中药萃取中温度测控及通信模块的设计Word格式.docx
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由于中药生产的特殊性,原材料的利用率及产品的质量都与实际生产中的各个过程温度有着极大联系。
因此,根据不同需要控制制药设备的实时温度就成了中药萃取系统中的中的重中之重。
例如:
在中药提取过程中,加液溶媒步骤中控制加热水温度在80度左右。
单效浓缩器控制液位中需将药液沸点温度控制在60度左右(水溶液)。
精馏系统进液疏水系统控制进液温度在80度左右进入塔内。
干燥系统蒸汽加热中需开启凝水系统控制沸点温度控制在60度左右。
真空系统在生产过程中水箱温度超过30度应及时补充新水进行降温。
上诉的任一环节出了问题,都将会很大的影响生产效果。
因此,温度控制在中药提取过程中是一个非常重要的环节,控制量的精度和时间准确度直接影响着药品质量的好坏。
二、设计目的
针对中药萃取工艺中对温度的要求,再结合对中药提取控制系统生产线的了解,以及生产线的其它需求,本小组设计的中药萃取系统将会实现以下设计目标:
1、温度采集模块对同一设备或者不同设备进行多点采温,并实时传送到中
心控制器,并显示出来。
2、中心控制器根据对应设备的设定温度与接收到的温度值比较,若接收到的实时温度不在预定范围内,则通过报警模块作出相应报警提示。
3、当实时温度不在设定范围内时,启动相应的加热或降温设备。
4、在控制中心收到实时数据并显示出来的同时,利用无线通信技术将实时数据传至工作人员所在办公室,使工作人员知晓具体情况。
三、设计原理
根据本次设计内容,分为以下几个部分:
1、AT89C52
AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含8KB的可反复檫写的程存储器和12B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(CPU)和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型,与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
其主要工作特性是:
全片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器,可擦写寿命为1000次;
片内数据存储器内含256字节的RAM;
具有32根可编程I/O口线;
具有3个可编程定时器;
中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构;
串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口;
具有一个数据指针DPTR;
低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式;
具有可编程的3级程序锁定位;
AT89C52工作电源电压为5(1+0.2)V,且典型值为5V;
(1).8052单片机由CPU和8个部件组成,它们都通过片内单一总线连接,其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式,但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本组成如下图所示:
图18052基本结构图
(2).电源以及看门狗电路
a.电源电路
因为单片机工作电源为+5V,且底层电路功耗很小。
采用7805三端稳压片即可满足要求。
具体电路图如下:
图2看门狗电路
b.看门狗电路
考虑到底层电路板的工作环境相对恶劣,单片机会受到周围环境的干扰,而出现程序跑飞,死机、、、等一些不可预知的不正常工作现象。
工作人员也不可能到现场对单片机重起,本设计为单片机电路添加一个外部看门狗电路。
定时查询单片机的工作状态,一但发现异常即对单片机延时重起。
保证系统安全可靠的运行。
NE56604能为多种微处理器和逻辑系统提供复位信号,其门限电平为4.2V。
在电源突然掉电或电源电压下降到低于门限电平时。
NE56604将产生精确的复位信号。
NE56604内置一个看门狗定时器,用于监控微处理器,以确保微处理器的正常运行。
看门狗能产生一个系统复位信号用来终止任何由于微处理器故障而引发的不正常的系统操作。
NE56604的看门狗的监控周期为100mS(典型值)。
特性:
.正负双逻辑输出的有效复位信号。
.精准的门限电平监测。
.上电复位内部延时。
.可利用外部电阻调节的内部看门狗定时器。
.看门狗定时器的监控周期为100mS典型值。
.VCC=0.8VDC时产生有效的复位信号典型值。
.仅需很少的外围元件。
具体电路图如下:
图3NE56604的看门狗
2、显示模块
1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM,显示效果也不好)。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。
管脚功能:
1602采用标准的16脚接口,其中:
1:
VSS为电源地
2:
VCC接5V电源正极
3:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
4:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5:
RW为读写信号线,高电平
