馬鈴薯的貯藏保鮮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及電子設(shè)計(jì)大賽

PAGEPAGE12馬鈴薯的貯藏保鮮實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一、概述1、品種馬鈴薯又名土豆、洋芋、山藥蛋等。它是茄科一年生作物，原產(chǎn)于南美高山地區(qū)。目前，在我國種植面積很廣，其中以山西、黑龍江、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西等地產(chǎn)量較大。馬鈴薯是一種菜糧兼用的農(nóng)產(chǎn)品，同時(shí)它還是制造酒精、淀粉、糖漿等的重要原料，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。就品種類型而言，我國生產(chǎn)中栽培的馬鈴薯有春播夏收的夏熟品種、夏播秋收的秋熟品種，貯藏多以后者為主。2、貯藏特性馬鈴薯具有不易失水和愈傷能力強(qiáng)的特性，而且在收獲后還要經(jīng)過一段生理休眠期，一般為2~3個(gè)月。在休眠期，馬鈴薯的新陳代謝水平減弱，抗性增強(qiáng)，即使處于適宜的條件下，也不萌芽生長。所以，馬鈴薯是較耐貯藏和運(yùn)輸?shù)囊环N蔬菜。選擇休眠期長的品種，并在貯藏期創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件，以延長馬鈴薯的休眠期，是貯藏成功的關(guān)鍵。3、貯藏條件（1）溫度條件貯藏溫度是延長馬鈴薯休眠期的關(guān)鍵因素，在適宜的低溫下貯藏的馬鈴薯休眠期長，特別是初期低溫對(duì)延長休眠期有利。馬鈴薯富含淀粉和糖，而且在貯藏中淀粉與糖能相互轉(zhuǎn)化。試驗(yàn)證明，當(dāng)溫度降至0℃時(shí)，由于淀粉水解酶活性增強(qiáng)，薯塊內(nèi)淀粉含量下降，糖分增加，食用品質(zhì)劣變；但溫度過高時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。所以，菜用馬鈴薯貯藏的適宜溫度為3~5℃，1左右易出現(xiàn)冷害；加工用馬鈴薯的貯藏溫度為10~貯藏初期約10天~15天的愈傷階段，應(yīng)保持15℃~20℃的較高溫度。形成木栓化保護(hù)層后，便可將溫度控制在3℃（2）濕度條件貯藏環(huán)境的濕度對(duì)貯藏效果也有直接影響，過高容易造成致腐菌大量生長而引起腐爛；過低則又會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯失水量增大、新鮮度下降、失重增加。愈傷階段相對(duì)濕度為85%~95%，貯藏適宜相對(duì)濕度為90%。濕度過低，水分散失嚴(yán)重，薯塊質(zhì)量損失較大，而且會(huì)產(chǎn)生萎縮現(xiàn)象；濕度過高，則會(huì)加快薯塊發(fā)芽，引起病害造成腐爛。（3）通風(fēng)條件調(diào)節(jié)馬鈴薯貯藏環(huán)境中的溫度與濕度，排除二氧化碳等不良?xì)怏w，維持薯塊的正常呼吸，前期能夠促進(jìn)機(jī)械損傷的愈合。除此之外，通風(fēng)還可以使貯藏環(huán)境以及薯堆內(nèi)各部分的溫度與濕度相對(duì)均勻，可以避免局部溫度與濕度過高或過低以及結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生。通風(fēng)要視外界氣溫而定，外界氣溫過低或過高時(shí)都不宜通風(fēng)，因?yàn)橥饨鐪囟冗^低時(shí)通風(fēng)會(huì)造成薯塊結(jié)露，溫度過高時(shí)通風(fēng)會(huì)使窖內(nèi)溫度升高而不利于貯藏。一般以接近適宜貯藏溫度時(shí)通風(fēng)為好。（4）光照條件馬鈴薯在貯藏期間，漫射光照射雖然對(duì)塊莖的質(zhì)量損耗不發(fā)生顯著影響，但能促進(jìn)葉綠素以及苷類物質(zhì)的形成。因此，馬鈴薯在貯藏過程中應(yīng)避免光照，以免發(fā)芽和增加薯塊內(nèi)有害的苷類物質(zhì)產(chǎn)生。4、貯藏方法（1）室內(nèi)堆藏一些地區(qū)直接將薯塊堆放在室內(nèi)的方法簡(jiǎn)單易行，但難以控制發(fā)芽，如配合藥物處理或輻射處理可提高貯藏效果。也可用覆蓋遮光的辦法抑制發(fā)芽，此法對(duì)多雨季節(jié)收獲的馬鈴薯貯藏較為理想。對(duì)氣候比較寒冷的地區(qū)如東北，用室內(nèi)堆藏法貯藏馬鈴薯也比較成功。如果大規(guī)模貯藏，可選擇通風(fēng)良好、場(chǎng)地干燥的倉庫，室內(nèi)消毒后，將經(jīng)過挑選和預(yù)處理的馬鈴薯進(jìn)庫堆放，四周用木板等圍好。為提高空間利用率，也可在室內(nèi)架藏、碼箱等。（2）地窖貯藏在避光、陰涼、通風(fēng)、干燥的室內(nèi)或室外蔭棚下，用磚砌長方形窖，池壁留孔成花墻式，以便通風(fēng)散熱，上面覆蓋細(xì)沙土10～15cm，稍加壓實(shí)即可，這種方法適于南方溫暖地區(qū)。西北地區(qū)土質(zhì)黏重堅(jiān)實(shí)，多用井窖或窯洞貯藏。這兩種窖的貯藏量可達(dá)3000～3500kg，保溫效果較好，窖內(nèi)薯堆高度不超過1.5m，否則入窖初期堆內(nèi)溫度增高易萌芽腐爛。（3）地溝埋藏地溝東西走向，深1m左右，上口寬1m，底部稍窄，橫斷面呈倒梯形，長度可視貯量而定，兩側(cè)各挖一排水溝，充分干燥后，再放入馬鈴薯薯塊。下層薯塊堆碼厚度在40cm左右，中間填15～20mm厚的干沙土，上層薯塊厚約30cm左右，用細(xì)沙土稍加覆蓋在距地面約20cm處設(shè)立測(cè)溫筒，插入1支溫度表。當(dāng)氣溫下降到0℃以下時(shí)，分次加厚覆蓋土成屋脊形，以不被凍透為度，保持溝溫在4（4）通風(fēng)庫貯藏用通風(fēng)庫貯藏馬鈴薯，塊莖堆高不超過2m，堆內(nèi)放置通風(fēng)塔，搞好前期降溫。也可裝筐碼垛，有條件的還可在庫內(nèi)設(shè)置專用木條柜裝薯塊，以便通風(fēng)，該方法貯量較大，但成本較高。