机械5

本特色与创新如下： 本次牛奶浓度杂质测试仪的硬件设计以单片机的控制和数据处理为核心，尽量减少硬件的用量，利用单片机内部T0计数器减少了外部计数器的使用量；对于采样时间的选择没有选用外部秒信号发生器，而是利用单片机内部T1定时器来确定采样时间，这样在保证采样精度满足要求的前提下，可以使硬件电路得到简化，缩小仪器的体积，实现便携式快速测量。 2.1.4数据选择器 三态输出门与一般的门电路不同，它的输出端除出现高电平、低电平两种状态之外，还可以出现第三种状态高阻状态（或称禁止状态、开路状态）。 三态门最重要的一个用途是可以实现用同一根导线轮流传送几组不同的数据。通常把接受三个或三个以上门的输出信号的线叫做总线，总线是具有控制功能的传送的公共通道。 多个三态门的输出端可以直接相连，但与OC门线不同的是，在任何时候只能有一个三态门处于工作状态，不允许两个或两个以上三态门同时工作。因此，连在一起的三态门是分时工作的。这就需要对各个三态门的使能端EN行适当控制。当两个三态门同时改变工作状态是，就应该保证从工作状态转为高阻状态的速度要比从高阻状态转为工作状态的速度来得快，否则就可能出现两个三态门同时工作的状态，从而使输送的状态不正常。所以可以让总线上各个三态门轮流地接高电平控制信号，那么由多个三态门输出的多组数据，就会一个一个轮流地送到总线上，这样就实现了一线多用。 如图2.7为74LS244引脚图。74LS244内部共有两个四位三态缓冲器，分别以和作为它们的选通工作信号，当和都为低电平时，输入端A和输入Y状态相同：当和都为高电平时，输出呈高阻态。 在与单片机连接时，可以在温度补偿电路部分加个反相器，通过单片机P1.1口控制，当P1.1为低电平时，选通计数器，这样就把计数频率输入到单片机储存起来；此时，通过一个反相器，温度补偿电路部分的三态门为高电平，处于高阻状态不选通；当P1.1为高电平时，选通8位拨码开关，把温度补偿电路的数据送至单片机储存，计数器处于高阻状态不选通。 2.1.5单片机 AT89C52是一个低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8位的可反复擦写的只读程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多复杂系统控制应用的场合。 AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时/计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合再一起，特别时可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。 采用传感器将温度值转变成石英晶体震荡频率值，再通过89C51单片机来实现温度值的记录、修正和显示，进行牛奶冰点温度采样来检验液体杂质浓度是否超标的研究。 设计的具体内容： 1、熟悉课题，查询收集资料，熟悉单片机，数字逻辑，Protel等相关知识； 2、硬件电路设计：主要包括补偿电路、采样电路、数据选择电路、硬件与显示电路等； 3、电路仿真与调试； 4、用Protel99软件画出原理图和PCB文件； 5、编写设计说明书、完成答辩。 本课题研究的意义： 本课题对牛奶杂质浓度测试仪的硬件进行设计，其研究意义如下： 1、可以利用牛奶杂质浓度测试仪准确地检测出牛奶中掺水的情况。另外也可用于喷气燃料油冰点和发动机冷却液冰点的测定，来对产品质量进行评定； 2、设计是大学四年对我们所学知识的一次应用和总结，是一次难得的锻炼学习机会，为我们踏上社会，踏上工作岗位做好准备。另外，设计中也能反映出我们的错误和不足，通过不断的改正来充实自我。 针对本次设计，我查找和收集了些相关文献，这些文献在我的设计过程中给我提供了很大的帮助。 