毕业设计（论文）粮食肉类水分检查仪的设计与仿真.doc

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1、北方民族大学学士学位论文 论文题目: 粮食肉类水分检查仪的设计与仿真 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 专 业: 电气工程及自动化 学 号: 20110479 指导教师姓名: 樊 荣 论文提交时间: 论文答辩时间: 学位授予时间: 北方民族大学教处制摘 要 人类的生活水平越来越高，对食品的安全非常非常重视.独立检测人们所需的粮食肉类水分从而反映食品的安全。本次设计基于适度传感器的水分检测仪器，它便于携带，读书简单明了，精确无误。本次粮油水分检测仪的设计主要由两个大的部分构成，应用硬件设计部分和系统软件部分。以HS1101湿敏传感器当信号采集，然后通过2位共阳极LED数码显示

2、管来进行对数据的传递，最终显示水分的读书。通过HS1101直接读取被测湿度值，然后送入555多谐振荡电路进行湿度信号到频率信号的转换。555输出的频率信号再送入单片机进行数据处理之后进行输出显示，来实现对食品的水分检测从而达到检测食品的安全等级的目的。检测仪器结构简单，操作简单，实际检测十分方便。关键词：单片机AT892051，湿度传感器HS1101，555多谐振荡电路，LED数码显示 ABSTRACTHuman life increasingly high level of food safety very, very seriously. Independent testing of wa

3、ter people need food meat to reflect food safety. The design is based on water testing equipment appropriate sensor, it is easy to carry, reading simple, accurate.The grain and oil moisture detector design consists of two major parts, hardware design and system application software section. In HS110

4、1 humidity sensor when the signal acquisition, and then by two common anode LED digital display tube to be passed to the data, the final display of moisture reading. Read the measured humidity values directly by HS1101, and then into the 555 harmonic oscillation circuit for humidity signal to a freq

5、uency signal conversion. 555 frequency output signal and then into the microcontroller output display after data processing, to achieve food moisture detection to achieve detection of food security level purposes. Instrumentation simple structure, easy operation, the actual testing is very convenien

6、t.第一章 绪论11.1 研究背景11.2 课题内容及要求1第二章 基于HS1101水分检查仪设计的可行性分析32.1 水分检查仪设计方案论证32.1.1方案一32.1.2方案二3第三章 水分检查仪系统硬件43.1 检查仪系统方框图43.2 AT89C2051的简介43.3 湿度传感器的选择73.3.1 HS1101传感器的简介83.3.2 HS1101湿度测量电路93.4 555芯片简介93.4.1 多谐振荡器工作原理103.5 HS1101与555构成的湿度-频率转换电路113.6 单片机及显示电路13第四章 粮肉水分检查仪系统软件144.1 主程序144.2 定时器0溢出执行中断程序15

7、4.3 湿度-频率转换15第五章 粮油肉水分检查仪的仿真与调试235.1 调试235.2 测量误差与校准24结 论25第一章 前 言1.1 研究背景近年来，随着城乡人们生活水平的提高，粮食肉类食用量越来越大，人们对生活的质量要求也越来越高。但是不法商贩为谋取暴利在粮食中撒水，在猪肉里注水坑害消费者的现象也不时出现。传统的粮食、肉类水分检测仪其适用范围都是相关检测部门，都是大范围、大批量检测。但是一些追求暴利的商贩，往往在对于流通领域的末端（比如菜市场），任意在粮食中洒水，向肉类中注水。而消费者一般都为家庭主妇，判断是否注水大都以眼观、手摸等人为感官为主。不同的人判断的结果不同，准确率低，误差范