(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。
6:
E(或EN)端为使能(enable)端,高电平
(1)时读取信息,负跳变时执行指令。
7~14:
D0~D7为8位双向数据端。
15~16:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
图41602显示模块
3、温度采集模块
本次设计采用的温度传感器为DS18B20。
在种类众多的温度传感器中,DS18B20精度高,可靠性高,体积超小,硬件开消超低,极强抗干扰能力,附加功能强,选它作为中药萃取系统的温度传感器符合实际。
DS18B20的主要特征:
全数字温度转换及输出;
最高12位分辨率,精度可达土0.5摄氏度;
12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒;
可选择寄生工作方式;
检测温度范围为–55°
C~+125°
C(–67°
F~+257°
F)内置EEPROM,限温报警功能;
64位光刻ROM,内置产品序列号,方便多机挂接;
多样封装形式,适应不同硬件系统。
DS18B20芯片封装结构如图:
图5DS18B20芯片封装结构
DS18B20引脚功能:
GND:
电压地,DQ:
单数据总线,VDD:
电源电压,NC:
空引脚。
DS18B20内部结构
(1)DS18B20的内部结构如下图所示。
图6DS18B20内部结构图
DS18B20有4个主要的数据部件:
①64位激光ROM,64位激光ROM从高位到低位依次为8位CRC、48位序列号和8位家族代码(28H)组成。
②温度灵敏元件。
③非易失性温度报警触发器TH和TL。
可通过软件写入用户报警上下限值。
④配置寄存器。
配置寄存器为高速暂存存储器中的第五个字节。
DS18B20在0工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值,其各位定义如图所示。
TM
R1
R0
1
MSB
DS18B20配置寄存器结构图
LSB
其中,TM:
测试模式标志位,出厂时被写入0,不能改变;
R0、R1:
温度计分辨率设置位,其对应四种分辨率如下表所列,出厂时R0、R1置为缺省值:
R0=1,R1=1(即12位分辨率),用户可根据需要改写配置寄存器以获得合适的分辨率。
配置寄存器与分辨率关系表:
温度计分辨率/bit
最大转换时间/us
9
93.75
10
187.5
11
375
12
750
(2)高速暂存存储器
高速暂存存储器由9个字节组成,其分配如下图所示。
当温度转换命令发布后,经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。
单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式如图所示。
对应的温度计算:
当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;
当S=1时,先将补码变为原码,再计算十进制值。
温度低位
温度高位
TH
TL
配置
保留
8位CRC
DS18B20存储器映像图
温度值格式图DS18B20温度数据表:
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
S
26
25
24
典型对应的温度值表:
温度/℃
二进制表示
十六进制表示
+125
+25.0625
+10.125
+0.5
-0.5
-10.125
-25.0625
-55
0000011111010000
0000000110010001
0000000010100010
0000000000001000
0000000000000000
1111111111111000
1111111101011110
1111111001101111
1111110010010000
07D0H
0191H
00A2H
0008H
0000H
FFF8H
FF5EH
FE6FH
FC90H
DS18B20最大的特点是单总线数据传输方式,DS18B20的数据I/O均由同一条线来完成。
硬件连接电路如下图:
图7硬件连接
本系统为多点温度测试。
DS18B20采用外部供电方式,理论上可以在一根数据总线上挂256个DS18B20,但时间应用中发现,如果挂接25个以上的DS18B20仍旧有可能产生功耗问题。
另外单总线长度也不宜超过80M,否则也会影响到数据的传输。
在这种情况下我们可以采用分组的方式,用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。
在实际应用中还可以使用一个MOSFET将I/O口线直接和电源相连,起到上拉的作用。
图818b20硬件连接
对DS18B20的设计,需要注意以下问题:
(1)对硬件结构简单的单线数字温度传感器DS18B20进行操作,需要用较为复杂的程序完成。
编制程序时必须严格按芯片数据手册提供的有关操作顺序进行,读、写时间片程序要严格按要求编写。
尤其在使用DS18B20的高测温分辨力时,对时序及电气特性参数要求更高。
(2)有多个测温点时,应考虑系统能实现传感器出错自动指示,进行自动DS18B20序列号和自动排序,以减少调试和维护工作量。
(3)测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线,其中一对线接地线与信号线,另一组接VCC和地线,屏蔽层在源端单点接地。
