乳粉干燥微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)pangai

1、第一章 緒 論1.1引言一牛奶的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值1乳是哺乳動(dòng)物出生后賴以生存的發(fā)育的唯一食物，它含有適合其幼子生長(zhǎng)發(fā)育所必需的所有營(yíng)養(yǎng)素。由于牛乳具有以下特點(diǎn)，所以被公認(rèn)為迄今為止的一種比較理想的完全食品。乳經(jīng)過(guò)殺菌后，不需要進(jìn)行任何調(diào)理即可直接供人食用。人們食用牛乳幾乎全部消化吸收，并無(wú)廢棄排泄物。牛乳含有促進(jìn)人類生長(zhǎng)發(fā)育以及維持健康水平的幾乎一切必需的營(yíng)養(yǎng)成分。牛乳所含有各種營(yíng)養(yǎng)成分比例大體適合人類生理需要。其他食物由于添加了牛乳，可顯著提高這種食物的蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。為了取得牛奶同等數(shù)量的營(yíng)養(yǎng)成分，用其他谷物提供，在數(shù)量上要比牛乳消耗好幾倍。2每100克牛乳所含營(yíng)養(yǎng)成分：脂肪3.5克、蛋白質(zhì)3.

2、2克、乳糖4.6克、礦物質(zhì)0.7克、生理水88克。3乳脂肪的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值：牛乳脂肪為短鏈和中鏈脂肪脂肪酸，熔點(diǎn)低，僅為34.5。牛乳脂肪球顆粒小，呈高度乳化狀態(tài)，所以乳脂肪極易消化吸收。乳脂肪還含有人類必需的脂肪酸和磷脂。因而乳脂肪是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的脂肪。4乳蛋白質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值：牛乳蛋白質(zhì)含有人體生長(zhǎng)發(fā)育的一切必需的氨基酸和其他氨基酸。牛乳蛋白質(zhì)的消化率可達(dá)98%100%，生物價(jià)84。而豆類蛋白質(zhì)消化率為80%。因而乳蛋白為完全蛋白質(zhì)。5牛乳中碳水化合物的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值：乳中的碳水化合物只有乳糖一種。乳糖在自然界中僅存在與哺乳動(dòng)物的乳汁中，其甜度為蔗糖的1/6。一分子乳糖消化時(shí)可得一分子葡萄糖和一分子半

3、乳糖。半乳糖可促進(jìn)腦苷脂類和粘多糖類的生成，因而對(duì)幼兒智力發(fā)育非常重要。乳糖的一個(gè)重要特點(diǎn)是能促進(jìn)人類腸道健康。乳糖還和糖的代謝有關(guān)，在食物中添加乳及乳制品有利于鈣的吸收，取得預(yù)防小兒佝僂病、中老年人骨質(zhì)疏松癥的效果。因而牛乳中的碳水化合物不僅能提供熱量，且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值要優(yōu)于其他碳水化合物。6牛乳中礦物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)：乳中有豐富的礦物質(zhì)。如鈣、磷、鐵、鋅、銅、鉬等。特別是含鈣多，而且鈣、磷比例合理，吸收率高。所以牛乳是人體鈣最佳來(lái)源。鈣是人體中含量最多的一種無(wú)機(jī)鹽，是構(gòu)成骨骼和牙齒的主要成分。人體中90的鈣集中在牙齒和骨骼上。兒童、青少年生長(zhǎng)發(fā)育期需要充足的鈣，同樣孕婦及成人、中老年人，也需要補(bǔ)充鈣質(zhì)，

4、缺乏鈣會(huì)影響牙齒和骨骼的正常發(fā)育，導(dǎo)致佝僂病。成年人每日需鈣800毫克，但我國(guó)居民的鈣攝入量不足400毫克，由于鈣攝入不足，出現(xiàn)骨質(zhì)疏松，軟骨癥等，嚴(yán)重影響了我國(guó)人民的身體健康。大自然中的鈣是以化合態(tài)存在的，只有被動(dòng)、植物吸收后形成具有生物活性的鈣，才能更好地被人體所吸收利用。牛奶中含有豐富的活性鈣，是人類最好的鈣源之一，1升新鮮牛奶中含活性鈣約1250毫克，居眾多食物之首， 它不但鈣含量高，而且含維生素D3能促進(jìn)人體胃、腸壁對(duì)鈣的吸收，吸收率可高達(dá)98，調(diào)節(jié)體內(nèi)鈣的代謝，維持血清鈣濃度，增進(jìn)骨骼的鈣化。7牛乳中維生素的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值：牛乳中含有所有已知的各種維生素，尤其是維生素A和B2含量較高，而