设计刚开始，首先就是先彻底地熟悉单片机，在文献中我选用了文献4和文献5作为我学习和熟悉单片机的资料。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。单片机具有集成度高，功能强，结构简单，易于掌握，应用灵活，可靠性高，价格低廉等优点，广泛应用在工业控制、机电一体化、通讯终端、智能仪表家用电器等诸多领域中，已成为传统急电设备升级为智能化机电设备的重要手段。文献4全面系统地讲述了MCS-51系列单片机的发展概况和基本结构、工作原理、基本系统、指令系统、汇编语言程序设计、并行扩展和串行扩张方法、人机接口，以及单片机的开发应用等方面内容，重点查阅了单片机定时器/计数器T0和T1的结构和工作原理，工作于定时方式和计数方式下的情况。了解了定时器/计数器T0和T1的初始化，通过对TH0、TL0和TH1、TL1的初始化编程来设置T0、T1计数器初值，通过对TCON和TMOD的编程来选择T0、T1的工作方式和控制T0、T1的运行；文献5主要介绍利用MCS-51单片机设计和开发，针对大多数场合，讨论单片机应用系统的研制过程，并介绍单片机系统设计的例子。 在查阅资料和熟悉单片机后，构思出此次硬件设计的基本框图，然后需要选取相关的元器件，首先先查阅了文献1，对大部分的元器件有一定的了解，文献1讲述了电子电路常用的元器件，并列出了各个元器件的型号，性能和应用场合，结合文献2和文献3，帮助我选取相关元件。文献2和文献3通过对TTL集成电路门的分析，了解TTL门电路的结构特点及外部特性。TTL门电路的结构特点可以把TTL与非门典型电路分解成三个组成部分：输入级，中间级和输出级。 此次牛奶杂质浓度测试仪硬件设计采用了74LS161A，74LS244，74LS164等元器件。参阅文献1和2，了解了74LS161、74HC244等芯片的引脚排列、集成电路功能表、引出端符号表。还知道了包括三态门74LS161的功能和应用，同时也介绍了如何通过2片74LS161异步级联形成8位二进制计数器。 此次牛奶杂质浓度测试仪硬件设计采用的是LC切割型石英温度变送器。石英晶体传感器以高分辨力、高准确度、热响应时间孝频率输出、便于远传、便于测量等特点著称，主要用于高准确度、高分辨力的温度测量和作为量值传递的标准温度计中。文献7讲述了石英晶体传感器本质上是一种特殊的晶体震荡器，所以它典型的测量电路就是晶体震荡电路石英晶体的固有振荡频率是随着温度的变化而变化，当切割角度不同时，温度系数也有明显不同。用于温度测量控制领域做温度传感器的石英晶体应选择温度系数较大，频率对温度很敏感的切割方向。因此我们要选用到的石英晶体是LC方式切割的。 设计所用的石英晶体温度变送器，其相关参数如下：变送器所处环境温度在25摄氏度时，输出信号频率为16.8MHz。同时，温度每变化1摄氏度，频率相应升高或降低1KHz。 文献6讲述了LED七段数码显示器接口基本结构和工作原理。具体的LED驱动方式，包括静态驱动和动态驱动。此次牛奶杂质浓度测试仪硬件设计根据牛奶杂质浓度测试仪温度测试所需要的显示精度，显示电路采用了五个动态共阴极八段数码管显示。动态显示的原理是单片机依次发出段选控制字和对应哪一位LED显示器的位选控制信号，显示器逐个循环点亮，适当选择扫描速度，利用人眼“留光”效应，使得看上去像几位显示器同时在显示一样。 设计中的八段数码管为共阴型，段码采用同相驱动，由移位寄存器输出。位码加反相驱动器，输入端高电平选中，由单片机端口直接驱动。 牛奶杂质浓度测试仪是通过测试牛奶的冰点温度，和标准冰点温度进行比较，从而判断牛奶杂质浓度是否超标，它并不能测出牛奶中具体含有什么杂质。 本仪器采用LC切割型石英晶体温度变送器，把温度信号转化为频率信号，在温度变送器和计数器之间加入1个电子闸门，利用单片机内部的定时器产生宽度为1s的门控信号。