大国对粮食都采用微波或红外烘干技术，使粮食的质量得到明显的提高，而加工成本却得到明显下降，如美国和加拿大采用的是大型全自动、人机界面的微波或红外烘干加工系统。而国内现有的粮食谷物烘干处理方式都是热风式烘干（

3、燃油或燃煤），用于粮库、农场、种籽，和饲料加工等企业。由卸粮、提升、清理、检厅，烘前仓、烘后仓、热风炉（油炉、煤炉）、电器及控制等单元组成。我国现有的粮食烘干设备存在以下问题： 1、 烘干时间过长，一般在23小时/吨2、 热风炉需要燃煤或燃油，造成了能源的大量消耗，而且造成了大量的空气污染。3、 由于是燃煤或燃油，很容易造成粮食的烧焦或火灾，对粮食也不卫生。4、 烘干不均匀，很难将水量控制在安全水范围内，造成了粮食和饲料的大量损失。5、 整个工艺流程复杂，设备成本高，能耗大。由于微波加热迅速、均匀、高效节能、易于控制及安全环保，并且加热、防霉、杀菌同步进行，与传统的加热方式相比有非常独到、非常

4、优越的特点，所以与先进的控制技术和计算机技术相结合，微波烘干谷物、粮食等技术在我国将会被广泛采用。1.3 微波的应用近年来，微波技术在环保领域的应用十分活跃。由于它具有快速、高效、资源回收利用率高、不会造成二次污染、成本低廉等优点，因而受到人们的青睐。目前，微波技术主要应用于环保领域的以下几个方面：1、制取活性炭生产工业。以往多采用传统的氯化锌法制取活性炭，要消耗大量优质原材料，而且制取过程热利用率低、劳动强度大、成本高。现在，国内科研机构正在开发微波氯化锌快速制取活性炭技术，可以有效地改变这种状况。在微波辐射下，物料内部迅速被加热，由于氯化锌和水分子急剧挥发，造成物料有更显著的多孔结构，表面

5、积增加。实验证明，采用这种新技术，具有污染小、节能、缩短生产时间、操作易控制等优点，很有推广价值。2、分解二氧化硫。随着工业的不断发展，大气中二氧化硫的排放量日渐增加。采用微波碳还原法处理二氧化硫，将微波辐射到活性炭的表面，在微波作用下，通过吸附微波的循环方式，使二氧化硫与活性炭发生反应，生成二氧化碳和单质硫。单质硫可用作化工原料，不存在二次污染。该技术装置简单，投资少，使用方便，受到有关企业的欢迎。3、分离、吸收原油乳液。当原油从地下被开采出来时，含有一种可以分离出油料的乳液，但其中有为一种顽固性稳定乳液，通常只能大量废弃，其结果是在产油区形成一个个黑色的“沼泽湖”。这种“沼泽湖”占据大片土

6、地，且数量还在不断增长，成为亟待解决的环境问题。为解决这一问题，国外科研机构开发出了原油淤泥微波脱油技术，并已实现工业化应用。在操作中，首先用微波辐射原始乳液，然后再以连续流动的方式离心分离，其中油料回收率为，残余固体可以进行填埋处理。该装置便于携带，可以流动作业。此外，微波辐射制备的高吸油树脂对浮油有很好的吸收作用，可以大幅度缩短完成聚合物交联反应过程所需要的时间，使吸油效率得到明显提高，因而将越来越多地得到应用。4、回收电路板。目前，全球每年报废的电路板数以百万计。如采用填埋法处理这些电路板，会渗出剧毒重金属元素，造成地下水污染。美国科学家开发出的微波回收法，先将电路板粉碎，放入坩锅中用微

7、波加热，使其中的有机物挥发出来，再继续加热到左右，余下的玻璃和金属等废料便熔化形成玻璃化物质，这种物质冷却后，金、银和其它金属就以小珠的形式分离出来，方便回收利用，余下的玻璃物质则可回收用作建筑材料。5、抵御电磁波辐射。鉴于电磁波辐射已成为新的环境污染因素，科研人员正在开展微波吸收材料的研究与开发。研究表明，用铁砂制备铁氧体微波吸收剂，对电磁波有较大的衰减作用，将成为一种物美价廉的抵御电磁波辐射材料。微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波(波长1米 - 1毫米），通常是作为信息传递而用于雷达、通讯技术中。而近代应用中又将它扩展为一种新能源，在工农业上用作加热、干燥；在化学工业中催使化学反

