本科毕设论文-—微波粮食烘干控制系统

1.概述
1.1 设计的目的和意义
我国是世界上最大的粮食生产和消费国家，年总产粮食约5亿吨。

据统计，我国粮食收获后在脱粒、晾晒、贮存、运输等过程中的损失达15%，远远超过联合国粮农组织规定的5%的标准。

在这些损失中，每年因气候潮湿，湿粮食来不及晒干或未达到安全水分造成霉变、发芽等损失的粮食高达5%，若按年产5亿吨粮食计算，相当于2500万吨粮食。

若每人每天食用1斤粮食，可供6。

8万人一年的用量，约合人民币250亿元。

吉林省是农业大省，粮食年产量约为225亿公斤，由于粮食含水量的问题，每年损失约占7%，约为15。

75亿公斤，折合人民币约为14亿元左右。

这些数字是惊人的，因此发展粮食干燥机械化技术，改变传统靠天吃饭的被动局面，使到手的粮食损失降低到最低点，从这一意义上说，粮食干燥的现代化比田间的农业机械化更为重要，也是粮食丰产、丰收的重要保障条件。

本毕业设计的目的是设计一个微波粮食烘干控制系统。

该系统是以89C51单片机为核心，利用单片机来控制电机旋转的圈数和磁控管的工作时间，从而将粮食的含水量控制在安全水之下。

1.2 国内外粮食烘干技术发展状况与趋势
现在很多粮食大国对粮食都采用微波或红外烘干技术，使粮食的质量得到明显的提高，而加工成本却得到明显下降，如美国和加拿大采用的是大型全自动、人机界面的微波或红外烘干加工系统。

而国内现有的粮食谷物烘干处理方式都是热风式烘干（燃油或燃煤），用于粮库、农场、种籽，和饲料加工等企业。

由卸粮、提升、清理、检厅，烘前仓、烘后仓、热风炉（油炉、煤炉）、电器及控制等单元组成。

我国现有的粮食烘干设备存在以下问题：
1、烘干时间过长，一般在2~3小时/吨
2、热风炉需要燃煤或燃油，造成了能源的大量消耗，而且造成了
大量的空气污染。

3、由于是燃煤或燃油，很容易造成粮食的烧焦或火灾，对粮食也
不卫生。

4、烘干不均匀，很难将水量控制在安全水范围内，造成了粮食和
饲料的大量损失。

5、整个工艺流程复杂，设备成本高，能耗大。

由于微波加热迅速、均匀、高效节能、易于控制及安全环保，并且加热、防霉、杀菌同步进行，与传统的加热方式相比有非常独到、非常优越的特点，所以与先进的控制技术和计算机技术相结合，微波烘干谷物、粮食等技术在我国将会被广泛采用。