（5）冷庫貯藏有冷庫條件的地方，可將薯塊裝入筐或木條箱中，先在預(yù)冷間預(yù)冷，待塊莖溫度接近貯藏溫度時(shí)，再轉(zhuǎn)入冷藏間貯藏，庫溫應(yīng)保持在0～2℃范圍內(nèi)。在筐（箱）碼垛時(shí)，要留有適當(dāng)?shù)耐獾?，以使堆?nèi)溫度與濕度均勻一致。貯藏期間應(yīng)定期檢查，發(fā)現(xiàn)染病薯塊及時(shí)剔除，以防蔓延。（6）化學(xué)貯藏南方各地夏秋季不易獲得低溫環(huán)境，塊莖休眠結(jié)束后，萌芽損耗嚴(yán)重，可以采用藥物處理以抑制萌芽發(fā)生，采用α-萘乙酸甲酯或乙酯，或者青鮮素進(jìn)行處理。二、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（一）材料與儀器1、試驗(yàn)原料試驗(yàn)品種：西北地區(qū)廣泛種植的晚熟品種隴薯6號(hào)品質(zhì)要求：新鮮收獲，未發(fā)芽，品相完整，外觀無斑痕病變，無蟲害，無機(jī)械性損傷的馬鈴薯。2、主要儀器和設(shè)備①GS-ⅢB大氣采樣器（上海宏宇環(huán)保應(yīng)用研究所）②氣調(diào)箱(西安億事達(dá)保鮮工程有限公司)3、主要試劑戴科2.5%馬鈴薯抑芽劑粉劑(美國仙農(nóng)有限公司生產(chǎn))（二）研究?jī)?nèi)容與方法1、研究?jī)?nèi)容（1）不同因素對(duì)馬鈴薯貯期呼吸強(qiáng)度的影響①溫度對(duì)馬鈴薯貯期呼吸強(qiáng)度的影響；②冷藏對(duì)馬鈴薯呼吸強(qiáng)度的影響。（2）馬鈴薯貯藏期間發(fā)芽情況的研究①空氣濕度對(duì)馬鈴薯貯期發(fā)芽狀況的影響；②光照對(duì)馬鈴薯貯期發(fā)芽狀況的影響；③抑芽劑影響馬鈴薯發(fā)芽狀況的效果研究。2、試驗(yàn)方法（1）氣流法測(cè)定馬鈴薯呼吸強(qiáng)度①氣流法測(cè)定馬鈴薯呼吸強(qiáng)度通常是采用定量堿液吸收農(nóng)產(chǎn)品在一定時(shí)間內(nèi)呼吸所釋放出來的CO2，再用酸滴定剩余的堿，即可計(jì)算出呼吸所釋放出來的CO2量，求出其呼吸強(qiáng)度。單位通常用每公斤每小時(shí)釋放CO2毫克數(shù)(CO2mg/kg·h)表示。反應(yīng)如下:2NaOH+CO2==Na2CO3+H2ONa2CO3+BaCl2==BaCO3+2NaCl氣流法的測(cè)定裝置如圖②溫度對(duì)馬鈴薯貯期呼吸強(qiáng)度的影響分別稱取5份，每份2500g左右的馬鈴薯，置于不同溫度(5℃、10℃、15℃、20③冷藏對(duì)馬鈴薯呼吸強(qiáng)度的影響稱取2500g左右馬鈴薯，將馬鈴薯放入恒溫4℃（2）馬鈴薯貯藏期間發(fā)芽情況的研究①空氣濕度對(duì)馬鈴薯貯期發(fā)芽狀況的影響分別稱取5份，每份10kg馬鈴薯，置于不同空氣濕度(40％、50％、60％、70％、80％)的條件下貯藏，每個(gè)月記錄，貯藏5個(gè)月。②光照對(duì)馬鈴薯貯期發(fā)芽狀況的影響分別稱取兩組，每組10kg左右的馬鈴薯。在常溫下貯藏，一組放置在自然光照下，另一組置于暗室中，每個(gè)月進(jìn)行記錄，貯藏5個(gè)月。③抑芽劑影響馬鈴薯發(fā)芽狀況的效果研究分別稱取兩組，每組10kg左右的馬鈴薯。一組不做處理，另一組用馬鈴薯抑芽劑進(jìn)行處理，用量為800mg抑芽劑·kg-1薯塊。，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的用量將抑芽劑均勻撒敷在馬鈴薯上，用塑料布捂蓋5d后，揭開捂蓋物將馬鈴薯分裝于紙箱中。兩箱置于常溫下儲(chǔ)存。每個(gè)月進(jìn)行記錄，貯藏時(shí)間為5個(gè)月。3、測(cè)定指標(biāo)①失重率測(cè)定采用稱重法。失重率＝〔（貯前質(zhì)量－貯后質(zhì)量）/貯前質(zhì)量〕×100%②發(fā)芽率測(cè)定發(fā)芽率=（發(fā)芽薯塊數(shù)/總薯塊數(shù)）×100％③腐爛率測(cè)定腐爛率=（腐爛薯塊數(shù)/總薯塊數(shù)）×100％④呼吸強(qiáng)度測(cè)定采用氣流法，參照植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)。（上海植物生理學(xué)會(huì)編.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1985.6.）4、試驗(yàn)結(jié)果記錄表1溫度對(duì)馬鈴薯呼吸強(qiáng)度的影響貯藏溫度（℃）510152025呼吸強(qiáng)度（前期）呼吸強(qiáng)度（中期）呼吸強(qiáng)度（后期）表2冷藏對(duì)馬鈴薯呼吸強(qiáng)度的影響貯藏時(shí)間（天）12345678呼吸強(qiáng)度91011121314151617表3馬鈴薯貯藏期發(fā)芽狀況（空氣濕度）空氣濕度40%50%60%70%80%失重率發(fā)芽率腐爛率表4馬鈴薯貯藏期發(fā)芽狀況（光照和抑芽劑）組別光照非光照使用抑芽劑未使用抑芽劑失重率發(fā)芽率腐爛率（三）參考文獻(xiàn)[1]程學(xué)聯(lián).馬鈴薯種薯貯藏技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù),2009(1):86.[2]連喜軍，王吰，楊鑫博，等.甘薯呼吸強(qiáng)度氣流法測(cè)定中參數(shù)研究[J].食品研究與開發(fā),2008,29(7):25-28.[3]丁映，陳鷹，樂俊明，等.馬鈴薯的貯藏與管理技術(shù)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（1）：165-167.[4]李樹蓮,孫茂林,李先平,等.馬鈴薯抑芽劑戴科（DEECO）的效果評(píng)價(jià)[J].中國馬鈴薯,2003,17（6）:349-351.[5]王科茂.馬鈴薯貯藏期主要病害及防治措施[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2011（9）：30[6]曹健康，姜微波，趙玉梅.