8、应；在科研中激发等离子体等。家用微波炉就是微波能应用的一个典型例子。1. 4 微波加热烘干的原理通常，一些介质材料由极性分子和非极性分子组成，在微波电磁场作用下，极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取向。产生类似摩擦热，在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能，使介质温度出现宏观上的升高，这就是对微波加热最通俗的解释。 由此可见微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热。对于金属材料，电磁场不能透入内部而是被反射出来，所以金属材料不能吸收微波。水是吸收微波最好的介质，所以凡含水的物质必定吸收微波。 有一部份介质虽然是非极性分子组成，但也能在不同程度上吸收微波，其原

9、理。微波加热的特点： 1、加热速度快 常规加热如火焰、热风、电热、蒸汽等，都是利用热传导的原理将热量从被加热物外部传入内部，逐步使物体中心温度升高，称之为外部加热。要使中心部位达到所需的温度，需要一定的时间，导热性较差的物体所需的时间就更长。 微波加热是使被加热物本身成为发热体，称之为内部加热方式，不需要热传导的过程，内外同时加热，因此能在短时间内达到加热效果。2、均匀加热 常规加热，为提高加热速度，就需要升高加热温度，容易产生外焦内生现象。微波加热时，物体各部位通常都能均匀渗透电磁波，产生热量，因此均匀性大大改善。3、节能高效 在微波加热中，微波能只能被加热物体吸收而生热，加热室内的空气与相

10、应的容器都不会发热，所以热效率极高，生产环境也明显改善。4、易于控制 微波加热的热惯性极小。若配用微机控制，则特别适宜于加热过程加热工艺的自动化控制。5、低温杀菌、无污染微波能自身不会对食品污染，微波的热效应双重杀菌作用又能在较低的温度下杀死细菌，这就提供了一种能够较多保持食品营养成份的加热杀菌方法。6、选择性加热 微波对不同性质的物料有不同的作用，这一点对干燥作业有利。因为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较低的部位这就是选择加热的特点。烘干木材、纸张等产品时，利用这一特点可以做到均匀加热和均匀干燥。 值得注意的是有些物质当温度愈高、吸收性愈好，造成恶性循环，

11、出现局部温度急剧上升造成过干，甚至炭化，对这类物质进行微波加热时，要注意制定合理的加热工艺。7、安全无害 在微波加热、干燥中，无废水、废气、废物产生，也无辐射遗留物存在，其微波泄漏也确保大大低于国家制定的安全标准，是一种十分安全无害的高新技术。 1.5 采取的控制方案 本毕业设计系统主要利用单片机来控制电机的旋转圈数和磁控管的工作时间,采取的控制方案涉及到弱电和强电的隔离问题。关于弱电和强电的隔离有如下几种电路控制方案。方案一的电路图1-1如下：图1-1 方案一方案二的电路图1-2如下：图1-2 方案二考虑到电路的安全和干扰问题，我采用MOC3041光耦器件，该器件内含有过零检测电路。本毕业设

12、计的微波粮食烘干控制系统应用的控制方案电路图1-3如下： 图1-3 方案三2.计基础知识2.1 单片机89C51的介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图2-1 A

13、T89C51引脚图1.主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2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，被定义为高电阻输入。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。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入

14、口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 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。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 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。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外

15、部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 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。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /（外部中断0） P3.3

16、 /（外部中断1） P3.4 /T0（记时器0外部输入） P3.5/ T1（记时器1外部输入） P3.6 /（外部数据存储器写选通） P3.7 /（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。 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/：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。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个AL

17、E脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 ：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，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。 /VPP：当保持低电平时，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，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大

18、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。 3振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有

19、稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.2、 光耦元件的介绍光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光线实现耦合，构成电光电的转换器件。将电信号送入光电耦合器输入端的发光器件时，发光器件将电信号转换成光信号，光信号经光接收器接收，并将其还原成电信号。由于输出与输入之间没有直接的电气联系，信号传输是通过光电耦合的，所以也称为光电隔离器。光电耦合器的结构及特点光电耦合器由发光源和受光