1.3 微波的应用
近年来，微波技术在环保领域的应用十分活跃。

由于它具有快速、高效、资源回收利用率高、不会造成二次污染、成本低廉等优点，因而受到人们的青睐。

目前，微波技术主要应用于环保领域的以下几个方面：
1、制取活性炭生产工业。

以往多采用传统的氯化锌法制取活性炭，要消耗大量优质原材料，而且制取过程热利用率低、劳动强度大、成本高。

现在，国内科研机构正在开发微波－－氯化锌快速制取活性炭技术，可以有效地改变这种状况。

在微波辐射下，物料内部迅速被加热，由于氯化锌和水分子急剧挥发，造成物料有更显著的多孔结构，表面积增加。

实验证明，采用这种新技术，具有污染小、节能、缩短生产时间、操作易控制等优点，很有推广价值。

2、分解二氧化硫。

随着工业的不断发展，大气中二氧化硫的排放量日
渐增加。

采用微波碳还原法处理二氧化硫，将微波辐射到活性炭的表面，在微波作用下，通过吸附－－微波的循环方式，使二氧化硫与活性炭发生反应，生成二氧化碳和单质硫。

单质硫可用作化工原料，不存在二次污染。

该技术装置简单，投资少，使用方便，受到有关企业的欢迎。

3、分离、吸收原油乳液。

当原油从地下被开采出来时，含有一种可以分离出油料的乳液，但其中有５％为一种顽固性稳定乳液，通常只能大量废弃，其结果是在产油区形成一个个黑色的“沼泽湖”。

这种“沼泽湖”占据大片土地，且数量还在不断增长，成为亟待解决的环境问题。

为解决这一问题，国外科研机构开发出了原油淤泥微波脱油技术，并已实现工业化应用。

在操作中，首先用微波辐射原始乳液，然后再以连续流动的方式离心分离，其中油料回收率为９８％，残余固体可以进行填埋处理。

该装置便于携带，可以流动作业。

此外，微波辐射制备的高吸油树脂对浮油有很好的吸收作用，可以大幅度缩短完成聚合物交联反应过程所需要的时间，使吸油效率得到明显提高，因而将越来越多地得到应用。

4、回收电路板。

目前，全球每年报废的电路板数以百万计。

如采用填埋法处理这些电路板，会渗出剧毒重金属元素，造成地下水污染。

美国科学家开发出的微波回收法，先将电路板粉碎，放入坩锅中用微波加热，使其中的有机物挥发出来，再继续加热到１４００℃左右，余下的玻璃和金属等废料便熔化形成玻璃化物质，这种物质冷却后，金、银和其它金属就以小珠的形式分离出来，方便回收利用，余下的玻璃物质则可回收用作建筑材料。

5、抵御电磁波辐射。

鉴于电磁波辐射已成为新的环境污染因素，科研人员正在开展微波吸收材料的研究与开发。

研究表明，用铁砂制备铁氧体微波吸收剂，对电磁波有较大的衰减作用，将成为一种物美价廉的抵御电磁波辐射材料。

微波是频率在300兆赫到300千兆赫的电磁波(波长1米 - 1毫米），通常是作为信息传递而用于雷达、通讯技术中。

而近代应用中又将它
扩展为一种新能源，在工农业上用作加热、干燥；在化学工业中催使化学反应；在科研中激发等离子体等。

家用微波炉就是微波能应用的一个典型例子。

1. 4 微波加热烘干的原理
通常，一些介质材料由极性分子和非极性分子组成，在微波电磁场作用下，极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取向。

产生类似摩擦热，在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能，使介质温度出现宏观上的升高，这就是对微波加热最通俗的解释。