DS18B20在三线制应用时,应将其三线焊接牢固;
在两线应用时,应将VCC与GND接在一起,焊接牢固。
若VCC脱开未接,传感器只送85.0℃的温度值。
(4)实际应用时,要注意单线的驱动能力,不能挂接过多的DS18B20,同时还应注意最远接线距离。
另外还应根据实际情况选择其接线拓扑结构。
4、报警提示及温度控制模块
本模块分为语音报警模块和灯光报警模块。
(1)、语音报警:
当任一采温点的温度传感器采集的实时值低于设定值时,蜂鸣器响,发出报警信号。
同时启动该对应点设备的加热器,升高设备温度。
图9语音报警
(2)、灯光报警:
当某一采温点的温度传感器采集的实时值高于设定值时,该采温点对应的报警指示灯亮。
同时启动该点对应的降温设备。
图10灯光报警
(3)、电机转动降温,当某一采温点的温度传感器采集的实时值高于设定值时,该采温点对应的报警指示灯亮。
电机启动该点对应的降温设备。
图11电机驱动电路
5、无线通信模块
设计无线通信模块,在控制中心收到实时数据并显示出来的同时,利用无线通信将实时数据传至工作人员所在办公室,使工作人员知晓设备温度参数的具体情况。
(1)、无线通信模块的选型
常见无线传输方式有以下几种:
红外线通信(IRDA):
IRDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,主要优点有:
无需专门申请特定频率的使用执照;
体积小,功耗低,成本低;
速率可达16Mb/s;
接受角度由传统的30度扩展到120度。
IRDA的缺点有:
IRDA是一种视觉传输技术,两个具有IRDA端口的设备之间传输数据,中间不能有阻挡物;
IRDA设备中的核心部件——红外线LED不是一种十分耐用的器件。
蓝牙(Bluetooth):
蓝牙(Bluetooth)是由爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等5家公司联合制定近距离无线通信技术标准。
它的传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM(工业、科学、医学)频段;
输速率为1Mbps;
有效传输距离一般为10m。
ZigBee:
Zigbee(HomeRF)即IEEE802.15.4协议的代名词。
Zigbee的频带:
868MHZ传输速率为20KB/S适用于欧洲;
915MHZ传输速率为40KB/S适用于美国;
2.4GHZ传输速率为250KB/S全球通用。
其它无线传输方式:
蜂窝网络(CellularNetwork):
GSM、CDMA、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000;
针对WLAN制定的802.11标准族,最常见的有三3个标准:
802.11b(第一代)、802.11a(第二代)、802.11g(第三代)。
(2)、HCI协议
HCI(HostControllerInterface)协议,即主机控制接口协议,属于蓝牙协议栈的一部分,是蓝牙规范定义的一个符合标准的接口,它适用于蓝牙通讯模块的硬件部分。
此定义描述了位于HCI驱动程序(主机的一部分,也即蓝牙通讯模块的使用者)和主机控制器固件(蓝牙通讯模块本身的一部分)之间的接口。
HCI固件通过访问基带命令、硬件状态寄存器、控制寄存器以及时间寄存器实现对蓝牙硬件的HCI指令。
HCI传输层是蓝牙主机与蓝牙主控制器之间的物理接口。
目前,蓝牙HCI传输层的物理接口由通用串行总线(USB)、串行端口(RS232)、通用异步收发器(UART)和个人计算机存储卡。
(3)、HC-06蓝牙模块部分电路
HC-06蓝牙模块主要性能参数:
频率:
2.4GHzISMband
调制方式:
GFSK
发射功率等级:
class2
灵敏度:
≦-80dBm
通信速率:
2Mbps
供电电源:
3.3V
工作温度:
-20~+55℃
HC-06蓝牙模块部分电路图如图:
图12HC-06蓝牙模块部分电路
左边部分为蓝牙芯片,其TX与RX引脚分别接STC89C52的RXD(P3.0)和TXD(P3.1),PIO1接LED灯,当LED常亮时表示蓝牙数据开始传输。
右上部分为电源+5V转为+3.3V电路。
HC-06蓝牙模块实物如图:
图13HC-06蓝牙模块
四、设计过程
1、硬件设计
1、根据本次设计所需要实现的功能,列出将会涉及到的元器件及其它物品清单,见附录一。
2、用Proteus软件设计出电路,见附录二。
3、根据所设计的电路图,将系统实体焊接在电路板上,如图:
图14控制、显示、蓝牙(Bluetooth)数据发射系统
图15温度采集、报警、降温系统
2、软件设计
根据所要实现的功能,设计出单片机控制程序,见附录二。
3、仿真
结合Proteus和Keil软件,将设计的程序与电路在电脑上仿真,由于蓝牙(Bluetooth)没有相应的仿真元件,故蓝牙(Bluetooth)不能进行仿真。
仿真的其它模块的效果图如下:
图16系统运行前
图17设定1号温度采集点的预设值
图18设定2号温度采集点的预设值
图19系统仿真运行效果图
4、实体系统的实现及调试
将程序写入实体系统的单片机,运行并多次调试,实现设计功能,如图八:
图20实体运行效果图
五、设计结果
根据设计功能,部分效果图效果:
图21设定预设温度
图22实时温度低于预设值时报警指示灯亮
图23实时温度高于预设值时降温设备(电机)启动
六、问题总结及分析
1、蓝牙(Bluetooth)数据发送模块与电脑蓝牙接收为何不能配对?