8、围大。因此设计出一种经济实用的便携式粮食肉类水分检测仪是非常有必要的。1.2 课题内容及要求本设计主要介绍了用555构成的多谐振荡电路和单片机相结合的方法来实现湿度的转换和显示，其中 “湿度-频率”转换电路作为基础，单片机AT89C2051和LED数码管和必要的外围电路为辅助，构成了一个简单易制、外观独特，测量范围为099%RH，适用于人们的日常对粮油肉水分含量检查的水分检查仪。粮油肉水分测试仪器的设计以湿度-频率转换电路和显示电路为系统硬件；它的系统软件是利用C语言编程来计数湿度。为了能够方便快速的读数湿度，可利用HS1101湿度传感器和LED数码管来完成。这样就可以持续的测量湿度。 水分检

9、测仪其实就是实现湿度测量和读数的单片机控制系统，这个系统包括HS1101传感器，555 时基电路，单片机和LED数码显示器。然后在单片机特定的程序作用下，粮食肉类的水分被实时的测量出来。懂得并学会运用HS1101与555时基电路构成多谢振荡器的工作流程和道理，充分了解电路中各个元器件的作用，下面是课设的具体要求：1、选用555时基电路与传感器构成振荡器；2、湿度检测器件采用HS1101传感器，不需要提供交流电源供电，也不需要ADC，应用电路简单。3、两个LED数码显示管接在单片机上来进行温度动态读数. 第二章 基于HS1101水分检查仪设计的可行性分析2.1 水分检查仪设计方案论证2.1.1方

10、案一并联谐振法 先一个由单片机控制DDS芯片在信号调理电路产生的频率不变的信号途径LC谐振电路。有因为水分不同的东西电容不同，而电容不同谐振曲线也就不同。DDS产生700K的正弦信号作为激励源，得到的不同电容对应的失谐电压进过单片机，单片机可以对其处理，从而得出水分的含量。该方案设计虽然系统结构紧凑，集成度高，但是对电路要求复杂，硬件成本也高。2.1.2方案二方波信号频率变化反映电容变化电容变化会引起555多谐振荡频率发生变化，产生的方波也会随之变化。 用AT89C2051单片机控制湿度值的显示输出，通过编程，对输出信号进行采样，处理及控制。该方案简单，而且易于实现。根据实际试验条件和成本上的

11、考虑，在满足设计要求的前提下，以及基于方案二的优点，选择方案二作为最终方案 附录A显示的是方案二的总体电路图。第三章 水分检查仪主要的硬件电路设计3.1 设计系统方框图被测物体湿度传感器信号调理电路单片机显示图3-1 水分检查仪系统方框图本设计的系统主要组成: 单片机AT89C2051，一个电容湿度传感器HS1101，TLC555芯片，两个数码管LED，+5V主流电源。3.2 AT89C2051的简介AT89C2051单片机的特性是低电压高性能，随机存取数据存储器（RAM）的内存为128 bytes，只读Flash程序存储器的内存是2k bytes而且它可以反复擦写，只读Flash程序存储器还

12、有随机存取数据存储器（RAM）有着高密度，非易失性存储技术生产。正因为它强大的性能所以能应用于多种场合。AT89C2051的不足之处是它的引脚只有20个，双向端口15个，P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，一个模拟比较放大器，两个全双向串行通信口，两个16位可编程定时计数器。AT89C2051还有着睡眠省电功能，RAM、定时/计数器、串行口和外中断口可以使其唤醒，然后接着工作。在睡眠的时候，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，硬件复位还能使其工作。一、主要特性3： 兼容系统 两千可反复擦写Flash ROM 双向I/O口 中断源有6个 16位可编程定时/计数器 宽工作电压 2-6V

13、时钟频率 128x8bit 体外中断源 串行中断2个 直接驱动的LED 加密位2级 低功耗睡眠作用 含有模拟比较放大器1个 能够编程的UARL通道 调节睡眠和唤醒的用途二 、管脚说明4：（1）端口1（Port 1）它含有一个8位双向I/O口，把P1.1的上拉电阻用引线接在P1.7的内部电阻上。正输入（AIN0）和负输入（AIN1）分别由P1.0和P1.1芯片级精准模拟比较器提供。它们在北部电阻的作用下会输出电流（IIL）。端口1在对闪存编程和检验之时，代码数据就会被接收。（2） 端口3（Port 3）端口3的输出缓冲器可以吸收20mA的电流，电压被拉高，能够作为输入。与此同时，内部上拉电阻的原

