基于 AVR 的果蔬保鲜陈列柜控制系统

基于 AVR 的果蔬保鲜陈列柜控制系统
岑康华;王海林;吕恩利;傅涛;唐本源
【摘要】Taking open type fruit and vegetable fresh-keeping display cabinet as design platform , a kind of control sys-tem regarded AVR series of ATmega 16 microprocessor as the core was developed , it based on ICCV7 for AVR software development platform and using C programming language .Through the acquisition of preservation parameters of tempera-ture and relative humidity , using the method of double limit to control cooling and humidifying equipment work , which a-chieve integrated control of temperature and relative humidity on the storage rack of fruits and vegetables fresh -keeping display cabinet .The experimental results showed that:the system could correctly collect the fresh-keeping parameters of fruits and vegetables in the fresh environment , and according to the result of logical judgment to control the work of asso-ciated actuator real-time and accurately , and the stability of control system is good .%以敞开式果蔬保鲜陈列柜为设计平台，开发了以 AVR 系列ATmega 16微处理器为核心的控制系统。

系统基于ICCV 7 for AVR 软件开发平台，使用C语言编程实现。

通过采集保鲜环境温度和相对湿度保鲜参数，使用双限值控制方法，控制制冷、加湿等执行设备工作，实现对果蔬保鲜陈列柜货架区温度和相对湿度的综合调控。

试验结果表明：该系统能准确地采集保鲜环境内各保鲜参数的变化，且能够根据逻辑判断结果实时、准确地控制相应执行机构工作，工作稳定性良好。

【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】5页(P127-131)
【关键词】果蔬;控制系统;陈列柜;温度;相对湿度
【作者】岑康华;王海林;吕恩利;傅涛;唐本源
【作者单位】华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室; 华南农业大学工程学院，广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教
育部重点实验室; 华南农业大学工程学院，广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室; 华南农业大学工程学院，广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室; 华南农业大学工程学院，广州 510642;华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室; 华南农业大学工程学院，广州 510642
【正文语种】中文
【中图分类】S229+.3
随着人民生活水平的提高，对果蔬保鲜品质提出了更高的要求。

低温货架销售是果蔬冷链中一个重要环节，是保障果蔬品质的有效方法
[1]。

保鲜陈列柜是冷藏销售的主要设备，主要用于冷饮、果蔬和肉类等食品的保温
[2-5]。

保鲜环境中温度和相对湿度2个参数是保障果蔬品质的重要因素
[6-9]。

将保鲜陈列柜保鲜环境温度和相对湿度保持在果蔬的最佳条件范围对保持产品品质、延长果蔬保鲜周期有着非常重要的作用。

本文以敞开式果蔬保鲜陈列柜为平台，开发以
AVR系列
ATmega16微处理器为核心的控制系统。

该系统基于
ICCV7
for
AVR开发平台，使用
C语言编程，采集保鲜环境温度和相对湿度保鲜参数，控制制冷、加湿等执行设备工作，以期为果蔬货架期贮藏保鲜装备控制系统的设计提供依据。

该控制系统主要由3部分组成：控制主机、信号采集变送器和执行机构。

系统采用的
AVR系列微处理器
ATmega16单片机，具有32个8位通用工作寄存器，8路10位
ADC(模数转换器)，8个单端通道，32个可编程的
I/
O口，40引脚
PDIP封装。

其工作电压
为4.5～5.5
V，正常电流为1.1
系统结构框图如图1所示。

以
ATmega16为核心，通过模拟开关实现分时复用，利用1路
ADC通道采集温度和湿度传感器的模拟信号。

数字化的传感器信号经
ATmega16逻辑判断、处理后，经过功放电路控制相应继电器通断，实现制冷机组和加湿设备等执行机构的控制，同时传感器采集的各类传感器数字信号通过液晶显示屏实时显示。

2.1 电源电路
系统供电模块是以三端稳压块
LM7805为核心的调压电路。

供电电源提供24
V直流电压，而逻辑控制单元芯片的工作电压为5
V，因此需要一个电压转换的过程；使用线性稳压块
LM7805，电路简单、容易实现，对于要求不是很高的电源电路而言非常实用。