果蔬采后生理生化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，2007：112-114.[7]王文生,董成虎,賈凝.新疆厚皮甜瓜貯藏溫度試驗(yàn)[J].保鮮與加工,2006(6):21-22.電子設(shè)計(jì)大賽題目：水溫控制系統(tǒng)學(xué)校：吉林大學(xué)院系：儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)與儀器系參賽隊(duì)員：水溫控制系統(tǒng)摘要：該水溫控制系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)采集與控制。溫度信號(hào)由“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器DS18B20提供，DS18B20在-10～+85°C范圍內(nèi),固有測(cè)溫分辨率為0.5℃。水溫實(shí)時(shí)控制采用繼電器控制熱得快進(jìn)行升溫控制。系統(tǒng)具備較高的測(cè)量精度和控制精度，能完成升溫控制。目錄1.系統(tǒng)方案選擇和論證……………21.1題目要求……………………21.1.1基本要求…………21.1.2發(fā)揮部分…………21.1.3說明………………21.2系統(tǒng)基本方案……………21.2.1各模塊電路的方案選擇及論證…………………21.2.2系統(tǒng)各模塊的最終方案…………52.硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)……………62.1系統(tǒng)硬件模塊關(guān)系…………62.2主要單元電路的設(shè)計(jì)……………………62.2.1溫度采集部分設(shè)計(jì)………………62.2.2加熱控制部分……………………82.2.3鍵盤、顯示、控制器部分………83.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)……………103.1讀取DS18B20溫度模塊子程序…………103.2數(shù)據(jù)處理子程序…………103.3鍵盤掃描子程序…………123.4主程序流程圖……………134.系統(tǒng)測(cè)試……………………144.1靜態(tài)溫度測(cè)試……………144.2動(dòng)態(tài)溫控測(cè)量………………144.3結(jié)果分析……………………14附錄1：產(chǎn)品使用說明……………15附錄2：元件清單…………………15附錄3：系統(tǒng)硬件原理圖…………16附錄4：軟件程序清單……………17參考文獻(xiàn)…………………………261.系統(tǒng)方案選擇和論證題目要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為1L凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。1.1.1基本要求（1）溫度設(shè)定范圍為40～90℃，最小區(qū)分度為1℃，標(biāo)定溫度≤1℃。（2）環(huán)境溫度降低時(shí)（例如用電風(fēng)扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差≤1℃。（3）用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示水的實(shí)際溫度。1.1.2發(fā)揮部分（1）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ?dāng)設(shè)定溫度突變（由40℃提高到60℃）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。（2）溫度控制的靜態(tài)誤差≤0.2℃。1.1.3說明（1）加熱器用一千瓦熱得快。（2）如果采用單片機(jī)控制，允許使用已有的單片機(jī)最小系統(tǒng)板。（3）數(shù)碼顯示部分可以使用數(shù)碼顯示模塊。（4）測(cè)量水溫時(shí)只要求在容器內(nèi)任意設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。1.2系統(tǒng)基本方案根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊分可以劃分為：溫度測(cè)量模塊，顯示電路模塊，加熱模塊，控制模塊，系統(tǒng)的框圖如圖1.2.1所示。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證。1.2.1各模塊電路的方案選擇及論證（1）控制器模塊根據(jù)題目要求，控制器主要用于對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)的接受和處理、控制電熱絲使控制對(duì)象滿足設(shè)計(jì)要求、控制顯示電路對(duì)溫度值實(shí)時(shí)顯示以及控制鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的設(shè)定等。對(duì)控制器的選擇有以下三種方案：方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)控制器。FPGA功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA采用并行的I/O口方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制核心。由溫度傳感器送來的溫度信號(hào)，經(jīng)FPGA程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，控制加熱裝置動(dòng)作。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且其成本偏高，引腳較多，硬件電路布線復(fù)雜。