5、一般食物中維生素A和B2很少。所以，牛乳還是人類維生素A和B2的重要來(lái)源。牛乳中膽固醇含量少，而且還含有降低血膽固醇的3羥3甲基戊二酸及乳清酸，對(duì)中老年尤為適宜。綜上所述，除膳食纖維外，牛乳中含有人體所需要的全部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值之高是其他食物所不能比的。一個(gè)成年人每日喝500毫升牛乳，能獲得1517克優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，可滿足每天所需要的必須氨基酸；能獲得600毫升的鈣，相當(dāng)于需要量的80%；可滿足每日熱量需要量的11%。牛奶是人類改善營(yíng)養(yǎng)、科學(xué)補(bǔ)鈣、增強(qiáng)體質(zhì)的最好食品。二奶粉生產(chǎn)工藝流程圖及其簡(jiǎn)介11.原料用于生產(chǎn)乳粉的牛乳必須在一級(jí)品以上，酸度超過(guò)20°T會(huì)嚴(yán)重影響乳粉的溶解度，在保

6、藏過(guò)程中容易發(fā)生酸敗。乳粉在復(fù)水后應(yīng)還原到鮮乳狀態(tài)，因此，原料乳需標(biāo)準(zhǔn)化到鮮乳國(guó)標(biāo)要求。2.預(yù)熱殺菌由于乳粉在常溫的保藏期長(zhǎng)，脂肪酶、蛋白酶、過(guò)氧化物酶的殘留會(huì)對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)味、色澤造成嚴(yán)重影響，必須加以鈍化；此外，產(chǎn)品中不得有致病菌檢出，大腸桿菌和雜菌數(shù)也有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)原料乳的殺菌可以達(dá)到以下目的：殺滅存在于牛乳中的全部病源微生物和絕大部分其他微生物，使產(chǎn)品中微生物殘存量達(dá)到國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求，成為安全食品；破壞牛乳中各種酶的活性，尤其要破壞脂酶和過(guò)氧化物酶的活性，以延長(zhǎng)乳粉的保存期；提高牛乳的熱穩(wěn)定性；提高濃縮過(guò)程中牛乳的進(jìn)料溫度，使牛乳的進(jìn)料溫度超過(guò)濃縮鍋內(nèi)相應(yīng)牛乳的沸點(diǎn)，殺菌乳進(jìn)入濃縮鍋后

7、即自行蒸發(fā)，從而提高了濃縮設(shè)備的生產(chǎn)能力，牛乳的進(jìn)料溫度等于濃縮鍋內(nèi)牛乳的沸點(diǎn)，也同樣可提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，并可減少濃縮設(shè)備加熱器表面的結(jié)垢現(xiàn)象；高溫殺菌可提高乳粉的香味，同時(shí)因分解含硫氨基酸而產(chǎn)生活性巰基，提高乳粉的抗氧性，延長(zhǎng)乳粉的保存期。因此，乳粉原料奶的殺菌條件比較激烈，一般有中溫長(zhǎng)時(shí)間殺菌法，7275保持15分鐘；高溫短時(shí)間殺菌法，8590，保溫35分鐘；超高溫瞬時(shí)殺菌法，120140，保溫12秒鐘。實(shí)踐證明，無(wú)論從乳粉的衛(wèi)生及其他質(zhì)量指標(biāo)來(lái)看，高溫短時(shí)加殺菌效果良好，因此，目前乳粉生產(chǎn)上多采用高溫短時(shí)間殺菌法。超高溫瞬時(shí)殺菌不但是牛乳經(jīng)殺菌后處于無(wú)菌狀況，而且保持牛乳原有的營(yíng)養(yǎng)成分