由此可见微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热。

对于金属材料，电磁场不能透入内部而是被反射出来，所以金属材料不能吸收微波。

水是吸收微波最好的介质，所以凡含水的物质必定吸收微波。

有一部份介质虽然是非极性分子组成，但也能在不同程度上吸收微波，其原理。

微波加热的特点： 1、加热速度快常规加热如火焰、热风、电热、蒸汽等，都是利用热传导的原理将热量从被加热物外部传入内部，逐步使物体中心温度升高，称之为外部加热。

要使中心部位达到所需的温度，需要一定的时间，导热性较差的物体所需的时间就更长。

微波加热是使被加热物本身成为发热体，称之为内部加热方式，不需要热传导的过程，内外同时加热，因此能在短时间内达到加热效果。

2、均匀加热常规加热，为提高加热速度，就需要升高加热温度，容易产生外焦内生现象。

微波加热时，物体各部位通常都能均匀渗透电磁波，产生热量，因此均匀性大大改善。

3、节能高效在微波加热中，微波能只能被加热物体吸收而生热，加热室内的空气与相应的容器都不会发热，所以热效率极高，生产环境也明显改善。

4、易于控制微波加热的热惯性极小。

若配用微机控制，则特别适宜于加热过程加热工艺的自动化控制。

5、低温杀菌、无污染微波能自身不会对食品污染，微波的热效应双重杀菌作用又能在较低的温度下杀死细菌，这就提供了一种能够较多保持食品营养成份的加热杀菌方法。

6、选择性加热微波对不同性质的物料有不同的作用，这一点对干燥作业有利。

因为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于含水量较低的部位这就是选择加热的特点。

烘干木材、纸张等产品时，利用这一特点可以做到均匀加热和均匀干燥。

值得注意的是有些物质当温度愈高、吸收性愈好，造成恶性循环，出现局部温度急剧上升造成过干，甚至炭化，对这类物质进行微波加热时，要注意制定合理的加热工艺。

7、安全无害在微波加热、干燥中，无废水、废气、废物产生，也无辐射遗留物存在，其微波泄漏也确保大大低于国家制定的安全标准，是一种十分安全无害的高新技术。

1.5 采取的控制方案
本毕业设计系统主要利用单片机来控制电机的旋转圈数和磁控管的工作时间,采取的控制方案涉及到弱电和强电的隔离问题。

关于弱电和强电的隔离有如下几种电路控制方案。

方案一的电路图1-1如下：
图1-1 方案一
方案二的电路图1-2如下：
图1-2 方案二
考虑到电路的安全和干扰问题，我采用MOC3041光耦器件，该器件内含有过零检测电路。

本毕业设计的微波粮食烘干控制系统应用的控制方案电路图1-3如下：
图1-3 方案三
2.计基础知识
2.1 单片机89C51的介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图2-1 AT89C51引脚图1.主要特性：
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
寿命：1000写/擦循环
数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2．管脚说明：
VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高电阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 /T0（记时器0外部输入）
P3.5/ T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH 地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3．振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

4．芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2.2、光耦元件的介绍
光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起，通过光线实现耦合，构成电—光—电的转换器件。

将电信号送入光电耦合器输入端的发光器件时，发光器件将电信号转换成光信号，光信号经光接收器接收，并将其还原成电信号。

由于输出与输入之间没有直接的电气联系，信号传输是通过光电耦合的，所以也称为光电隔离器。

光电耦合器的结构及特点
光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并封闭在同一不透明的管壳内由绝缘的透明树脂隔开，如图3-11所示。

发光源引出的管脚为输入端，受光
器引出的管脚为输出端。

光电耦合器的封装形式有管形，双列直插式和光导纤维连接形式。

光电耦器械的发光源常用砷化镓红外发光二极管，受光器常用光电三极管，光敏晶闸管和光敏集成电路等。

光电耦合器具有如下特点：
1、光电耦器的信号传递采取电—光—电的形式，发光部分和受光部分不接
触，因此具有很高的绝缘电阻，可以达到10个亿欧姆以上。

并能承受2000伏以上的高压，因而被合的两个部分可以自成系统，也不需要“共地”，绝缘和隔离性都很好，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。

2、光电耦器的发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的
噪音干扰信号形成低阻抗旁路，所以具有很强的抑制噪音干扰能力。

3、光耦合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和速度快等优点，响应
时间一般为数us以内，高速型光耦合器的响应时间有的甚至小于10ns。

光耦合器的用途很多，如作为高压开关，信号隔离转换，脉冲系统间的电平匹配以及各种逻辑电路等。

输
入
图2-2 光电耦合器的结构和符号
2．2．1、光耦器件的典型应用
光耦器件主要用于微机接口电路中的光电隔离、功率驱动电路中的光电隔离和远距离的隔离传送等，以下分别介绍。

1、机接口电路中的光电隔离
微机有多个输入端口，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。

在现场环境较恶劣时，会存在较大的噪声干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。

因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作接口，对信号及噪声进行隔离。

典型的光电耦合电路如图4-24所示。

该电路主要应用在A／D转换器的数字信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与模拟电路的接口处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

对于线性模拟电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用V／F变换后再用数字光耦进行隔离。

图2-3 典型的光电耦合电路
2 、功率驱动电路中的光电隔离
在微机控制系统中，大量应用是对开关量的控制，这些开关量经过微机的I／O输出，而I/O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动接口电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。