20、器两部分组成，并封闭在同一不透明的管壳内由绝缘的透明树脂隔开，如图3-11所示。发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。光电耦合器的封装形式有管形，双列直插式和光导纤维连接形式。光电耦器械的发光源常用砷化镓红外发光二极管，受光器常用光电三极管，光敏晶闸管和光敏集成电路等。光电耦合器具有如下特点：1、 光电耦器的信号传递采取电光电的形式，发光部分和受光部分不接触，因此具有很高的绝缘电阻，可以达到10个亿欧姆以上。并能承受2000伏以上的高压，因而被合的两个部分可以自成系统，也不需要“共地”，绝缘和隔离性都很好，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。2、 光电耦器的发光二极管是电

21、流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪音干扰信号形成低阻抗旁路，所以具有很强的抑制噪音干扰能力。3、 光耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应时间一般为数us以内，高速型光耦合器的响应时间有的甚至小于10ns。光耦合器的用途很多，如作为高压开关，信号隔离转换，脉冲系统间的电平匹配以及各种逻辑电路等。 输 输 入 出 图2-2 光电耦合器的结构和符号221、光耦器件的典型应用光耦器件主要用于微机接口电路中的光电隔离、功率驱动电路中的光电隔离和远距离的隔离传送等，以下分别介绍。1、机接口电路中的光电隔离微机有多个输入端口，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处

22、理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时，会存在较大的噪声干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作接口，对信号及噪声进行隔离。典型的光电耦合电路如图4-24所示。该电路主要应用在AD转换器的数字信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与模拟电路的接口处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。对于线性模拟电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用

23、VF变换后再用数字光耦进行隔离。图2-3 典型的光电耦合电路2 、功率驱动电路中的光电隔离在微机控制系统中，大量应用是对开关量的控制，这些开关量经过微机的IO输出，而I/O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动接口电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如晶闸管所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离。电路实例如下图2-4所示。在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光

24、耦隔离级放大器一级大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。 图2-4 光藕在驱动中的应用电路222 远距离的隔离传送在计算机应用系统中，测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真。在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将两个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使它们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如下图2-5所示

25、。长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生噪声电压形成相互串扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题。同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。受控设备I/O接口光耦3光耦1主机光耦4光耦2图2-5 光藕在远距离传输中的应用2.3 晶闸管元件的介绍晶闸管，也称可控硅，在早期的中文献中也有人称为硅可控整流器。它是目前应用最广泛的半导体功率开关元件。晶闸管随着半导体工艺的发展和进步，现在型号和品种十分齐全，整流电流从数安培到千安培，目前已形成了单向晶闸管SCR（Silicon Controlled Rectificer），双向晶闸管Triac，和

26、可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)这三种最基本的结构。晶闸管在单片机应用的各种场合有很大的作用。在工业上的电机控制，电磁阀控制；在文艺舞台的灯光控制；在各种特殊的专用设备中，例如充电机，稳压器等都有着十分普通的应用。以晶闸管做成的各种固态继电器，由于无吸动机构、无噪声、体积少、可靠性高、不用维修等一系列优点，已越受用户的欢迎。单片机应用系统中广泛应用晶闸管作为功率元件，是一种不可逆转的方向。231 晶闸管的原理及特性晶闸管虽然型号繁多，但不外是单向、双向和可关断三种结构。由于这三种结构的形式及原理有所不同，但本次毕业设计应用到了双向晶闸管。下面我们对它进行具体

27、介绍。双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件（Bidirectional Triode Thyristor），它和单向晶闸管的区别是：第一，它触发之后是双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单间晶闸管反向并联组成。双向晶闸管的内部结构原理及表示符号如图2-6所示 电极2 MT2 电极2 MT2N P N P NN 门极 G 电极1 MT1 电极1 MT1 G 门极 （a） (b) 图2-6 双向晶闸管内部结构双向晶闸管是从N型硅单晶片的两侧扩散P型材料，形成PNP结构；然后分别在两个P型材料上再形成N型材料，从而形成五层三端特殊的

28、NPNPN结构，如图2-6（a）所示。它的表示符号如图2-6（b）所示。由于双向晶闸管是双向导通的，故它的电极不能称阴、阳极。为了区别双向晶闸管的两个电极，一般把和门极G接近的电极称电极1，它也是参考电极；另一个电极称电极2。电极1用MT1表示，电极2用MT2表示。双向晶闸管在触发之后，主电路的电流可双向流过；而在控制触发方面，双向晶闸管也具有双向性，故双向晶闸管在触发时，四种触发方式：第一象限触发：MT2+，G+。这时对于参考电极MT1而言，电极MT2的电压为正；门极G的触发电流为正。第二象限触发：MT2+，G。这时电极MT2的电压为正；门极G触发电流为负。第三象限触发：MT2，G。这时电极