14、因若端口3的引线拉低，输出电流（IIL）。端口3能供单片机AT89C2051一些其他功能，列举：端口号替代作用P3.0RXD 作为串行输入的入口P3.1TXD 作为串行输出的端口P3.2INT0 控制外部中断 0P3.3INT1 控制外部停止 1P3.4T0 用作定时器0P3.5T0 定时器1当对闪存编程和检验时，端口3也接收一些控制信号。（3）RST高电压作用在RST引线的时候，全部I/O口复位是1.振荡器使用，单片机复位的条件是RST引线高电平2个机器周期。在这种状态下12个振荡器或时钟就是它的运行周期。（4）XTA1输入电路为内部时钟何反向振荡放大器工作电路。（5）XTA2内部反向振荡放

15、大器的输出。（6）振荡器的特性芯片级的振荡器是由反向放大器构成，它的输入和输出是XTAL1和XTAL2。只有留空XTAL2，单片机才能被外部时钟源驱动，但是XTA1接入时钟信号北部时钟电路会被两分频触发器输入，因此不必注意外部时钟的占空比。（7）GND 地（8）VCC 电源电压2.76V为89C2051的工作电压，在3V状态下工作，动态电流为5.5mA；空闲态为1mA,掉电态仅为20nA。正因为它很小的功耗才使它成为电池供电的小型控制系统的常客。3.3 湿度传感器的选择湿敏电阻还有湿敏电容是湿度传感器最常见的两种。它们有一些共性：金属引线在涂有感湿材料的外部上引出，还有塑料外壳来防止污染和破损

16、。湿敏电阻的导电率会由湿度影响。但是也会存在一些极端的变化，为防止这一变化，湿敏电阻都会用有着一定电压和频率的交流电。湿度到电压的变化是由湿敏电阻和1个固定电阻所组成的供电电源分压电路，然后电路产生输出信号，在把信号经过相关电路的处理变换成恒定不变的直流电流，在示波器的观察下得到电流变化读数，就可以得出湿度的变化。在单片机的作用下可以得到信号变化，最终能够得到相应的湿度值。在恒温潮湿的环境下电容式湿度传感器的介电常数会受湿度的含量的影响。传感器的振荡器输出的信号频率在单片机的处理下能得到所对应的湿度。电容传感的优点不言而喻，不必使用特定的交流电源，而且电压简便所以成本也很低，非常的使用；常温场

17、合，简易实用性；生产的成本价格，本系统采用电容式传感器HS1101原理来设计粮油肉水分检查仪。3.3.1 HS1101传感器的简介湿敏电容工作的温、湿度范围见图1。湿度-电容响应曲线件图2。图1 HS1101湿敏电容工作温湿度变化图2 HS1101湿敏电容的湿度-电容转变曲线HUMIREL的相对湿度传感器是HS1101，它有着独特的固态聚合物结构，恒温下，相对湿度0%100%RH状态下：电容变化为162-200pF，误差在2%左右；此时0.04pF/C是它的温度系数。综上所述它有着很不错的准确度。除此之外，它还能在多变的环境下保持很好的稳定性，灵敏性等特点，成本低也使其广泛被用于家电行业。3.

