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。

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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，14位定时器/计数器）、8243（4X4位）；Zilog公司的PIO（2X8位）等。对于MCS-51系列单片机可以直接和8155连接而不需要任何外加逻辑，可以直接为系统增加256个字节片外RAM,22位I/O线及一个14位定时器。8031和8155的连接方法如图所示。RDRDWRWRALfcALEP2.1IO/MP2.0CE80315Mhr-RESET10uF16VI)5.1k8155POEAADPO输出的低8位地址不需另加锁存器，故直接与8155的AD0AD7相连，即作为低8位地址线总线又作为数

14、据总线，地址锁存直接用ALE在8155中锁存高8位地址由建及IO/M的地址控制线决定。当P2.0=l和P2.1=0时，8155选中片内三个I/O端口，因此，在图中连接状态下的地址编号为：RAM字节地址：OOOOH-OOFFH命令/状态口：OlOOHPA口:OlOlHPB口:0102HPC口:0103H定时器低8位：0104H定时器高8位：0105H（三）MCS-51和A/D接口设计1、ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可以认为是并行I/O接口芯片。故ADCO809可以和微机直接接口，也

15、可通过像8155这样的其它接口芯片连接。大多数情况下，8031是和ADCO809直接相连的。ADCO809采用双列直插式封装，共有28条引脚，主要引脚功能为：IN0-IN7:为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。ALE:为地址锁存允许输入线，高电平有效。ADDA、ADDB和ADDC:为地址输入线，用于选择INO-IN7上那一品各模拟电压送给比较器进行A/D转换。ADDAADDB和ADDC对INO-IN7的选择如下表所列：被选模拟电压ADDCADDBADDAINO000INl001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111START:为“启动脉冲”输入线,上升沿清零SAR,下降沿启动ADC工作。EOC:为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束。OE：为“输出允许”线，高电平时能使2-2引脚上输出转换后的数字量。2、8031对ADC0809的接