8、，但由于設(shè)備成本高，未能得到廣泛的應(yīng)用。3.真空濃縮牛乳的87以上都是水，未經(jīng)濃縮直接干燥的乳粉有許多缺點(diǎn)，通過(guò)濃縮可達(dá)到如下目的：提高產(chǎn)品的色、香、味、形，濃縮后干燥的乳粉色澤奶黃到淡黃，而直接干燥的乳粉灰白暗淡；經(jīng)濃縮的乳粉乳香濃郁、滋味充足，未經(jīng)濃縮的乳粉乳香淡薄，缺乏乳粉滋味；經(jīng)過(guò)真空濃縮的乳粉顆粒直徑大，分散性、沖調(diào)性好，反之則性能相反；節(jié)約能源和設(shè)備，噴霧干燥時(shí)蒸發(fā)1Kg水需耗用2.83.2Kg蒸汽，真空濃縮只需11.2Kg；未濃縮乳噴干需要的干燥室體積比正常的大三分之一，設(shè)備投資高；便于包裝，直接干燥乳粉因顆粒小、密度低，包裝過(guò)程中容易發(fā)生粉塵飛揚(yáng)和粘滯，包裝材料也需多耗10。真

9、空濃縮的工藝條件為：?jiǎn)涡饪s，真空度為表壓0.080.0895MPa,乳溫5156，多效濃縮的末效真空度0.080.092MPa,末效溫度4045；加熱蒸汽壓力0.10.15MPa;濃縮終點(diǎn)，全脂乳粉為11.513波美度，相當(dāng)于含固形物3842。真空度是濃縮過(guò)程的關(guān)鍵之一，真空度過(guò)低，乳溫必然上升，乳蛋白變性加??；真空度過(guò)高，乳的沸點(diǎn)過(guò)低，飛騰面就低，將影響蒸發(fā)效率。4.噴霧干燥 這是本文研究的重點(diǎn)問(wèn)題，其工藝將在后文中具體介紹。5.冷卻干燥后乳粉的溫度通常都在6072，溫度的高低是根據(jù)顆粒大小與在干燥室中滯留位置及工藝條件而定。如不及時(shí)對(duì)乳粉實(shí)施冷卻，容易引起蛋白質(zhì)變性；脂肪球因處于超熔點(diǎn)狀

10、態(tài)，容易破裂而使游離脂肪量增多，尤其在包裝過(guò)程中，經(jīng)撞擊與摩擦，使乳粉中的脂肪滲出到表面，再保藏階段容易發(fā)生氧化。傳統(tǒng)的冷卻方法是將乳粉放入專用的不銹鋼箱內(nèi)，在室溫下自然冷卻數(shù)小時(shí)之后篩粉，更先進(jìn)的是通過(guò)干燥室內(nèi)附帶的冷卻裝置冷卻，或使乳粉在卸粉過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)篩網(wǎng)，并用符合食品衛(wèi)生要求的冷風(fēng)進(jìn)行冷卻，使乳粉溫度降至2530，低于脂肪熔點(diǎn)。1.2噴霧干燥技術(shù)的發(fā)展通過(guò)干燥脫去微生物生長(zhǎng)所必需的水分來(lái)保存不同食品的方法已經(jīng)使用了幾個(gè)世紀(jì)。按照馬可波羅在亞洲旅行的筆記記載，蒙古人通過(guò)在陽(yáng)光下干燥牛乳以生產(chǎn)奶粉。在過(guò)去的150年左右的時(shí)間里，許多干燥食品的技術(shù)發(fā)展起來(lái)了，有一些就特別適合于乳粉生產(chǎn)。不

11、容置疑，當(dāng)今最重要的干燥方法是噴霧干燥，該原理可追溯到一個(gè)多世紀(jì)前的一項(xiàng)相關(guān)的專利，是通過(guò)霧化來(lái)改良干燥和濃縮的液態(tài)物料。盡管噴霧干燥的概念在19世紀(jì)后期就存在了，但大多數(shù)乳粉生產(chǎn)直到20世紀(jì)中葉仍采用滾筒干燥。美國(guó)在第一次世界大戰(zhàn)前后，Merril-Soul和Grey-Jensen將噴霧干燥的加工方法用于商業(yè)化生產(chǎn)，直到50年以后，噴霧干燥才代替了滾筒干燥，成為最經(jīng)典的乳粉生產(chǎn)方法。滾筒干燥仍然用于某些特殊的乳制品生產(chǎn)中，并且十分廣泛地應(yīng)用于食品工業(yè)的其它領(lǐng)域。噴霧干燥設(shè)備在1901年首次用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，在20世紀(jì)20年代才真正用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，20世紀(jì)40年代末才在我國(guó)開始使用。最早