系统电源电路如图2所示。

2.2 保鲜参数采集
果蔬保鲜陈列柜保鲜参数主要包括温度和相对湿度信号等，各传感器参数技术特征如表1所示。

传感器信号采集电路图如图3所示。

利用
ATmega16单片机自带的10位分辨率
ADC单端输入电压进行传感器信号采集(如图3中单片机
ATmega16模拟输入口与
BM的
Sensor连接)，为节省单片机硬件资源的开支，采用模拟开关
CD4051实现分时复用，轮流采集温度和相对湿度传感器的模拟信号。

CD4051
BM最多可以实现8路模拟信号的输入，从而提高了系统的可拓展性。

传
感器输出电流信号并联的电阻(图3中的R10和R11)转换为电压信号。

2.3 执行机构控制
执行机构主要包括制冷设备、超声波雾化加湿装置和水泵，控制电路如图4所示。

为实现执行机构控制的安全可靠，采用如下方法：①光电耦合器
TLP521-4实现控制信号与执行电路的隔离；②通过集成芯片
ULN2003放大驱动信号驱动负载。

2.4 人机交互实现
为了满足不同类型果蔬的保鲜需求，控制系统设计了果蔬保鲜参数范围,通过键盘
输入，设定内容包括温度上、下限值和湿度上、下限值。

如图5所示，通过单片
机的
PC0～
PC6接口接收键盘的输入信号。

针对系统只需显示温度和湿度两个简单参数的特点，系统采用液晶显示屏1602作为显示模块。

图6所示为1602液晶模块接口电路的实现方法。

果蔬保鲜陈列柜控制系统主要实现监测保鲜陈列柜保鲜区域环境的温度和湿度实时
参数，根据实时监测结果进行逻辑运算、决策，输出控制信号，控制制冷机组和加湿设备等执行机构工作，从而将陈列柜保鲜环境参数控制在果蔬最佳的保鲜范围。

根据保鲜对象不同、所需的环境条件不尽相同的特点，控制系统提供了人机交互的功能:一方面，操作人员可以将保鲜参数范围通过键盘输入到控制单元，以确保适合不同的保鲜对象；另一方面，为操作人员实时了解系统的保鲜参数变化过程，系统通过液晶显示屏显示温度和湿度的实时值。

控制系统主程序流程如图7所示。

3.1 初始化
根据单片机开发的内容，单片机资源应该先定义后使用。

系统开发使用到单片机的功能有基本
I/
O、定时器、输入捕捉和
A/
D转换。

因此，系统需要进行端口初始化、定时器初始化、输入捕捉初始化和
A/
D转换初始化,以保证控制系统的正常工作。

3.2 信号采集
使用
ATmega16内部自带的10位分辨率
ADC单端输入电压进行信号采集，选择片内2.56
V参考电压。

10位分辨率
ADC输出值范围为0～1024，对应于片内的参考电压0～2.56
V。

传感器输出电流信号，其输出范围为4～20
mA，经过100
Ω电阻转为0.4～2.0
V，对应的
AD值为160-800，由此可得到测量值计算公式为
其中，x为测量值，单位为℃或%；ad为模拟数字转换值；HS为传感器量程的上限，单位为℃或%；LS为传感器量程的下限，单位为℃或%。

根据片内
ADC工作条件，采用连续转换模式，由于
ADC第一次转换值波动较大，因此采用9次循环转换，去掉第1次转换值；转换结束后保存转换结果，再经过算术平均滤波法滤波，同时返回转换结果，然后进行决策判断并显示出来。

A/
D转换过程如图8所示。

3.3 键盘输入
保鲜参数设定由键盘输入，设定内容包括温度上、下限值和湿度上、下限值。

保鲜参数设定流程如图9所示。

系统每个循环进行一次键盘扫描，判断是否有按键被按下，如果有按键被按下，判断键值是否需要进行参数设定。

参数设定时，中断主程序的执行并进入参数设定子函数执行，参数设定完成后通过确定键返回。

有7个独立键盘负责温湿度参数的设定，包括温湿度切换按钮
K
1 和
K
2，上下限选择按钮
K
3 和
K
4，数值增加和减少按钮
K
5 和
K
6，确定按钮
K
7。