OutputOutput顯示電路加熱裝置測(cè)溫部分鍵盤輸入控制部分Input圖1.2.1系統(tǒng)基本模塊方框圖方案二：采用模擬運(yùn)算放大器組成PID控制系統(tǒng)。對(duì)于水溫控制是足夠的。但要附加顯示、溫度設(shè)定等功能，要附加許多電路，稍顯麻煩。方案三：采用ATMEL公司的AT89C52作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨戏治鰯M訂方案三，由AT89C52作為控制核心，對(duì)溫度采集和實(shí)時(shí)顯示以及加熱裝置進(jìn)行控制。（2）加熱裝置有效功率控制模塊根據(jù)題目，可以使用熱得快進(jìn)行加熱，控制電熱爐的功率即可以控制加熱的速度。當(dāng)水溫過高時(shí)，關(guān)掉熱得快進(jìn)行降溫處理，讓其自然冷卻。在制作中，當(dāng)需要加熱時(shí)開啟熱得快。由于加熱的功率較大，考慮到簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，我們直接采用220V電源。對(duì)加熱裝置控制模塊有以下兩種方案：方案一：采用可控硅來控制加熱器有效功率?？煽毓枋且环N半控器件，應(yīng)用于交流電的功率控制有兩種形式：控制導(dǎo)通的交流周期數(shù)達(dá)到控制功率的目的；控制導(dǎo)通角的方式控制交流功率。由交流過零檢測(cè)電路輸出方波經(jīng)適當(dāng)延時(shí)控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，延時(shí)時(shí)間即移相偏移量由溫度誤差計(jì)算得到。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電單個(gè)周期有效值周期性控制，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。該方案電路稍復(fù)雜，需使用光耦合驅(qū)動(dòng)芯片以及變壓器等器件。但該方案可以實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，因此響應(yīng)速度快，控制精度也高。方案二：采用繼電器控制。使用繼電器可以很容易實(shí)現(xiàn)地通過較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無需外加光耦，自身即可實(shí)現(xiàn)電氣隔離。這種電路無法精確實(shí)現(xiàn)電熱絲功率控制，電熱絲只能工作在最大功率或零功率，對(duì)控制精度將造成影響。但可以由多路加熱絲組成功率控制，由單片機(jī)對(duì)溫差的處理實(shí)現(xiàn)分級(jí)功率控制提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。基于以上分析以及現(xiàn)有器件限制選擇方案二，采用繼電器控制省去光耦和交流過零檢測(cè)電路，在軟件上選用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，同樣可以達(dá)到較好的效果。（3）溫度采集模塊題目要求溫度靜態(tài)誤差小于等于0.2℃，溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，本設(shè)計(jì)要對(duì)溫度進(jìn)行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該溫度采集模塊有以下三種方案：方案一：利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻隨溫度變化而變化，用儀表測(cè)量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應(yīng)的溫度值。最常用的的是鉑電阻傳感器，鉑電阻在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫的條件下其物理，化學(xué)性質(zhì)不變。由鉑電阻阻值的變化經(jīng)小信號(hào)變送器XTR101將鉑電阻隨溫度變化的轉(zhuǎn)換為4～20mA線形變化電路，再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，送到A/D轉(zhuǎn)換器——ADC0809.即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該方案線性度優(yōu)于0.01％。方案二：采用溫度傳感器AD590K。AD590K具有較高精度和重復(fù)性，良好的非線性保證±0.1℃的測(cè)量精度。加上軟件非線性補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。AD590將溫度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，因此要加相應(yīng)的調(diào)理電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。送入8為A/D轉(zhuǎn)換器，可以獲得255級(jí)的精度，基本滿足題目要求。方案三：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量?？芍苯优c單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡(jiǎn)單。如圖1.2.2所示。圖1.2.2DS18B20測(cè)溫電路基于以上分析和現(xiàn)有器件所限，溫度采集模塊選用方案三。DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面帶來了令人滿意的效果。（4）鍵盤與顯示模塊 根據(jù)題目要求，水溫要由人工設(shè)定，并能實(shí)時(shí)顯示溫度值。對(duì)鍵盤和顯示模塊有下面兩種方案：方案一：采用液晶顯示屏和通用矩陣鍵盤。