12、的結(jié)構(gòu)是屬于壓力箱式（臥式），物料的霧化為雙流體式，動(dòng)力消耗量大。到1958年，輕工部在黑龍江省推廣畜力小型壓力式噴霧干燥法生產(chǎn)奶粉，1955年哈爾濱松花江牛奶廠首次用離心噴霧的方法生產(chǎn)奶粉。這兩種形式的噴霧干燥設(shè)備當(dāng)時(shí)都是平底結(jié)構(gòu)，出粉是間歇式的，每工作一個(gè)班次人工出粉一次。20世紀(jì)60年代中期，箱式壓力干燥設(shè)備出現(xiàn)了錐底帶螺旋出粉器（攪龍）的結(jié)構(gòu)形式。第一臺(tái)立式多噴頭壓力噴霧干燥設(shè)備誕生在20世紀(jì)70年代初，它的出現(xiàn)使噴霧干燥設(shè)備的有效容積縮小近一半，而且不用攪龍，連續(xù)出粉。20世紀(jì)80年代又生產(chǎn)了單噴頭的立式壓力噴霧干燥設(shè)備，它在奶粉工業(yè)中的應(yīng)用事推動(dòng)我國(guó)乳粉工業(yè)技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，

13、為促進(jìn)我國(guó)奶粉工業(yè)的迅速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1.3干燥過(guò)程中的幾個(gè)問(wèn)題在乳粉噴霧干燥過(guò)程中有如下幾個(gè)問(wèn)題會(huì)影響乳粉的質(zhì)量，這也同樣是我們?cè)诳刂浦行枰P(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題：1.干燥溫度加熱過(guò)程中熱、質(zhì)交換的平衡非常重要，熱空氣溫度過(guò)高，易使乳滴表面硬結(jié)，內(nèi)部水分?jǐn)U散困難，導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)變性及熱敏性成分的損失，顆粒疏松，沉降性差，影響產(chǎn)品的復(fù)原性能；乳滴過(guò)大或濃度過(guò)高都易發(fā)生在干燥過(guò)程中由于乳固體提高，水分?jǐn)U散減慢而降低品質(zhì)。反之，干燥溫度太低，產(chǎn)品的含水量過(guò)高，會(huì)引起許多質(zhì)量問(wèn)題。干燥時(shí)物料的受熱的均一性極為重要，要求霧化液滴與熱介質(zhì)接觸良好，物料受熱程度一致，否則造成產(chǎn)品水分含量不一致，還會(huì)導(dǎo)致熱敏性組

14、分變性或損失。2.噴霧方式與壓力壓力噴霧干燥中，高壓泵壓力的大小是影響乳粉顆粒直徑大小因素之一。高壓泵的使用壓力高，霧化狀況好，但霧化的液滴小，產(chǎn)品顆粒小，色澤差；使用壓力低，則乳粉顆粒直徑就大，但可能造成霧化液滴太大而不易干燥。噴頭孔徑大，干燥所得的產(chǎn)品顆粒大，但孔徑太大易造成潮粉。離心噴霧時(shí)，噴頭的孔徑大小及內(nèi)孔表面的光潔度狀況，也影響乳粉顆粒直徑的大小及分布狀況，噴頭孔徑大，內(nèi)孔光潔度高，則得到顆粒直徑大、顆粒大小較為均勻一致的乳粉。乳粉顆粒的大小隨干燥方法的不同而異。一般來(lái)說(shuō)，壓力噴霧干燥法生產(chǎn)的乳粉顆粒直徑約為10100微米，平均為45微米；而離心噴霧干燥法生產(chǎn)的乳粉顆粒直徑則為30