29、MT2的电压为负；门极G触发电流为负。第四象限触发：MT2，G+。 这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为正。绝大多数双向晶闸管的最高触发灵敏度在第一、三象限。触发灵敏度较差的是第二象限。最差的是第四象限。所以一般不采用第四象限的触发方式。双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的时间，一般只是用于60Hz或频率小于60Hz的正弦电压电源中。当负载是感性的时候，由于电流的滞后性，有可能会使得电压在过零时电流仍然存在而导致双向晶闸管失控。为了使它能够正确工作，应抑制双向晶闸管中的电压上长率t,也就是在双向晶闸管两个主电极MT1、MT2之间加上RC回路。2.4

30、ADC0809芯片的介绍ADC0809是由8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。ADC0809的内部结构由单一+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100us；片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器，稳定的比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上；通过适当外接电路，ADC0809可对0-5V的双极性模拟信号进行转换。ADC0809是28脚双列直插式封装，引脚如图2-7所示。图2-7 ADC0809的引脚结

31、构图各引脚功能如下： D7D0:8位数字量输出引脚。IN0IN7：8路模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：接地。REE（+）：参考电压正端。REE（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两信号用于启动A/D转换）EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用于打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端。A、B、C：地址输入线，经译码后可选通IN0IN7八个通道中的一个通道进行转换。A、B、C的输入与被选通的通道的关系如表2-1所示。表2-1地址输入与被选通的通道的关系被选

32、通的通道CBAIN0000IN1001IN2010IN4100IN5101IN6110IN71112.5 移位寄存器74LS164的介绍74LS164 为串行输入、并行输出8位移位寄存器并且74LS164为普通的TTL电路，价格低，并且键值读入、显示驱动均可使用该芯片完成。接一片74LS164可扩展一个8位并行口，用以连接一位七段数码管LED，段选口作静态显示或作为键盘中的列地址线使用。本毕业设计系统的显示电路部分运用了74LS164芯片，在显示电路中的主要功能的串行输入并行输出。下表为74LS164芯片的各管脚标号及其功能：表2-2 74LS164芯片的各管脚标号表 本毕业设计系统的显示电路

33、部分运用了74LS164芯片，在显示电路中的主要功能的串行输入并行输出。26 7407芯片的介绍7407缓冲器为集电极开路六正相高电压驱动器，它的内部结构如图2-8所示图2-8 7407内部结构真值表为表2-3所示：表2-3 7407 真值表7407缓冲器内部电路为OC门电路，即“与非”门电路，它的最大负载电流为40mA，截止时耐压30V，足以直接驱动光电耦合器。27 霍尔传感器的介绍HZL201霍尔齿轮HZL201霍尔齿轮传感器是一种用于测量速度、角度、转速、长度等的新型传感器。由传感黑色金属齿轮或齿条的齿数并转换成电压脉冲信号来测量物体的速度、转速等参量。并转换成电压脉冲信号来测量物体的速

34、度、转速等参量。电参数表2-4如下表2-4参数符号量值单位工作电压Vcc5-20V工作电流Icc15mA输出低电平VOL0.4V输出高电平VOH(Vcc-1)V 工作距离d1-2.5mm它的特点：传感黑色金属目标；输出幅度与齿轮转速无关，低速性能优异；工作频率高，可达100KHZ；抗电磁干扰；有电源极性反向保护；安装维修方便。2.8 湿度传感器的介绍 HS1101（湿敏电容）:是基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构;高精度2%；极好的线性输出；1-99%RH湿度量程；-40到100摄氏度的温度工作范围；响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小；防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿；无需校

35、准；电容与湿度变化0.34pf/%RH;典型值180pf55%RH;长期稳定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/年。实物图如下： 图2-9 湿度传感器（HS1101）3.系统设计3.1 系统工作原理 本设计的微波粮食烘干控制系统是利用微波加热原理，充分体现了微波加热快、加热均匀、无污染等优点，采用单片机89C51来控制微波加热器件磁控管的工作时间。从而经过该系统烘干后的粮食被控制在安全水之下。具体的系统工作过程包括向系统输送粮食、微波加热、系统输送出粮食三大过程。如图31系统构成图所示： 图31系统构成图 通过自动定量给料器将粮食送到间歇运行的传输带上,通过刮板将粮食自动摊平,厚度为30mm，判