液晶顯示屏（LCD）具有功耗小、輕薄短小無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于只需顯示三位溫度值，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器資源占用較多，其成本也偏高。方案二：采用三位LED七段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。按鍵采用單列3按鍵進(jìn)行溫度設(shè)定。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化，對(duì)外界環(huán)境要求較低。同時(shí)數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。根據(jù)以上論述，采用方案二。本系統(tǒng)中，采用了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部資源。1.2.2系統(tǒng)各模塊的最終方案根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案：1.采用AT89C52單片機(jī)作為控制器，分別對(duì)溫度采集、LED顯示、溫度設(shè)定、加熱裝置功率控制。2.溫度測(cè)量模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。此器件經(jīng)軟件設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量。3.熱得快有效功率控制采用繼電器控制，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單實(shí)用，加上溫度變化緩慢可以滿足設(shè)計(jì)要求。4.顯示用LED數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度值，用ENTER、UP、DOWN三個(gè)單鍵實(shí)現(xiàn)溫度值的設(shè)定。OutputOutputLED數(shù)碼管繼電器DS18B20鍵盤輸入AT89C52Input圖1.2.3系統(tǒng)基本框圖系統(tǒng)的基本框圖如圖1.2.3所示。CPU（AT89C52）首先寫入命令給DS18B20，然后DS18B20開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通過89S52來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果就顯示到數(shù)碼管上。另外由鍵盤設(shè)定溫度值送到單片機(jī)，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)處理發(fā)出溫度控制信息到繼電器。DS18B20可以被編程，所以箭頭是雙向的。2.硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件模塊關(guān)系本系統(tǒng)的執(zhí)行方法是循環(huán)查詢執(zhí)行的，鍵盤掃描也是用循環(huán)查詢的辦法，由于本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以沒有用到中斷方式來處理。各模塊關(guān)系圖如圖2.1.1所示。單片機(jī)初始話模塊單片機(jī)初始話模塊繼電器控制模塊鍵盤掃描模塊（掃描有無Enter鍵按下）DS18B20得到溫度值，存放到Buffer中處理溫度值，換算成BCD碼溫度顯示模塊圖2.1.1統(tǒng)硬件模塊關(guān)系圖2.2主要單元電路的設(shè)計(jì)2.2.1溫度采集部分設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體溫度傳感器作為敏感元件。傳感器我們采用了DS18B20單總線可編程溫度傳感器,來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和轉(zhuǎn)換，直接輸出數(shù)字量，可以直接和單片機(jī)進(jìn)行通訊，大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度。DS18B20應(yīng)用廣泛，性能可以滿足題目的設(shè)計(jì)要求。DS18B20的測(cè)溫電路如圖2.2.1所示。圖2.2.1DS18B20測(cè)溫電路（1）DSI8B20的測(cè)溫功能的實(shí)現(xiàn)：其測(cè)溫電路的實(shí)現(xiàn)是依靠單片機(jī)軟件的編程上。當(dāng)DSI8B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的0，1字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0．0625℃／LSB形式表示。溫度值格式如表2.2.1所示，其中“S”為標(biāo)志位，對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。DSI8B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值與TH做比較，若T>TH或T<TL，則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令做出響應(yīng)。表2.2.1DS18B20溫度值格式表LSByteMSByteSSSSS（2）、DSl820工作過程中的協(xié)議初始化->RoM操作命令->存儲(chǔ)器操作命令->處理數(shù)據(jù)①初始化單總線上的所有處理均從初始化開始②ROM操作命令總線主機(jī)檢測(cè)到DSl820的存在便可以發(fā)出ROM操作命令之一這些命令如表2.2.2所示表2.2.2ROM操作命令表指令代碼ReadROM(讀ROM)33HMatchROM(匹配ROM)55HSkipROM(跳過ROM]CCHSearchROM(搜索ROM)F0HAlarmsearch(告警搜索)ECH③存儲(chǔ)器操作命令如表2.2.3所示表2.2.3存儲(chǔ)器操作命令表指令代碼WriteScratchpad(寫暫存存儲(chǔ)器)