采样数据计数经8位计数器256分频后送至AT89C52单片机，为减少硬件用量，结合单片机内部的16位计数器和外部8位计数器组成24位计数器。温度误差的补偿用一个8位拨码开关来实现，两片74LS244三态门作为测试采样输入和温度补偿输入的选择端。仪器设定了3个独立式功能键“START”、“STOP”和“RST”分别进行开始采样、停止采样和复位操作，由单片机P1.3、P1.4和P1.5口控制。数据显示部分段选部分的信号由74LS164串行输入并行输出，5位共阴极数码管动态显示，LED数码管的位选由单片机的P2口控制。牛奶冰点温度达到时，数码管显示冰点温度，通过一个由单片机直接控制的蜂鸣器鸣叫来进行提示。 目录 第一章绪论1 1.1凝固点与冰点的概念1 1.1.1凝固点与冰点1 1.1.2凝固点的变化1 1.1.3牛奶的凝固点1 1.2检测牛奶冰点的方法及表示单位2 1.2.1仪器与方法2 1.2.2牛奶冰点的测定单位与表示方法2 1.2.3 FPD（牛奶冰点下降）表示法2 1.3牛奶冰点与掺水掺杂2 1.4影响牛奶冰点的若干因素3 1.5生产实践中如何避免生奶中无意掺水4 1.6本文的结构4 第二章牛奶杂质浓度测试仪硬件电路设计5 2.1电路原理图的设计6 2.1.1温度变送器6 2.1.2计数器9 2.1.3补偿电路13 2.1.4数据选择器14 2.1.5单片机15 2.1.6时钟振荡电路18 2.1.7复位电路18 2.1.8控制电路19 2.1.9显示电路20 2.1.10冰点提示电路22 2.2电路板的绘制23 2.2.1 Protel 99SE的使用23 2.2.2电路图的绘制23 第三章系统调试26 3.1 MPLAB微机实验系统26 3.2硬件的检测与调试26 3.2.1脱机检查26 3.2.2联机调试27 3.3.3软件调试28 第四章主程序流程图29 4.1主程序注释29 第五章结论31 5.1总结31 5.2感想31 致谢32 参考文献33 附录A：原理图34 附录B：PCB图35 1.2.1仪器与方法 当今流行的检测牛奶冰点的方法是应用冰点测定器（cryoscopy）。在该测定器的样品管中有一套珠形热敏电阻和搅棒装置。检测时，将少量的牛奶试样放入样品管内，立即置于-7℃的冰浴中，样品的温度由插入其中的热敏电阻来测知，样品经快速冰却与缓慢冷却，直至-3℃，振动着的搅拌棒将能量脉波传向样品测试管壁，形成冰晶，从而产生一个“冰冻脉波”；随着被超冷的牛奶样品结成冰，此时释出潜在的熔化热，样品的温度升至冰点平台；过后温度又继续下降。平台的温度就是牛奶的冰点。 目前，世界上有多家专门研发、制造牛奶与乳品分析检测仪器的企业，如丹麦的福斯（Foss）公司、荷兰的Delta I
nstrume
nts公司等，在这些厂商出产的各种乳制品成份分析仪都可以加装冰点测定仪。其操作相当准确、简便。 上海近年研制成功的CHL-100型鲜奶冰点测定仪，单机尺寸40×30×24cm，重量14kg，用220VAC电源，功耗100W ，工作环境温度10~30℃。每次测试用奶样2.5mL，检测时间2~4mi
n，测温范围0.0000~-1.0000℃，测温分辨率0.0001℃，冰点测定精密度<±4m℃。该仪器通过校准后可测出牛奶样品的冰点值，并根据设置标准冰点计算出相对含水量。两项数据可在显示器上读出，也可打印出检验结果。 1.2.2牛奶冰点的测定单位与表示方法 牛奶冰点测试的原始工作由贺特文氏（Hortvet）完成，他使用的是装有水银的玻璃温度计。更现代化的工作表明，Hortvet所用的器具并不精密，但许多早期的资料用Hortvet氏装置测定。所以，迄今仍有一些国家和地区应用Hortve氏刻度来表示牛奶的冰点。牛奶冰点的贺氏（H）与℃的换算公式为： ℃=0.96418H 0.00085 1.2.3 FPD（牛奶冰点下降）表示法 因为牛奶的冰点都是负数，且在摄氏千分之几度范围内波动，所以有业内人士提出，为简化起见，在某些场合下，牛奶冰点下降（Freezi