36、断粮食输送到位之后，磁控管开始对输送到位的粮食进行微波加热，同时对粮食的湿度进行监控测量，并判断此时的粮食是否达到安全水之下，如果粮食已达到了标准，电机开始旋转，把烘干的粮食输送到收料器中。同时又把将要烘干的部分粮食输送到微波加热板中。这样就完成了本系统的一次循环过程。下面具体讲解单片机是怎么对本系统的工作过程进行控制的。单片机对本系统控制的工作过程分为两大部分，分别是对粮食输送的控制和对磁控管工作的时间的控制。 （1）对粮食输送的控制当单片机89C51上电复位后开始工作时，控制磁控管不工作，电机开始工作，是为把将要烘干的粮食输送到微波加热板上。单片机此时开始对电机旋转的圈数进行计数，是为了确

37、保粮食输送到位，单片机的计数过程是这样的：当霍尔传感器扫描到一个磁钢时，霍尔传感器发生一次脉冲输入单片机，由于微波加热板的长度为2m，传送轮子的周长为1m，传送轮子上有8个磁钢，所以传送轮子需要旋转2圈，也就是发生17个脉冲信号，应能确保将要烘干的粮食输送到位了。这时单片机产生一次中断，控制电机停止旋转。这样单片机就完成了对粮食输送的控制工作。（2）对磁控管工作的时间的控制当确保把将要烘干的粮食输送到位之后，单片机产生一次中断，控制电机停止旋转和磁控管开始对输送到位的粮食进行微波加热，同时单片机对送入微波加热板内的粮食进行持续的监控测量粮食的湿度，并判断微波加热板内的粮食是否达到安全水标准。如

38、果微波加热板内的粮食达到了安全水之下，单片机又产生一次中断，控制磁控管的微波加热停止，电机开始转动，同时单片机要控制电机旋转的圈数为2圈，保证把烘干后的粮食输送到收料器中和把将要烘干的粮食输送到磁控管的微波加热板上。就这样循环的运行下去。3.2 控制硬件设计 321 系统原理图的设计湿度信号采样A/D转换单片机信号处理输出控制信号要求设计的微波粮食烘干控制系统是根据单片机来控制磁控管的工作时间和电机旋转的圈数，从而把粮食控制在安全水之下。其过程如下：先要电机工作，磁控管不工作，是为了把将要烘干的粮食输送到微波加热上。同时通过计霍尔传感器发出脉冲的个数，来确保将要烘干的粮食输送是否到位了。收到设

39、定的个数之后，产生一次中断，说明粮食已经输送到位了。此时单片机控制电机不工作、磁控管开始工作；是为对输送到位的粮食进行微波加热烘干，同时对输送到位的粮食进行持续的监控测量粮食的湿度，如果微波加热的粮食已经达到了安全水标准，单片机又产生一次中断。控制电机工作、磁控管不工作，之后要计脉冲；为了确保把烘干后的粮食输送到收料器中和把第二次将要烘干的粮食输送到微波加热板的指定位置，就形成了一个循环。322 系统的组成框图显示电路控制执行电路命令键输入89C51应用系统数据采集传感器 通过系统的组成框图可把该微波粮食烘干系统的硬件设计部分可分为输入输出接口设计、人机接口设计和控制接口设计。下面我们来依次介

40、绍本毕业设计的微波粮食烘干系统所应用的这三部的设计。323 输入输出接口设计 本系统的输入输出接口设计主要包括数据采集电路和模数转换电路，该系统应用的电路图如图3-2所示图3-2数据采集电路的主要元件是湿度传感器，湿度传感器主要由湿敏元件构成，湿度的变化引起了湿度传感器内部电容RH的改变，在相对湿度为55%时，RH的典型值为180pf。电容式湿度传感器HS1101是用集成工艺制造的湿度传感器，它在1%99%范围内能按恒定比率输出一个与湿度成正比的电压，通过对此电压的测量，就可得到所需要的湿度值。湿度传感器对粮食的湿度信号进行采样，要通过采样电路来实现。当采样到粮食的湿度信号之后，通过两级LM3

41、58芯片的放大，每一级的放大倍数为：，最后把放大的模拟信号输入ADC0809，进行模数转换。A/D变换器工作原理 ：模/数转换器的功能是把输入的模拟信号转换成数字形式，使微处理机能够从传感器或其它模拟信号获得信息。A/D转换器的种类很多，但目前应用较广泛的主要有两种类型：逐次逼近式A/D转换器和双积分式A/D转换器。324 人机接口设计该微波粮食烘干控制系统的人机接口设计电路包括两个部分为显示电路的命令键输入电路。下面依次对它们进行介绍：本系统的显示电路使用串行口的静态LED驱动接口。利用串行口和移位寄存器作为显示器的驱动接口，可以简化设计，节省CPU的I/O线。图3-3是一个使用89C51串

