淀粉水分控制系统设计.docx

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淀粉水分控制系统设计

第1章绪论

1.1选题背景

近几年来随着国内淀粉由供大于求向供不应求方向的转变，淀粉的流通领域亦发生了重大的变化，由过去分散的小规模经营逐步向集中的大规模经营过渡，使高水分淀粉贮存矛盾突出。

因此北方淀粉集中产区大量使用淀粉烘干设备，将淀粉烘干后贮存和销售，由于不恰当的使用烘干设备，造成大量的高温烘干淀粉上市，给淀粉深加工业带来不良影响，造成重大经济损失，应该引起淀粉生产行业和加工行业高度重视。

提高淀粉烘干效率，降低烘干费用，从而降低成本，以进一步扩大淀粉的工业应用等要求显的日益紧迫。

因此淀粉的生产是我国玉米淀粉应用中一个突出的问题。

淀粉烘干的质量，直接影响到后道工序淀粉的正常生产，包括淀粉生产的出率、质量和产量。

因此，淀粉烘干是淀粉生产工艺中非常重要的工序之一。

淀粉烘干的目的是把湿润的淀粉烘干加工来得到干燥的优质淀粉，以便淀粉的存放。

烘干时间在整个生产工艺流程中比其它各步使用的时间均长，这就限制了淀粉生产的效率，生产时间长，消耗的能源多。

烘干时间的掌握也是至关重要的，烘干时间过短，蛋白质网分散不完全，可溶性物质不能全部提出，影响淀粉的质量和得率;时间过长，细胞壁的纤维强度下降，有一部分细小纤维留在淀粉中很难分离。

目前，世界各国研究人员正在致力十在保证烘干效果，缩短烘干时间的研究，以期达到提高淀粉烘干效果，缩短烘干时间，提高生产效率，得到干燥的优质淀粉的目的。

人工烘干尤其是高温烘干高水分的淀粉对其物理性质、化学组成、营养价值及工业加工价值都有不良的影响。

人工烘干后淀粉由于水分不均匀、容重低、及热损率高而降低了淀粉的等级从而降低了淀粉的品质和价格。

此外高温烘干的淀粉加工困难降低了工业价值[27]。

为取代人工操作，提高测量温湿度过程及控制过程的自动化程度，本课题研究将单片机技术引入测量与控制过程，实现干燥参数的自动调整。

单片机自二十世纪七十年代出现以来，以其具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠的特点，在智能仪器仪表、家用电器和实时工业控制等控制系统领域得到广泛应用。

同时，在数据采集处理、外部设备输出控制及作为机电一体化设备核心方面，更好的发挥了性能。

计算机的控制应用一般分为两个方面:

一是计算机在控制系统中的离线应用，另一是计算机在控制系统中的在线应用。

在线控制方面，由于计算机身处其中，因此要求计算机体积小、功耗低、系统在淀粉干燥中的应用研究价格低廉以及控制功能强等，这正是单片机的用武之地。

单片机的应用不仅在于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法等的设计。

单片机是本系统的核心，它控制本系统的各种功能，因此选择性能可靠的单片机就显得尤为重要，考虑到满足功能要求、性价比、货源保证、开发手段等因素,本次设计采用软件技术成熟、性价比高的Intel公司推出的一种低功耗、高性能的8位单片机—89S51。

本文的研究是通过控制烘干过程中的烘干温度、烘干时间等因素，来增加淀粉得率，使成品淀粉中蛋白质含量降低，得到最佳的烘干条件。

通过对干燥玉米采取不同的烘干条件，来增加淀粉的得率;通过添加乳酸来减少烘干时间，来减少淀粉的能量及资金消耗;通过对烘干玉米微观结构的分析来进一步了解烘干过程中玉米的微观结构变化，根据淀粉得率确定最佳烘干工艺[28]。

淀粉除直接用十食品、造纸、纺织、医药等领域外，绝大多数用十深加工。

随着石油危机的出现及石油化工生产过程严重污染环境，也使淀粉衍生物开发和利用更加引人注目，这一新型产业已发展成为精细化学品和能源工业的一个新领域，具有十分广阔的前景。

目前，国内存在的原料品质波动大、烘干工艺参数选择手段落后以及新工艺开发困难等问题，严重制约了淀粉企业产品品质的提高、竞争力的发挥，也限制了企业经济效益的提升，这一状况迫切需要通过技术攻关加以解决。

本研究对淀粉企业的技术进步、淀粉的品质、经济效益和环境效益都具有重要的意义[29]。

1.2设计过程及工艺要求

1.2.1基本功能

检测温度、湿度

显示温度、湿度

控制温度、湿度

过限报警

1.2.2主要技术参数

温度检测范围：

-30℃-+150℃

测量精度：

0.5℃

湿度检测范围：

10%-100%RH

检测精度：

2%RH

显示方式：

温度：

四位显示湿度：

四位显示

报警方式：

三极管驱动的蜂鸣音报警

第2章方案的比较和论证

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。

对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.1温度传感器的选择

2.1.1采用热电阻温度传感器

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

2.1.2采用AD590温度传感器

采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。

作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。

AD590的测量信号可远传百余米。

综合比较上述两种方案，得出后者AD590更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择[1]。

2.2湿度传感器的选择

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。

电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。

2.2.1采用HOS-201湿敏传感器

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。

这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性[8]。

2.2.2采用HS1100/HS1101湿度传感器

HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

相对湿度在1%---100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。

可见精度是较高的。

综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

而且还不具备在本设计系统中对温度10～150℃的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。

2.3信号采集通道的选择

在本设计系统中，温度输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。

2.3.1采用多路并行模拟量输入通道

图2-1多路并行模拟量输入通道

这种结构的模拟量通道特点为：

（1）可以根据各输入量测量的要求选择不同性能档次的器件。

总体成本可以作得较低；

（2）硬件复杂，故障率高；

（3）如果信号处理电路复杂时，接口不够用；

（4）软件简单，各通道可以独立编程；

2.3.2采用多路分时的模拟量输入通道

图2-2多路分时的模拟量输入通道

这种结构的模拟量通道特点为：

（1）对ADC、S/H要求高；

（2）处理速度慢；

（3）硬件简单，成本低；

（4）软件比较复杂

综合比较两种方案，多路分时的模拟量输入通道硬件简单，更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，所以选择多路分时的模拟量输入通道作为信号的输入。

第3章系统总体设计

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以AT89C51基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。

图3-1系统总体框图

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。

信号采集：

由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；

信号分析：

由A/D转换器MC14433、单片机8031基本系统组成；

信号处理：

由串行口LED显示器和报警系统等组成

3.1信号采集

3.1.1温度传感器

集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。

（1）主要特性

AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。

根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。

AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-2所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。

图3-2集成温度传感器的电路

流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

IT/T=1μA/K式中：

IT——流过器件（AD590）的电流，单位μA。

T——热力学温度，单位K。

AD590的测温范围-55℃-+150℃。

AD590的电源电压范围为4V-30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1μA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

输出电阻为710MΩ。

精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

（2）AD590的工作原理

在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。

其基本电路如图3-3所示。

图3-3AD590内部核心电路

图3-3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。

T3和T4的发射结电压UBE3