ng poi
nt depressio
n of milk）FPD的单位用m℃表示：取冰点的绝对值乘以1000就是FPD值。如：-0.508℃=508m℃。 1.3牛奶冰点与掺水掺杂 牛奶是否被掺水掺杂，可用多项检测指标进行综合评判，常用的方法之一，就是检测其冰点。如果纯真牛奶的冰点设定为-0.540℃，据测定，牛奶中每加入1水，其冰点约上升0.0054℃。如牛奶中加入10水，其冰点约为-0.540×（10010=-0.486℃。通常认为，用公式（1.1）可计算牛奶中3上的加水量： X（=（T-T’）×100/T （1.1） 式中，X：原料奶加水量，T：生鲜牛奶真实冰点或参照冰点，T’：被检牛奶的冰点。公式（1.2）可计算以重量百分率表示的加水量： W（=（C-D）×（100-S）/C （1.2） 式中，W：生鲜牛奶的掺水量，C：正常牛奶的真实冰点或参照冰点，D：被检牛奶的冰点，S：被检牛奶的总固形物百分数。 倘若在牛奶中掺入淀粉、豆浆或羧甲基纤维素等物质，可使其冰点上升；若掺入尿素、电解质等可溶性物质，则使其冰点下降。 1.4影响牛奶冰点的若干因素 乳汁是动物乳腺组织生理活动的分泌物，其各种成分皆直接或间接来源于血液。据研究，牛奶渗透压或盐类平衡与泌乳母牛的血液渗透压相匹配。母牛的血液渗透压受生理调节，仅局限于很小的范围内，所以它所产牛奶的盐类平衡也被约束于很范围。正常牛奶的冰点比纯水的冰点低0.52~0.53℃左右。 大量测试数据显示，水牛奶与乳用品种黄牛所产的奶冰点十分接近；山羊奶或绵羊奶的冰点比牛奶稍低。不同品种的奶牛所分泌乳汁的冰点仅有千分之几摄氏度的差异。同一个体在同一泌乳期内不同阶段所分泌奶的冰点基本无差异。同一地区全年各月之间所产奶的冰点几乎无差异。 在奶牛饲养过程中，如果饮水不正常，则会影响其所产奶的冰点。假如某牛在挤奶前有一段时间被剥夺饮水，其冰点就会异常地升至-0.500H或更高。此外，严重背离奶牛饲养标准的低差饲喂，不仅产奶量下降，其所产奶冰点也上升。 牛奶成分中，乳脂肪含量变化，与其冰点升降几乎无关，乳中蛋白质含量对牛奶冰点的影响甚微。牛奶中乳糖和可溶性盐含量增加，则使其冰点下降。 当奶牛患急性乳腺炎时，其所产奶中乳糖含量减少。为使血乳渗透压平衡，就会在乳汁中稍微多分泌一些盐类，这就是为什么急性乳腺炎患牛所产生的奶稍带咸味的原因。 如果生鲜牛奶的测定样品不能保持新鲜，牛奶中的细菌就会将乳糖逐步分解为乳酸，一个分子乳糖可转化为个分子乳酸，从而使牛奶的冰点下降；这种情况可掩饰牛奶的掺水现象。 我们面临的问题是，用作冰点检测的牛奶样品，既不能添加任何防腐剂，又不能使其中的细菌生长繁殖。因此，务必在严格冷藏的条件下谨慎储运。在测定牛奶冰点时，往往同时检测其可滴定酸度，数项数据可相互印证，以判别是否有掺假行为。检测报告牛奶的正常冰点，要求其酸度在20T以内。 1.5生产实践中如何避免生奶中无意掺水 在生产实际中，不论是手工挤奶、桶式机器挤奶或是管道式机器挤奶，都应该周密考虑牛奶生产、挤榨、储运、加工过程中的各个环节，制定并认真执行严格的操作规程，谨防额外水分进入原料奶中，以保证牛奶的纯净、优质。 1.6本文的结构 本文以牛奶杂质浓度测试仪的研发工程项目作为应用背景，对技术进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了牛奶冰点的概念和相关研究背景； 第二章对牛奶冰点温度进行了研究，给出了如何利用单片机各个功能I/O进行控制的控制方案，并讨论了牛奶杂质浓度测试仪硬件电路的设计方法，给出了具体的硬件电路图和电路板电路。 第三章详细地说明了对硬件电路检测和调试的步骤。 第四章给出了主程序的流程图并作了简要说明。 第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。