42、行口的静态LED显示接口。 图3-3用串行口的静态LED显示接口单片机89C51的串行口设定工作在方式0状态。在方式0时，89C51的串行口起一个移位寄存器的作用，RXD引脚作为输入或输出移位时钟。输出时以字节为单位输出，D07位首先送出接着送D1位，最后是D7位。一个字节输出完毕后89C51内部自动对串行口发送中断标志T1置位。在程序中可测试T1以确定是否发送完毕。电路中使用串行输入并行输出的移位寄存器74LS164。74LS164的功能是把串行输入的数据转变为并行输出，当时钟端CP有一个正跳变信号时，输出端Q0至Q7的数据移位一次，Qn移至Qn+1，数据输入端Da和Db的值相与后送入Q0，

43、Q7原来的数据丢失。当下一级74LS164的Da和Db端接上一级的Q7端时，Q7原来的数据移至下一级74LS164的Q0端。MR端是复位控制端，WR为低电平时，Q0至Q7均输出低电平。显示接口电路中不需要复位操作，所以WR端接+5V。89C51的串行数据由RXD端输出，送到74LS164输入端Da和Db，移位时钟由89C51的TXD端输出，经7408组成的同相驱动器后接到所有的74LS164的时钟端CP上。显示器使用8个共阳极七段LED，组成8位十六进制数字显示器，采用非扫描即静态显示方。每一片74LS164的8个输出Q7Q0经过限流电阻后分别接到一个LED显示器的ag端以及小数点Dp端,只要

44、89C51不发出移位时钟，显示的数据就保持不变。显示器程序中有一个段码表。码表就是把所要显示字型的字段控制数据按所显示数值的大小，顺序排成一个表，并放在程序存储中。例如要显示的数字是十六进制数0F及十进制小数，空字符等.则段码表的首地址单元存放显示0.，1.到F.的段码，20H单元存放不显示的段码，这样就形成段了段码表，即显示子程序中的SGTAB。当需要显示0时，则把地址为SGTAB的存储单元的内容0C0H送到串行口输出，经74LS164接收后驱动七段LED显示出”0”。段码字节的D0对应于74LS164的Q7即a段，D7对应于Q0端Dp段。SGTAB上段码表的首地址，要显示的数据为段码表的偏

45、移量,偏移量字节中D0D3代表显示数字0F，D4小数点的显示状态，H表示不显示。使用移位寄存器组成的显示接口电路，可以接很多的七段LED显示器。由于移位寄存器是一个个串联的，增加LED显示器不需要增加单片机的I/O线，只需修改相应的显示控制程序。所以最大的显示位数主要由CP线的驱动能力和传送数据时间长短决定。如果用驱动能力强的74S241驱动器作为移位时钟驱动，则显示位数可接到20位以上。该接口电路的优点是显示位数多，显示亮度大，显示程序简单，主序不必扫描显示器接口，故有更多是时间用于完成其它任务。本系统的命令键输入电路如图3-4所示 图3-4 命令键输入电路命令键输入电路的关键部分是键盘，它

46、是最简单的单片机输入接口，通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。键盘上闭合键的识别是由专用硬件实现的，成为编码键盘，靠软件实现的称为非编码键盘。在单片机应用系统设计中，为了节省硬件，通常采用非编码键盘，在这种键盘结构中，单片机对它的控制不外乎有以下三种方式： 程序控制扫描方式：这种方式只有当单片机空闲时，才调用键盘扫描子程序，响应键盘的输入请求。 定时扫描方式：单片机对键盘的扫描也可采用定时扫描方式，即每个一定的时间对键盘扫描一次。在这种扫描方式中，通常利用单片机内的定时器，产生10ms 的定时中断，CPU响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫描，以响应键盘输入请求。 中断扫描方式对键盘定