18、3.2 HS1101湿度测量电路HS1101电容传感器的电容量是会被空气中的湿度所影响的，成正比关系，它在电路中充当一个电容器件的角色。通常有两种方法来测量电容变化所引起的计算机接收信号：一种是把HS1101放在555振荡电路之内，电容变化和电压频率成反比关系，所以可以直接由计算机来反应湿度变化；另外就是把它放在运放和阻容构成的桥式振荡电路中，计算机把产生的正弦波电压信号整流放大等处理能转化为数字信号。3.4 555芯片简介 555定时器是中规模集成电路由模拟电路和数字电路组成,如图（B）所示是它的结构管脚。 （ A） 555内部结构图 分压器、比较器、基本 触发器和放电三极管是它的基本组成元

19、件。首先分压器包含三个5的串联等效电阻。它还是加在比较压反向端的参考电压。两个结构相同的集成运放 、 组成才构成了比较器。反相输入端输入高电平触发信号，基本触发器端的输入信号为它月通相输入端的参考电压比较结果；反之为基本RS触发器 端的输入信号。比较器的输出端会影响基本RS触发器的输出状态。3.4.1 多谐振荡器工作原理含有R1、R2和电容C为外接元件的555定时器所构成的多谐振荡器如图(C)所示，其中。其工作波如图(D)所示13。 C 555组成的多谢振荡器 D 多谐振荡电路波形因为电容不能突变所以电容在时接通电源，高、低触发端，比较器输出为高电平，输出为低电平，即，触发器置1，定时器输出在

20、这种状态下，放电三极管截止，电容被电源充电，两端的电压会持续增加。在电压增加到电源电压的三分之一的时候，输出由0翻转为1，这时，触发顺态恒定。所以期间，定时器输出为高电平1。如果，电容电压增加到电源电压的三分之二，比较器的输出会改变，所以,触发器复0，定时器输出。如果，电容在放电三极管导通的作用下会放电。电容电压按指数规律下降，在电容电压小于电源电压的三分之二时，比较器输出改变，触发器的，所以的状态不变，的状态仍为低电平。如果，会掉至，比较器从1变为0，触发器的，触发器为1状态，定时器电压。这个状态下电容C被放电，上述过程将被循环。综上可得知，在电容充电的状态下，定时器输出，放电状态下中断。正

21、式电容的充放电才有了输出端的矩形波。直流形式的电能变为矩形波形式的电能的特性才使得多谐振荡器在没有信号输入的状态下得到输出矩形波 信号发生器3.5 HS1101与555构成的湿度-频率转换电路 湿度-频率转换电路上图是湿敏传感器和定时器的湿度-频率转换电路。这个电路包含的TLC555除了还一般时基电路类似外其特别的功能是采用先进科技拥有高振荡频率，消耗功率低但是输出电流大也是另一大优点。 电路中TLC555的第2脚（触发输入端）和第6脚（阈值输入端）相连，与外围器件构成无稳态多谐振荡器由TLC555的触发输入端和阈值输入端与外围器件组成。电路闭合，电容（HS1101在电路中相当一个电容）通过和

22、充电，在Uc增加至阈值电压（约） 的状态下，内部与阈值触发器输入端连接的比较器翻转，此时电容会通过放电，但是Uc下调至触发电压（约）时内部与触发输入端连接的比较器翻转，电容会和充电，一直循环此方法。电容在充电的状态下TCL555的输出端会输出高电平，反之输出低电平；正是因为电容的充放电才有了方波。由此可知，高低电平的时间方波频率的计算公式： 因而，输出的方波频率为: 理论上的结果都会存在偏差，公式得出的都是近似值，因为TLC555有自身的转播延迟和导通电阻。由公式可以得出在电阻和 不变的时候，TLC555的方波频率只跟电容有关系，水分又会影响电容的变化，最终可以得出湿度和频率的转变。考虑空气湿

23、度问题选材是要使的阻值应远小于。 湿度 频率 湿度 频率 %RH HZ %RH HZ0 73516066001072247064682071008063303069769061864068531006033506728湿度与电压频率的典型值3.6 单片机及显示电路单片机选用ATMEL的AT89C205112PI，是常用的20引脚单片机，兼容MCS51指令系统，工作电压为2.76V。单片机会把湿度频率转换电路输出的脉冲使用计数器来进行计算。2位数码管采用数码扫描的方式驱动，占用9个I/O口。本电路采用35V的稳压电源供电，当使用较低电压的电源时，为了保证数码管的亮度，限流电阻R8R14可以适当小