解决方案:
在自己了解的蓝牙(Bluetooth)技术知识基础上,咨询淘宝售卖该蓝牙(Bluetooth)模块的商家,得到更为详细的技术资料,还有商家的详细技术指导,最终解决这一问题。
2、单片机输出的电机控制信号不能控制控制电机起停的继电器。
记过反复实验发现造成上问题的原因是单片机发出的控制信号太弱,于是在控制信号上加上了一个功率放大器,结果控制信号依然太弱不足以控制继电器,于是再加一个功率放大器,最后实现了单片机输出信号控制电机起停。
3、将所有系统模块一起进行测试时,不能运行。
解决方案:
检查出是线路短路导致上诉问题。
具体原因在于最初灯光报警系统的设计是将报警信号灯的正极接至电源正极,用控制报警信号控制信号灯负极,控制信号为0时报警信号灯亮,但此时报警信号灯的两端加的是5V电压,导致系统第一次运行时报警信号灯就烧毁,更为严重的是它烧毁后使该线路直接短路。
最后的解决方法是将报警信号灯负极接地,用控制信号控制其正极,实验表明,该方案是可行的。
4、用一个电源负载该系统中包括电机在内的所有模块时,系统不能正常工作。
查明是电机负载过大或者有关电机的其它原因导致系统出现上诉问题。
解决办法是为电机模块单独供电。
并且设计电机的额定电压为3.3V,系统提供的电压为5V不适合为该电机供电。
七、心得体会
本次设计基本完成了预期的目标,系统在硬件自动测试,键盘操作,实时显示方面做的比较好。
但是由于时间仓促、条件有限,设计成果并不是很完美,还存在下面问题:
串口通讯不稳定,未对温度数值统计处理以及存储,蓝牙只做了发送数据,没有做到双向通信。
我准备在今后的工作过程中进一步完善此设计。
在本次课程设计中,在收获知识的同时,还收获了阅历,收获了成熟,在此过程中,我们通过查找大量资料,请教老师,以及不懈的努力,不仅培养了独立思考、动手操作的能力,在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是,在做课程设计时,我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战,只有不断的学习、实践,再学习、再实践。
而且,这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后,不管有多苦,我想我们都能变苦为乐,找寻有趣的事情,发现其中珍贵的事情。
与队友的合作更是一件快乐的事情,只有彼此都付出,彼此都努力维护才能将作品做的更加完美。
八、参考文献
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87-88.用,2010,29(18):
58-60.
附录
附录一:
中药萃取系统元器件系统元器件清单
名称
型号
规格
数量
备注
单片机
89c52
座子(52的)
晶振
11.0592MHz
2
有极电容
1uf
电容
30pf
4
105
5
用于MAX232外围电路
MAX232
串口公头
按钮
复位或通过按键加减设定值
开关
用于控制总电源
电阻1
5.1k
电阻2
10k
电阻3
4.7k
可变电阻
排阻
RESP
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 中药 萃取 温度 测控 通信 模块 设计