15、200微米，平均為100微米。3.水分含量水分含量對(duì)乳粉質(zhì)量的影響有以下幾個(gè)方面：乳糖。含水分35的噴霧干燥脫脂乳粉，在37保存600日也不結(jié)晶化。水分約7.6時(shí)，37保存1日，28.5保存10日，20保存100日開始結(jié)晶；乳粉的色澤。乳粉在保藏過(guò)程中顏色會(huì)逐漸變深，這與水分含量關(guān)系很大，水分在4以下不易褐變，水分超過(guò)5，即使抽真空充氮包裝也易褐變；溶解度。水分含量在3以下，在充氮密封包裝后，在室溫下保藏二年，溶解度不會(huì)下降，水分超過(guò)5，溶解度易下降；微生物。含水量在5以下的乳粉經(jīng)密封包裝后一般不會(huì)有細(xì)菌繁殖，在23，細(xì)菌反而減少，超過(guò)5細(xì)菌就容易繁殖并容易產(chǎn)生陳腐味。但水分含量過(guò)低（小于1.

16、88）時(shí)，也容易發(fā)生氧化臭味。第二章 乳粉干燥工藝介紹及控制方案論證2.1乳粉噴霧干燥工藝介紹1噴霧干燥的過(guò)程 ：噴霧干燥包括濃縮物料微粒加熱、表面水分汽化、微粒內(nèi)部水分向表面擴(kuò)散以及對(duì)干物料的加熱。干燥過(guò)程可分為以下三個(gè)階段。預(yù)熱階段。 濃縮物料的微粒與干燥介質(zhì)接觸的瞬間，干燥過(guò)程便開始進(jìn)行，微粒表面的水分即開始汽化。微粒表面的溫度如低于干燥介質(zhì)的濕球溫度，則干燥介質(zhì)供給的熱量使微粒表面迅速達(dá)到濕球溫度；如微粒表面的溫度高于干燥介質(zhì)的濕球溫度，則其表面溫度因水分蒸發(fā)而迅速下降，直至達(dá)到汽化所需熱量平衡，此時(shí)預(yù)熱階段結(jié)束，干燥速度迅速增大，進(jìn)入恒速干燥階段。恒速干燥階段。 在恒速干燥階段，微粒

17、內(nèi)部的水分不斷向表面擴(kuò)散，表面水分不斷汽化，水蒸氣分壓等于水的飽和蒸汽壓，微粒表面溫度等于干燥介質(zhì)的濕球溫度（一般為5060）。干燥速度取決于干燥介質(zhì)的溫度、濕度、氣流狀況。干燥介質(zhì)溫度與微粒表面濕球溫度間溫差越大、濕度越低，微粒在干燥介質(zhì)中的分散性越好，干燥速度越大。恒速干燥階段約0.010.04s內(nèi)完成。降速干燥階段。 當(dāng)微粒內(nèi)部水分?jǐn)U散速度降至低于顆粒表面的蒸發(fā)速度，恒速干燥階段即告結(jié)束，降速干燥階段開始。在降速干燥階段，物料顆粒溫度將逐步超出干燥介質(zhì)的濕球溫度，并逐步接近干燥介質(zhì)溫度，干物料的水分含量也接近或等于該干燥介質(zhì)狀態(tài)的平衡水分。此階段的干燥時(shí)間較恒速干燥階段長(zhǎng)，為1030s或

18、更長(zhǎng)。2噴霧干燥的設(shè)備：最簡(jiǎn)單的噴霧干燥的設(shè)備是一個(gè)具風(fēng)力傳送系統(tǒng)的噴霧干燥器，見圖圖1 干燥室2 空氣加熱器3 牛乳濃縮缸4 高壓泵5 霧化器6 主旋風(fēng)分離器7 旋風(fēng)分離輸送系統(tǒng)深藍(lán)、淺藍(lán)、褐色依次為牛乳、空氣、乳粉。這一系統(tǒng)建立在一級(jí)干燥原理上，即從將濃縮液中的水分脫除至要求的最終濕度的過(guò)程全部在噴霧干燥塔室內(nèi)(1)完成。濃縮奶由一個(gè)高壓泵（4）送至干燥室（1）繼續(xù)進(jìn)入噴霧器（5），形成極細(xì)小奶滴被噴入混合室與熱空氣進(jìn)行混合?？諝庥娠L(fēng)扇吸入并通過(guò)過(guò)濾器，然后在加熱器（2）處加熱到150250，熱空氣經(jīng)分散進(jìn)入噴霧塔，在塔內(nèi)，經(jīng)噴霧的乳與熱空氣完全混合蒸發(fā)出奶中的水分。在干燥過(guò)程中奶粉在塔中