4EHReadScratchpad(讀暫存存儲(chǔ)器)BEHCopyScratchpad(復(fù)制暫存存儲(chǔ)器)

48HConvertTemperature(溫度變換)44HRecallEPROM(重新調(diào)出)B8HReadPowersupply(讀電源)

B4H（3）溫度轉(zhuǎn)換算法及分析由于DS18B20轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實(shí)際的溫度值，所以要進(jìn)行計(jì)算轉(zhuǎn)換。溫度高字節(jié)（MSByte）高5位是用來保存溫度的正負(fù)（標(biāo)志為S的bit11～bit15），高字節(jié)（MSByte）低3位和低字節(jié)來保存溫度值（bit0~bit10）。其中低字節(jié)（LSByte）的低4位來保存溫度的小數(shù)位（bit0~bit3）。由于本程序采用的是0.0625的精度，小數(shù)部分的值，可以用后四位代表的實(shí)際數(shù)值乘以0.0625，得到真正的數(shù)值，數(shù)值可能帶幾個(gè)小數(shù)位，所以采取小數(shù)舍入，保留一位小數(shù)即可。也就說，本系統(tǒng)的溫度精確到了0.1度。算法核心：首先程序判斷溫度是否是零下，如果是，則DS18B20保存的是溫度的補(bǔ)碼值，需要對(duì)其低8位（LSByte）取反加一變成原碼。處理過后把DS18B20的溫度Copy到單片機(jī)的RAM中，里面已經(jīng)是溫度值的Hex碼了，然后轉(zhuǎn)換Hex碼到BCD碼，分別把小數(shù)位，個(gè)位，十位的BCD碼存入RAM中。2.2.2加熱控制部分由于本系統(tǒng)要控制熱得快加熱，功率較大，因此要借助功率電路。在器件選擇上留足余量，增加安全性。加熱部分采用繼電器控制，電路簡(jiǎn)單可靠。電路如圖2.2.2所示。當(dāng)實(shí)測(cè)溫度低于設(shè)定值時(shí)，由單片機(jī)輸出高電平信號(hào)。三極管9014導(dǎo)通，繼電器開始工作對(duì)水加溫。為了防止繼電器頻繁動(dòng)作。在軟件中對(duì)水溫測(cè)量精確到0.1℃，而在溫度設(shè)定時(shí)只取整數(shù)?？梢杂?℃的余量。當(dāng)設(shè)定溫度低于實(shí)測(cè)溫度時(shí)為了加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，設(shè)置一個(gè)小功率電扇，加速水溫的降低。使系統(tǒng)整體性能得以提高。原理圖如圖2.2.3所示。2.2.3鍵盤、顯示、控制器部分本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示方式驅(qū)動(dòng)3個(gè)七段數(shù)碼管，分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)位。數(shù)碼管采用共陰極，由于AT89C52單片機(jī)每個(gè)I/O的拉電流只有1—2mA。所以在位碼和段碼都加上了同相驅(qū)動(dòng)器。鍵盤采用按鍵開關(guān)經(jīng)上拉電阻分別接P1.0、P1.1、P1.2口上，起到控制、上調(diào)和下調(diào)作用。每按上調(diào)和下調(diào)鍵，設(shè)定溫度值增1減1。單片機(jī)XTAL2、XTAL1接12MHZj晶振，提供系統(tǒng)時(shí)鐘基值。另RESET接復(fù)位按鍵。原理圖如圖2.2.4所示。圖2.2.2繼電器控制圖2.2.3鍵盤、顯示、控制器部分原理圖3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用匯編語言，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行變成實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。主程序?qū)δK進(jìn)行初始化，而后調(diào)用讀溫度、處理溫度、顯示、鍵盤、和繼電器各模塊。用的是循環(huán)查詢方式，來顯示和控制溫度。讀取DS18B20溫度模塊子程序每次對(duì)DA18B20操作時(shí)多要按造DS18B20工作過程中的協(xié)議進(jìn)行。初始化->RoM操作命令->存儲(chǔ)器操作命令->處理數(shù)據(jù)程序流程圖如圖3.1.1所示。3.2數(shù)據(jù)處理子程序由于DS18B20轉(zhuǎn)換后的代碼并不是實(shí)際的溫度值，所以要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于本程序采用的是0.0625的精度，小數(shù)部分的值，可以用后四位代表的實(shí)際數(shù)值乘以0.0625，得到真正的數(shù)值，數(shù)值可能帶幾個(gè)小數(shù)位，所以采取四舍五入，保留一位小數(shù)即可。也就說，本系統(tǒng)的溫度精確到了0.1度。首先程序判斷溫度是否是零下，如果是，則DS18B20保存的是溫度的補(bǔ)碼值，需要對(duì)其低8位（LSByte）取反加一變成原碼。處理過后把DS18B20的溫度Copy到單片機(jī)的RAM中，里面已經(jīng)是溫度值的Hex碼了，然后轉(zhuǎn)換Hex碼到BCD碼，分別把小數(shù)位，個(gè)位，十位的BCD碼存入RAM中。數(shù)據(jù)處理子程序流程圖如圖3.2.1所示。開始開始開始初始化DS18B20存在？ROM操作命令存儲(chǔ)操作命令讀取溫度值返回是否圖3.1.1讀取DS18B20溫度子程序流程圖返回返回?cái)?shù)據(jù)傳遞溫度是否為負(fù)？BCD碼轉(zhuǎn)換求補(bǔ)運(yùn)算圖3.2.1數(shù)據(jù)處理子程序流程圖3.3鍵盤掃描子程序按鍵功能：1.