24、一些。电路连接原理图示波器的使用方法图解：第四章 粮油肉水分检查仪软件设计本水分检查仪的程序非常简单，主要包括主程序和定时器0溢出中断服务程序两部分。4.1 主程序图4-1是流程图，初始化后进入主循环程序，其主要任务是更新重要显示的湿度值。程序一分钟60次的方法去测量湿度，进而得到频率的变化。这种方法虽然频率更新快，但是分辨率比较低，而且湿度变化幅度不大，所以这种方法用得比较少。单片机会计算湿度-频率转换电路输出的脉冲，定时器0溢出中断程序会以每分钟60的规律进行读书。湿度会改变主程序对其进行判读，若数值在可许状态下就会得到湿度值，反之“- -”取代湿度读数，表示测量结果超出范围或电路存在故障

25、。图4-1主程序流程图4.2 定时器0溢出所执行的中断程序 程序每隔1ms执行一次，主要任务是定时读取脉冲计数值以及数码管扫描，流程图如4-2所示。程序的中断响应时间以及相关语句执行的时间会影响测量的精确度，所以要把定时时间控制好。图4-2定时器0溢出中断服务程序工作完整图4.3 湿度-频率转换及显示 int Ddisp(int count) shi=0; void delay(void) int i,j; for(i=0;i=500;i+) for(j=0;j=40;j+); /*unsigned char xdata porta_at_0x8fff;unsigned char xdatb

26、porta_at_0x9fff;unsigned char xdatc porta_at_0xafff;unsigned char caddr porta_at_0xbfff;unsigned char xdata*a_at_0x0060;unsigned char xdata*b_at_0x0065;unsigned char xdata*c_at_0x0070;unsigned char num10=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;#includeunsigned char m=0;unsigned char count=

27、0;unsigned char n0=0;unsigned char n1=0;unsigned char n2=0;unsigned char temp=0;unsigned int n;void main (void)c=&caddr;*c=0x80;a=&porta;b=&portb;TMOD=0x15;TH1=03xc;TL1=0xb0;TH0=0x00;TL0=0x00;EA=1;ET1=1;TR0=1;TR1=1;while(1)n2=count%100;temp=count%100;n1=temp/10;n0=temp%10;*b=0x80;*a=numn0;for(n=0;n1

28、000;n+);*b=0x40;*a=numn1;for(n=0;n1000;n+);*b=0x20;*a=numn2;for(n=0;n1000;n+); timer() interrupt 3TH1=0x3c;TL1=0xb0;m+;if(m=20)count=TL0;TL0=0;M=0; 11 第五章 粮油肉水分检查仪的仿真与调试5.1 调试 调试前先对照原理图检查一遍电路，确认无误后点击开始按钮即可对电路进行仿真。接通电源后开始没有变化，一个周期约一秒后才能显示读数。电容决定这读数的大小，变化电容读数随之增加或减小。调节C的大小，读数应有所变C越大，对应的脉冲频率越小，显示的湿度越低。

29、若数码管一直是“-”状态说明电路存在差错，可能是链接错误或者是元器件损坏。还可以利用示波器的波形图来判读是否存在偏差，脉冲不在73516033HZ的范围内则可能有损坏需要调整电路或者更换元件；脉冲若是正常还要检查湿度-计数表的准确性，此外还有定时时间的精确度。 软件调试时可以将电路中HS1101暂时先用1兆欧多圈电位器来代替，这样就可以模拟湿度改变，验证在不同湿度下显示是否正确。 5.2 测量误差与校准设计高准确度、高精度的电子水分检查仪远比设计制作同样要求的电子温度计要困难得多，本水分检查仪在实际测量过程中也不可避免的存在着一定的测量误差，主要包括以下几部分：（1） 一致性 不同的HS110