47、时扫描控制方式的主要优点是能及时响应键入的命令或数据，便于用户对正在执行的程序进行干预。这种控制方式，不管键盘上有无键闭合，CPU总是定时的关心键盘状态，因为人工键入动作极慢，有时操作员对正在运行的系统很少甚至不会干预，所以在大多数情况下，CPU对键盘进行空扫描。为了进一步提高CPU的效率，可采用中断方式，当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU响应中断，执行中断服务程序，判别键盘上闭合键的键号，并作相应处理。 对键盘/显示器接口设计的两个要求：1.功能技术要高。2.可靠性好。但是系统不同，要求就不同，接口设计也就不同。对一个键盘/显示器接口设计应从整个系统出发，综合考虑软、硬件的特点，合理分配

48、软、硬件的比重。在应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。本系统控制器的键盘采用扫描工作方式，这四个按键分别是复位键和外中断控制键、功能加1键和功能减1键，直接把这些低电平触发信号分别接到AT89C51的RET、P1.6和P1.7引脚上。有键按下时，系统进入键盘扫描服务程序，判断哪个键被按下，并执行相应的操作。如果S4键被按下，系统进行复位功能；如果S3键被按下，系统产生外部中断；如果S1键被按下，系统控制的磁控管的工作时间延长10秒；如果S2键被按下，系统控制的磁控管的工作时间减少10秒。325 控制接口设计本毕业设计的微波粮食烘干控制系统的控制接口设计部分采用交流电磁式接触器的

49、功率接口。继电器中切换电路能力较强的电磁式继电器称为接触器。接触器的触点数一般较多。交流电磁式接触器由于线圈的工作电压要求是交流电，所以通常使用双向晶闸管驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。图3-5是交流接触器的接口电路图。 图3-5 交流接触器接口由于本毕业设计的微波粮食烘干控制系统所控制的是高功率的电机和磁控管，所以利用交流接触器来控制它们。此接口电路就是用来控制交流接触器C的。从而控制了所要控制的电机和磁控管。交流接触器C由双向晶闸管T驱动。双向晶闸管的选择要满足：额定工作电流为交流接触器线圈工作电流的23倍；额定工作电压为交流接触器线圈工作电压的23倍。对于工作电压220V的中

50、、小型交流接触器，可以选择3A、600V的双向晶闸管。光电耦合器MOC3041的作用是触发双向晶闸管T以及隔离单片机系统和接触器系统。光电耦合器MOC3041的输入端接7407，由单片机89C51的P1.0端控制。P1.0输出低电平时，双向晶闸管T导通，接触器C吸合。P1.0输出高电平时，双向晶闸管关断，接触器C释放。MOC3041内部带有过零控制电路，因此双向晶闸管T工作在过零触发方式。接触动作时,电源电压较低，这时接通用电器，对电源的影响较小。该接口电路还应用了双向晶闸管型触发电路，下面对它进行介绍：输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管T导通。当P1.0输出高电平时，MOC3021

51、输出端的双向晶闸管关断，外部双向晶闸管T也关断。电阻R1的大小由下3-1式计算： （3-1式）R1取300 。由于串入阻R1，使得触发电路有一个最小触发电压，低于这个电压时，T才导通。最小触发电压VT由下3-2式计算： （3-2式）对应的最小控制角为： （3-3式）即控制角不能小于，也只有在时，内部双向晶闸管才导通。当外接的双向晶闸管功率较大时，需要较大16T，这时最小控制角度比较大，可能会超出使用的要求。解决的方法是在大功率晶闸管和MOC3041之间再加入一个触发用的晶闸管，这个触发用的晶闸管的限流电阻可以用得比较小，所以最小控制角也可以做得比较小。当负载为感性负载时，由于电压上升率较大，有

52、可能超过MOC3021允许的范围。在阻断状态下，晶闸管的PN结相当于一个电容，如果突然受到正向电压，充电电流流过门极PN结时，起了触发电流的作用。当电压上升率较大时，就会造成MOC3041的输出晶闸管误导通。因此，在MOC3061的输入回路中加入R2和C1组成的RC回路，降低电压上升率在允许的范围内。经计算R2取2 K （3-4式）经计算R2取2 K晶闸管，来减少晶闸管在导通时对电源的影响。这种触发方式称为过零触发。326 Protel原理图设计 Protel原理图的设计过程一般可以按照下图所示的流程图进行：设置电路图纸大小 在工作平面上放置元件原理图的布线 编辑与调整存盘与打印具体说来可以分