4.1 试验平台
系统以敞开式果蔬保鲜陈列柜为平台，其总体结构如图10所示。

陈列柜整体规格为2000
mm×1000
mm×1500
mm(长×宽×高)，前部敞开采用单层风幕。

陈列柜主要由制冷系统、超声波加湿系统和通风系统组成。

通风系统的循环分成两部分实现，一部分通过陈列柜侧壁上的出风口送出以保证柜内低温并使温度分布均匀；另一部分通过蜂窝式送风隔栅送出以形成冷风幕。

冷风幕的作用是实现外界热空气与保鲜区域冷空气间热传递的隔离。

底部搁架下风机安装板上固定循环风机，循环风机入风口前面安装超声波加湿装置，包括超声波加湿器。

执行机构及其特性如表2所示。

4.2 传感器校验
4.2.1 试验方法
分别在温度传感器检测点(图10中位置3)和相对湿度传感器检测点(图10中位置5)位置处布置同样型号的温度和相对湿度传感器，启动循环风扇，同时记录两组温度和相对湿度传感器数据(人工记录控制过程的测量值，数据采集仪记录辅助传感器数据)的变化。

4.2.2 试验结果与分析
结果显示，温度、相对湿度在控制过程中测得值与记录仪采集的数据基本一致(考虑到温度和相对湿度传感器采集精度允许误差，如表1所示)。

这表明该系统的传感器技术特征符合设计要求。

4.3 综合控制试验
4.3.1 试验方法
为了验证系统控制过程的准确性和稳定性，进行了系统的自动控制试验。

保鲜参数设定范围：温度为7～11℃，相对湿度为75%～90%；外界环境温度为
(23.5±1)℃，相对湿度为(78±3)%。

自动控制过程中，开启循环风扇，并且每隔30
s记录一次液晶显示屏显示的温度和湿度保鲜参数。

其变化曲线如图11所示。

试验过程中，同时在控制系统温湿度传感器安装位置放置型号相同的温度传感器和湿度传感器，并通过数据采集仪进行传感器信号采集，数据存储于计算机上。

4.3.2 试验数据分析
由图11可知，试验过程耗时107
min，实现5个循环的温、湿度调节过程。

首次把温度和湿度参数控制在
保鲜范围的下限和上限分别用时14
min和24
min，首次加湿过程湿度参数受制冷的影响，湿度有一个下降的过程。

使用数据统计分析软件
SPSS对控制系统的温湿度和采集仪采集温湿度用独立样本
T检验方法进行相关性分析，分析结果显示控制系统控制的温湿度和采集仪采集的温湿度没显著性差异。

试验表明：控制系统能够按照设定的控制流程执行，工作稳定、可靠，能有效地将陈列柜保险区域的保鲜参数控制在设定的范围内，而且控制误差在允许范围内。

1)系统以
AVR系列微处理器
ATmega16单片机为核心处理器，提供了高性能、低功耗实现方法。

2)利用
ATmega16单片机片内
ADC进行传感器信号采集，实现了控制系统设计精简化和工作可靠性，同时满足采集精度的要求。

3)通过
TLP521-4实现控制信号与执行电路的隔离，减少干扰，提高了系统的工作稳定性。

4)通过液晶显示屏显示和键盘输入，方便实现了人机交互功能。

5)果蔬保鲜陈列柜控制系统的试验结果表明：系统能够准确采集保鲜环境内保鲜参数的变化，并且根据逻辑判断结果实时、精确地控制相应执行机构工作，实现了果蔬保鲜陈列柜保鲜环境温湿度自动监控的目的。

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Agricultural
University,
Guangzhou 510642, China)
Key
words：
fruits
and vegetables;
control system;
display cabinets;
temperature; relative humidity。