19、沉降到塔底排出。奶粉被冷風(fēng)冷卻下來(lái)并傳送到包裝段，冷風(fēng)由風(fēng)扇送至輸送管道，冷卻之后，混著冷風(fēng)的奶粉流動(dòng)到排放單元（7），在包裝之前奶粉由空氣中分離出來(lái)。一些小的、輕的顆?？赡芘c空氣混在一起離開干燥空間。這些粉在一個(gè)或多個(gè)旋風(fēng)分離器（6、7）中分離。經(jīng)分離后，這些粉再混回到包裝奶粉中，干凈干燥的空氣由風(fēng)扇自工廠抽出。3.噴霧干燥的方式：噴霧干燥物料的霧化方式有壓力噴霧干燥、離心噴霧干燥和氣流噴霧干燥。壓力噴霧干燥時(shí)物料在多缸柱塞式高壓泵下經(jīng)噴頭在干燥室中霧化，與干燥介質(zhì)進(jìn)行熱、質(zhì)交換。壓力噴霧設(shè)備的霧化器是噴頭，它必須使?jié)饪s乳能夠均勻地分散成微小的液滴目前使用最為廣泛的是M型和S型兩種。M型噴頭

20、的流通能力大，能適應(yīng)生產(chǎn)能力較大的噴霧干燥設(shè)備，噴頭噴孔精度高，紅寶石噴頭硬度大、耐磨性好，因此，濃乳的霧化情況好，操作穩(wěn)定可靠。S型噴頭加工較為方便，價(jià)格也較便宜，但流通能力較小，用不銹鋼制造的噴頭內(nèi)孔易于磨損，使用壽命較短。離心噴霧干燥是向水平方向作高速旋轉(zhuǎn)的圓盤上連續(xù)供以濃乳，使?jié)馊缭陔x心力的作用下高速甩出，形成薄膜或液滴，借助于周圍空氣的摩擦、阻礙與撕碎作用使之形成細(xì)霧。其設(shè)備如下圖所示濃乳在圓盤上的每一質(zhì)點(diǎn)均受到歲圓盤旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的切向力與離心力作用而產(chǎn)生的徑向力，其結(jié)果為以合速度在圓盤上運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以設(shè)想為一螺旋形，液體沿此螺旋線自圓盤上被拋出后，分散成很微小的液滴，并受到使其

21、沿圓盤的切線方向運(yùn)動(dòng)的離心力以及使其沉降的重力的合力作用。由于微粒的大小不一，所以它們受到的作用力也不一樣。這樣，就在不同的距離形成一個(gè)以轉(zhuǎn)軸為中心對(duì)稱的圓柱體。由于離心噴霧幾乎都是沿水平面作圓周運(yùn)動(dòng)，干燥介質(zhì)的流動(dòng)方向與濃乳液滴的流動(dòng)方向呈順流或混流。氣流噴霧干燥則借助于其他氣體的作用挾帶物料并經(jīng)過(guò)噴嘴形成微粒再行干燥。此法在化工生產(chǎn)上應(yīng)用較為普遍，在乳品生產(chǎn)方面很少使用。4.噴霧干燥的特點(diǎn)：噴霧干燥的過(guò)程迅速，干燥溫度較低，因此特別適用于熱敏性較強(qiáng)物料的干燥，產(chǎn)品能保持原有的營(yíng)養(yǎng)成分和性能；噴霧干燥設(shè)備可以方便的調(diào)節(jié)及改變干燥條件，能適用于不同質(zhì)量要求產(chǎn)品的干燥；由于干燥介質(zhì)與濕物料在空中