Enter

→

P1.0(k2)控制鍵2.

Up→

P1.1(k3)加1鍵3.

Down

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P1.2(k4)減1鍵鍵盤子程序流程圖如圖3.3.1所示。開始開始ENTER_FLAG為1？ENTER鍵是否按下？是否有ENTER鍵按下？是否有UP鍵按下？是否有DOWN鍵按下？DISPLAY顯示返回主程序ENTER子程序FLAG=1UP子程序DOWN子程序是是是是是否否否否否圖3.3.1鍵盤子程序流程圖3.4主程序流程圖總模塊流程圖如圖3.1.1所示。本軟件設(shè)計(jì)采用循環(huán)查詢來處理各個(gè)模塊，溫度是緩慢變化量所以可以滿足性能要求。圖3.1.1所示為系統(tǒng)主程序流程圖否否初始化開始調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序DS18B20存在？數(shù)據(jù)處理子程序顯示子程序鍵盤掃描子程序繼電器控制子程序錯(cuò)誤處理顯示888是圖3.1.1主程序流程圖4.系統(tǒng)測(cè)試4.1靜態(tài)溫度測(cè)試測(cè)試方式：由于種種條件的限制，采用模擬加熱方式進(jìn)行測(cè)試。利用繼電器的指示燈來顯示繼電器的動(dòng)作。紅燈表示加熱，綠燈表示降溫。測(cè)量?jī)x器：空調(diào)溫度顯示屏測(cè)試結(jié)果如表4.1.1所示：表4.1.1測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度/℃2022252728測(cè)量溫度/℃19.822.124.726.827.6誤差/℃0.20.10.30.20.44.2動(dòng)態(tài)溫控測(cè)量測(cè)試方式：加熱方式用體溫對(duì)傳感器DS18B20進(jìn)行加熱。設(shè)定控制溫度，記錄超調(diào)溫度，穩(wěn)態(tài)誤差。超調(diào)溫度與加熱的功率有關(guān)，這里不再測(cè)量。測(cè)量?jī)x器：空調(diào)溫度顯示屏測(cè)量結(jié)果如表4.2.1所示：表4.2.1測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)設(shè)定溫度/℃29303335超調(diào)溫度/℃1.30.91.10.6穩(wěn)態(tài)誤差/℃0.20.40.20.44.3結(jié)果分析有以上的測(cè)量結(jié)果可見，系統(tǒng)基本上達(dá)到了所要求的指標(biāo)，靜態(tài)測(cè)溫的精度主要由DS18B20來決定。在控溫指標(biāo)中，影響系統(tǒng)的性能的因素很多。最關(guān)鍵的是加熱系統(tǒng)本身的物理性質(zhì)及控制算法。由于條件的限制，在本設(shè)計(jì)中采用體溫進(jìn)行測(cè)試。附錄1：產(chǎn)品使用說明本水溫控制系統(tǒng)能在0～99℃范圍內(nèi)設(shè)定任意溫度值，超出此范圍將有出錯(cuò)顯示888，之后返回到99℃或0℃。通過按ENTER鍵確認(rèn)開始溫度設(shè)定；P1.1的UP鍵為加1鍵，每按一次使設(shè)定溫度值加1℃P1.2的DOWN鍵為減1鍵，每按下一次設(shè)定溫度值減1℃。設(shè)置完溫度要在按ERTER鍵確認(rèn)溫度設(shè)定完成，之后顯示實(shí)測(cè)溫度值。當(dāng)溫度傳感器沒有接入時(shí)也將有出錯(cuò)提示顯示888。附錄2：元件清單元件數(shù)量（個(gè)）AT89S52112MHZ晶振1.21繼電器1數(shù)碼管3按鍵開關(guān)4發(fā)光二極管21K×8排阻1100Ω電阻33KΩ44.5KΩ1500Ω1200Ω1電解電容10μF130pF2插槽 4 面包板 2附錄3：系統(tǒng)硬件原理圖附錄4：軟件程序清單TIMELEQU0E0HTIMEHEQU0B1HTEMPHEADEQU36HBITSTDATA20HTIME1SOKBITBITST.1TEMPONEOKBITBITST.2TEMPLDATA26HTEMPHDATA27HTEMPHCDATA28HTEMPLCDATA29HTEMPDINBITP3.7ORG0000HLJMPSTARTORG0003HRETIORG000BHLJMPTOITORG0013HRETIORG0100HSTART:MOVSP,#60HCLSMEM:MOVR0,#20HMOVR1,#60HCLSMEM1:MOV@R0,#00HINCR0DJNZR1,CLSMEM1MOVTMOD,#00000001BMOVTH0,#TIMELMOVTL0,#TIMEHSJMPINITERROR:NOPLJMPSTARTNOPINIT:NOPSETBET0SETBTR0SETBEAMOVPSW,#00HCLRTEMPONEOKMAIN:LCALLDISP1JNBTIME1SOK,MAINCLRTIME1SOKJNBTEMPONEOK,MAIN2LCALLREADTEMP1LCALLCONVTEMPLCALLDISPBCDLCALLDISP1MAIN2:LCALLREADTEMPSETBTEMPONEOKLJMPMAINTOIT:PUSHPSWMOVPSW,#10HMOVTH0,#TIMEHMOVTL0,#TIMELINCR7CJNER7,#32H,T0IT1MOVR7,#00HSETBTIME1SOKT0IT1:POPPSWRETIINITDS1820:SETBTEMPDINNOPNOPCLRTEMPDINMOVR6,#0A0HDJNZR6,$MOVR6,#0A0HDJNZR6,$SETBTEMPDINMOVR6,#32HDJNZR6,$MOVR6,#3CHLOOP1820:MOVC,TEMPDINJCINITDS1820OUTDJNZR6,LOOP1820MOVR6,#64H DJNZR6,$SJMPINITDS1820RETINITDS1820OUT:SETBTEMPDINRETREADDS1820:MOVR7,#08HSETBTEMPDINNOPNOPREADLOOP:CLRTEMPDINNOPNOPNOPSETBTEMPDINMOVR6,#07HDJNZR6,$MOVC,TEMPDINMOVR6,#3CH DJNZR6,$RRCASETBTEMPDINDJNZR7,READLOOPMOVR6,#3CHDJNZR6,$RETWRITEDS1820:MOVR7,#08HSETBTEMPDINNOPNOPWRITELOP:CLRTEMPDINMOVR6,#07HDJNZR6,$RRCA;延時(shí)104微秒MOVTEMPDIN,CMOVR6,#34HDJNZR6,$SETBTEMPDINDJNZR7,WRITELOPRETREADTEMP:LCALLINITDS1820MOVA,#0CCHLCALLWRITEDS1820;跳過ROMMOVR6,#34H;延時(shí)104微秒DJNZR6,$MOVA,#44HLCALLWRITEDS1820;開始轉(zhuǎn)換MOVR6,34H;延時(shí)104微秒DJNZR6,$RETREADTEMP1:LCALLINITDS1820MOVA,#0CCHLCALLWRITEDS1820MOVR6,#34HDJNZR6,$MOVA,#0BEHLCALLWRITEDS1820MOVR6,#34HDJNZR6,$MOVR5,#09HMOVR0,#TEMPHEADMOVB,#00HREADTEMP2:LCALLREADDS1820MOV@R0,AINCR0READTEMP21:LCALLCRC8CALDJNZR5,READTEMP2MOVA,BJNZREADTEMPOUTMOVA,TEMPHEAD+0MOVTEMPL,AMOVA,TEMPHEAD+1MOVTEMPH,AREADTEMPOUT:RETCONVTEMP:MOVA,TEMPHANLA,#80HJZTEMPC1CLRCMOVA,TEMPLCPLAADDA,#01HMOVTEMPL,AMOVA,TEMPHCPLAADDCA,#00HMOVTEMPH,AMOVTEMPHC,#0BHSJMPTEMPC11TEMPC1:MOVTEMPHC,#0AHTEMPC11:MOVA,TEMPHCSWAPAMOVTEMPHC,AMOVA,TEMPLANLA,#0FHMOVDPTR,#TEMPDOTTABMOVCA,@A+DPTRMOVTEMPLC,AMOVA,TEMPLANLA,#0F0HSWAPAMOVTEMPL,AMOVA,TEMPHANLA,#0FHSWAPAORLA,TEMPLLCALLHEX2BCD1MOVTEMPL,AANLA,#0F0HSWAPAORLA,TEMPHCMOVTEMPHC,AMOVA,TEMPLANLA,#0FHSWAPAORLA,TEMPLCMOVTEMPLC,AMOVA,R7JZTEMPC12ANLA,#0FHSWAPAMOVR7,AMOVA,TEMPHCANLA,#0FHORLA,R7MOVTEMPHC,ATEMPC12:RETTEMPDOTTAB:DB00H,01H,01H,02H,03H,03H,04H,04H,05H,06HDB06H,07H,08H,08H,09H,09HRETDISPBCD:MOVA,TEMPLCANLA,#0FHMOV70H,AMOVA,TEMPLCSWAPAANLA,#0FHMOV71H,AMOVA,TEMPHCANLA,#0FHMOV72H,AMOVA,TEMPHCSWAPAANLA,#0FHMOV73H,AMOVA,TEMPHCANLA,#0F0HCJNEA,#10H,DISPBCD0SJMPDISPBCD