30、1产品本身的电容略有不同，在55%RH的湿度下电容实际值与典型值相差一般不会超过3pF，本水分检查仪程序中计数值与湿度值的对照表是按HS1101电容的典型值设计的，因此在实际测量中会有误差。（2） 温度影响 HS1101的温度 系数为0.04pF/C,本水分检查仪的计数值与湿度值的对照表是按25C时的数据设计的，在其他温度测量会有误差，温度与25C相差越大误差也越大。（3）元件老化 湿度传感器在使用时暴露在空气中，灰尘等有害气体等污染会使元器件老化，由此也会产生误差，特别是使用时间久后测量误差更加明显。 （4）元件参数 元器件本身参数的误差以及在使用中参数随着温度、时间的漂移将直接导致测量误差

31、。结 论本设计介绍了基于HS1101和多谐振荡电路的粮肉水分检查仪的全部设计细节。设计中采用最常用的单片机AT892051作为主控模块，湿度电容传感器HS1101和TLC555组成多谐振荡电路进行湿度信号采集，采集得湿度数据采用数码管LED显示。毕业论文的设计过程其实就是一次自主学习的过程，历时三个月的论文，无数次的图书馆之旅让我找到了通过自己努力去学习的乐趣，也让我认识 到了不是所有的知识都要别人教才能融会贯通的道理。还有就是为将来的工作打下强化学习能力的基础，只有掌握了自主学习才能在工作社会上快人一步，取得一定的成功。最重要的是老师和同学的帮助，让我在迷茫无助的时候重新燃起斗志，毕业论文就

32、是一个提高学生团结互助，虚心请教的机会。致 谢在做设计的这些日子里，经过自己的不断努力和樊老师的细心指导下顺利完成了毕业设计。樊老师每周都会给我们做几次详细的指导，解决我们在一周内遇到的各种问题，樊老师毫无保留的帮助，使得我们绕过了很多弯路，在我们设计出现问题时，耐心的指导和讲解，使我们能够领悟透彻。她教导我们做什么事情要细心认真，力求做到最好，只要努力了一定会有收获的。当然，课题完成也少不了同组同学的大力帮助和共同努力，因此，我要在这里对樊老师和同组同学表示深深的感谢。参考文献1 郑长征等.具有语音提示功能的粮食水分测试仪J.自动化技术与应用，2004.2 齐凤河. 一种基于1-Wire总线

33、的油田巡检系统D.大连理工大学，2006.3 葛华. 多功能观赏鱼缸智能控制系统的设计D.东南大学，2007.4 王贇鹏. 新型数据采集系统在防窃电领域中的应用D.大连理工大学，20065 魏相华. 虚拟仪器研究及其实现D.上海交通大学，20016 林敏 等. HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用J. 仪表技术与传感器，2001.7 王海相. 啤酒灌装生产线上封盖密封性检测的研究D.山东大学，2010.8 黄操军等.粮食水分检测技术及发展趋势J.农机化研究，2006.9 莫禾胜等.基于LCD液晶显示器的时间显示系统设计与制作J.科技信息，2010.10 刘文辉.分布式煤矿井下人员

34、、设备安全管理系统通讯接口和井下分站的研究D.南昌大学，2008.11 姜波.多孔硅湿度传感器的制作与性能研究D.黑龙江大学，2010.12 宋强.基于WebGIS的城市绿地远程灌溉控制系统研究D.北京林业大学，2007.13 陕西省大学生电子设计竞赛.谷物水分测试仪。14李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，1994.15 郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社,2000,816 赵家轨,付小美,董平.新编传感器电路设计手册.中国计量出版社,2002,9 17 肖景和.555集成电路应用精粹M.北京：人民邮电出版社.18 MAXIM.DS18B20.http:/www.maxim-附 录A系统硬件电路图（1）系统复位仿真图（2）测量仿真图