22、瞬間接觸時(shí)發(fā)生熱交換，因此，對(duì)換熱設(shè)備的壁面材料無(wú)需過(guò)高的要求；設(shè)備生產(chǎn)率很高，無(wú)需大量操作人員。但噴霧干燥設(shè)備的水分蒸發(fā)強(qiáng)度較小，因此，設(shè)備體積相當(dāng)龐大，價(jià)格昂貴，所需廠房面積也大；噴霧干燥設(shè)備熱效率很低，設(shè)備熱效率在30以下，是乳品工廠設(shè)備中熱效率最低的一種換熱設(shè)備。5.噴霧干燥的工藝條件：不同的產(chǎn)品對(duì)濃縮物料的濃度及濃縮物料的進(jìn)料量、廢氣的相對(duì)濕度均有不同的要求。濃縮物料的濃度一定程度上決定著噴霧干燥設(shè)備的產(chǎn)量和質(zhì)量，霧化設(shè)備的選用隊(duì)噴霧干燥的質(zhì)量也有著相當(dāng)大的影響。在通常情況下，離心噴霧法生產(chǎn)的乳粉顆?？傒^壓力噴霧法生產(chǎn)的大。在壓力噴霧法生產(chǎn)過(guò)程中，高壓泵的工作壓力應(yīng)控制在1020MP

23、a，不低于140MPa，噴孔的直徑在0.73.2mm左右。使用離心噴霧干燥時(shí)，離心機(jī)圓盤的轉(zhuǎn)速根據(jù)不同的直徑有所不同，一般在500015000rpm，乳品生產(chǎn)所采用的離心機(jī)圓盤的圓周速率一般在100160m/s。進(jìn)風(fēng)溫度控制在130170，廢氣的排氣溫度約在7485，廢氣的相對(duì)濕度在1013。進(jìn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量=干燥室內(nèi)水分蒸發(fā)量110120，排風(fēng)機(jī)排出風(fēng)量=干燥室內(nèi)水分蒸發(fā)量120140，干燥室內(nèi)形成23.3kPa的負(fù)壓。產(chǎn)品水分含量不超過(guò)2。2.2系統(tǒng)控制方案的論證及自動(dòng)控制變量的確定正確分析噴霧干燥機(jī)理，對(duì)自動(dòng)化控制方案的最后確定至關(guān)重要。衡量干燥設(shè)備應(yīng)用在特定的工藝條件下成功與否的主要指標(biāo)是干

24、燥產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，包括產(chǎn)品的粒徑分布、外觀及產(chǎn)品最終含水量等。產(chǎn)品的產(chǎn)量由生產(chǎn)復(fù)合的經(jīng)濟(jì)性能及熱空氣發(fā)生器所提供的熱量、干燥器的干燥強(qiáng)度、熱空氣流量、料漿中固形物的含量等條件決定。影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多：產(chǎn)品的粒徑及外觀由干燥設(shè)備的工藝性能及料漿配置工藝參數(shù)決定，而產(chǎn)品的最終含水量與干燥塔熱風(fēng)進(jìn)口溫度、尾氣出口溫度及干燥塔內(nèi)負(fù)壓等參數(shù)的選取有直接關(guān)系。在噴霧干燥操作中，干燥溫度是控制干燥產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素。根據(jù)過(guò)程的物料與熱量衡算及霧滴粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算表明，影響干燥溫度的因素有物料流量、空氣流量和入口空氣的溫度。系統(tǒng)中可選作調(diào)解參數(shù)的有：物料流入量、旁路空氣量（改變旁路空氣量可改變熱風(fēng)溫

25、度）、空氣加熱氣的溫度等。選其中任何一個(gè)調(diào)解參數(shù)都能夠構(gòu)成溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，達(dá)到控制干燥溫度的目的。如下圖所示，用調(diào)節(jié)閥位置代表3種調(diào)節(jié)方案。圖2.2.3是3種調(diào)節(jié)方案的方框圖。方案1（如圖所示）：將物料流量作為調(diào)節(jié)變量，物料經(jīng)泵送入干燥器，滯后最小，對(duì)干燥溫度的校正作用最靈敏，而且干擾位置最靠近調(diào)節(jié)閥，似乎最適宜作為調(diào)節(jié)參數(shù)，但物料流量是生產(chǎn)負(fù)荷，需要維持穩(wěn)定才能保證產(chǎn)量，故它不宜作為調(diào)節(jié)參數(shù)。方案2（如圖所示）：以旁路空氣流量作為調(diào)節(jié)變量，旁路空氣經(jīng)與熱風(fēng)混合后，再通過(guò)風(fēng)管進(jìn)入干燥機(jī)，比方案1將物料流量作為調(diào)節(jié)變量的流量調(diào)節(jié)通道滯后稍大，靈敏度次之。方案3（如圖所示）：是通過(guò)加入經(jīng)直接燃燒加熱