53、为以下的步骤：1 设置图纸 根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小，设置图纸的过程实际是一个建立工作平面的过程。2 放置元件 这个阶段，就是用户根据实际电路的需要，从元件库里取出所需的元件放置到工作平面上。用户可以根据元件之间的走线等联系对元件在工作平面上的位置进行调整、修改，并对元件的编号、封装进行定义和设定等，为下一步工作打好基础。3 原理图的布线 该过程实际就是一个画图的过程。用户利用Protel 99 SE提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。4 编辑与调整 在这一阶段，用户利用Protel 99 SE提供的各种强

54、大功能对所绘制的原理图进行进一步地调整和修改，以保证原理图的美观和正确。这就需要对元件位置的重新调整，导线位置的删除、移动，更改图形尺寸、属性及排列。5 进一步完善 用户在此阶段，可以充分利用Protel 99 SE的强大功能来对原理图进行进一步的补充和完善。如利用Protel 99 SE的绘图工具绘制一些不具有电气意义的图形或者加入一些文字说明等。6 原理图的输出 该部分是对设计完的原理图进行存盘、输出打印，以供存档。这个过程实际是对设计的图形文件输出的管理过程，是一个设置打印参数和打印输出的过程。327 PCB的设计印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器

55、件之间的电器连接。随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时，必须应遵循PCB设计的一般原则，并符合抗干扰技术的要求。主要应遵循以下原则：1、布局首先，要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸多大时，印制线条长，阻抗增加，抗干扰能力下降，成本也增加；过小，则散热不好，且临近线条易受干扰。在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。再确定特殊元件的位置时要遵守以下原则：可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和互相之间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能互挨得太近，输入和输出远渐

56、近量远离。某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出以外的短路。带高压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。重量超过15g的元器件应当用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、发热量多的元器件，不宜装载印制版上，而应该装载在整机的机箱地板上，而且应考虑散热的问题。热敏元件应远离发热元件。对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、未动开关等可调远见的布局应考虑整机的结构要求。若是机内调节，应放在印制版上方便与调节的地方；若是机外调节，其位置要与调节旋钮在机箱面板上的位置相适应。根据电路功能单元，对电路的全部器件进行布局时，要符合以下原则：（1） 按照电路的流程安排

57、各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。（2） 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上。尽量减少和缩短个元器件之间的引线和连接。在高频下工作的电路，要考虑元器件的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易。易于批量生产。（3） 电路板边缘的元器件，与电路板边缘一般不小于2mm。电路板的最佳形状为矩形。长宽比例为3：2或4：3。电路板面尺寸大于200*150mm时，应考虑电路板所受的机械强度。2 、布线布线原则如下： 输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线接地线，以免发生反

58、馈耦合。 印制版导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的粘附强度和流过他们的电流值决定。当铜箔厚度为0.05mm、宽度为115mm时，通过2A的电流，温度不会高于3度，因此，导线宽度为1.5mm可满足要求。对于集成电路，尤其是数字电路，通常选0.020.3mm导线宽度。当然，只要允许，还是尽可能用宽线。尤其是电源线和地线。导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。对于集成电路，尤其是数字电路，只要工艺允许，可使间距小至58mm. 印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电器性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须使

59、用大面积铜箔时，最好用栅格状。这样有利于排除铜箔与基板粘合剂受热产生的挥发性气体。3、焊盘焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些，焊盘太大易形成虚焊。焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引孔径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（d+1.0）mm。4、 电路抗干扰措施印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的联系，这里就PCB抗干扰设计的几项常用的措施作一些说明。5、 电源线设计根据印制电路板电流大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，是电源线、地线的走向和数据传递方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。6 、地线的设计原则（1） 地与模拟地分开若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，

60、应使他们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并接地，实际布线有困难时，可能分串联后在并联接地。高频电路采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格阔大面积地箔。（2） 地线应尽量加粗 若地线用较小的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使他能通过三倍于印制板上的允许电流。如果有可能，接地线应在23mm以上。（3） 构成闭环路只由数字电路构成的印制板，其接地电路布成环路大多能提高抗噪声能力。7 、褪藕电容配置PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的褪藕电容。 褪藕电容的一般配置原则是：（1） 输入端跨接10100uf的电解电容，如有可能接100uf以上的更好。原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pf的瓷片电容，如遇印制板空隙不够，可每48个芯片布置一个0.01pf的瓷片电容。对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件，如RAM、ROM存储器件，应在芯片的电源线和接地线之间直接接入褪藕电容。电容引线不能太长，尤其是高频旁边电容不能有引线。（2） 印制电路板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作他们均会产生较大火花放电，