如晶闸管所
在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离。

电路实例如下图2-4所示。

在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。

马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。

在光耦隔离级——放大器一级大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。

图2-4 光藕在驱动中的应用电路
2．2．2 远距离的隔离传送
在计算机应用系统中，测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真。

在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。

为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将两个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使它们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。

若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如下图2-5所示。

长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生噪声电压形成相互串扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题。

同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。

图2-5 光藕在远距离传输中的应用
2.3晶闸管元件的介绍
晶闸管，也称可控硅，在早期的中文献中也有人称为硅可控整流器。

它是目前应用最广泛的半导体功率开关元件。

晶闸管随着半导体工艺的发展和进步，现在型号和品种十分齐全，整流电流从数安培到千安培，目前已形成了单向晶闸管SCR（Silicon Controlled Rectificer），双向晶闸管Triac，和可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)这三种最基本的结构。

晶闸管在单片机应用的各种场合有很大的作用。

在工业上的电机控制，电磁阀控制；在文艺舞台的灯光控制；在各种特殊的专用设备中，例如充电机，稳压器等都有着十分普通的应用。

以晶闸管做成的各种固态继电器，由于无吸动机构、无噪声、体积少、可靠性高、不用维修等一系列优点，已越受用户的欢迎。

单片机应用系统中广泛应用晶闸管作为功率元件，是一种不可逆转的方向。

2．3．1 晶闸管的原理及特性
晶闸管虽然型号繁多，但不外是单向、双向和可关断三种结构。

由于这三种结构的形式及原理有所不同，但本次毕业设计应用到了双向晶闸管。

下面我们对它进行具体介绍。

双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件（Bidirectional Triode Thyristor），它和单向晶闸管的区别是：第一，它触发之后是双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。

双向晶闸管可看作由两个单间晶闸管反向并联组成。

双向晶闸管的内部结构原理及表示符号如图2-6所示
电极2 MT2
门极
（a） (b)
图2-6 双向晶闸管内部结构
双向晶闸管是从N型硅单晶片的两侧扩散P型材料，形成PNP结构；然后分别在两个P型材料上再形成N型材料，从而形成五层三端特殊的NPNPN 结构，如图2-6（a）所示。

它的表示符号如图2-6（b）所示。

由于双向晶闸管是双向导通的，故它的电极不能称阴、阳极。

为了区别双向晶闸管的两个电极，一般把和门极G接近的电极称电极1，它也是参考电极；另一个电
极称电极2。

电极1用MT1表示，电极2用MT2表示。

双向晶闸管在触发之后，主电路的电流可双向流过；而在控制触发方面，双向晶闸管也具有双向性，故双向晶闸管在触发时，四种触发方式：第一象限触发：MT2+，G+。

这时对于参考电极MT1而言，电极MT2的电压为正；门极G的触发电流为正。

第二象限触发：MT2+，G—。

这时电极MT2的电压为正；门极G触发电流为负。

第三象限触发：MT2—，G—。

这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为负。

第四象限触发：MT2—，G+。

这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为正。

绝大多数双向晶闸管的最高触发灵敏度在第一、三象限。

触发灵敏度较差的是第二象限。

最差的是第四象限。

所以一般不采用第四象限的触发方式。

双向晶闸管是双向导通的，它从一个方向过零进入反向阻断状态只是一个十分短暂的时间，一般只是用于60Hz或频率小于60Hz的正弦电压电源中。

当负载是感性的时候，由于电流的滞后性，有可能会使得电压在过零时电流仍然存在而导致双向晶闸管失控。

为了使它能够正确工作，应抑制双向晶闸
管中的电压上长率dv
dt
t,也就是在双向晶闸管两个主电极MT1、MT2之间加上
RC回路。

2.4ADC0809芯片的介绍
ADC0809是由8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。

ADC0809的内部结构由单一+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路模拟多路开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约需100us；片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器，稳定的比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。