26、的空氣而改變空氣加熱器的溫度，熱空氣在調(diào)節(jié)閥處進(jìn)入系統(tǒng)。選用熱空氣流量作為調(diào)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)通道長(zhǎng)，容量滯后大，靈敏度最差，所有干擾進(jìn)入位置都靠近被調(diào)參數(shù)。圖圖圖另外，一個(gè)控制系統(tǒng)的確定應(yīng)該考慮多方面的因素。首先應(yīng)考慮工藝上的合理性。從上述分析，如果從控制系統(tǒng)的角度來(lái)看，方案1最好，但由于此方案是以改變生產(chǎn)負(fù)荷的方法來(lái)達(dá)到控制變量溫度不變的目的，在工藝上是不允許的，所以不予考慮。其次應(yīng)考慮可能性。在確定控制系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)該考慮是否可以檢測(cè)到所需要的信號(hào)。有時(shí)即使可以測(cè)量，但因測(cè)量所需的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，同樣可以認(rèn)為該信號(hào)無(wú)法測(cè)量。另外還應(yīng)考慮系統(tǒng)是否可以控制。如果所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本符合要求，但無(wú)法解決控制方

27、法或無(wú)法配置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，則此系統(tǒng)仍然不可采納。最后還需進(jìn)一步考慮有關(guān)控制系統(tǒng)中被控編變量、負(fù)荷變化對(duì)控制質(zhì)量影響的評(píng)估、調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選用等問(wèn)題。只有考慮好了以上問(wèn)題。才能設(shè)計(jì)好合理的控制系統(tǒng)。綜上所述，同時(shí)考慮在線測(cè)量裝置的經(jīng)濟(jì)性及必要性，對(duì)于噴霧干燥過(guò)程，選用第2種方案，即采用旁路空氣量作為調(diào)節(jié)參數(shù)為好2。第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案概述1.控制系統(tǒng)方案的確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)采用以單片機(jī)為核心的直接數(shù)字控制（DDC）方式。2.測(cè)量元件的選擇與“傳統(tǒng)的溫度傳感器+溫度檢測(cè)電路”相比較數(shù)字型溫度傳感器有著相當(dāng)明顯的優(yōu)勢(shì)，因此系統(tǒng)采用了數(shù)字型溫度傳感器DS1820。3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

28、在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇上，通過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，最終決定采用步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。4.輸入輸出通道及外設(shè)由于采用了數(shù)字型溫度傳感器DS1820故輸入通道非常簡(jiǎn)單，只由單線構(gòu)成。而步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)也意味著輸出通道僅為一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。在顯示方面系統(tǒng)采用LED作為外接顯示裝置。5.控制系統(tǒng)原理圖即硬件電路圖，見附錄。3.2 8031芯片及其外圍擴(kuò)展芯片介紹33.2.18031芯片介紹單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有決定性的影響，選擇它有以下要求：字長(zhǎng)。字長(zhǎng)能影響數(shù)據(jù)的精度，指令的數(shù)目，尋址能力和執(zhí)行操作的時(shí)間，在過(guò)程控制領(lǐng)域，一般選擇8位字長(zhǎng)的微處理器。尋

29、址范圍，尋址方式。指令的種類和數(shù)量。內(nèi)部存儲(chǔ)器的種類和數(shù)量。運(yùn)算速度。中斷處理能力。根據(jù)以上要求以及結(jié)合本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，可以選用MCS51系列的8031。所選8031的特點(diǎn)是：片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器，使用時(shí)需外加程序存儲(chǔ)器，使用時(shí)靈活方便，成本較低，是我國(guó)目前使用最多的一種機(jī)型。以下介紹8031的管腳及部分功能：控制口線：PSEN（片外取指控制）、ALE（地址鎖存控制）、EA（片外存儲(chǔ)器選擇）、RESET（復(fù)位控制）電源及時(shí)鐘：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2I/O口線不能用作用戶I/O口線。P3口是多功能口。I/O口線：P0，P1，P2，P3，共四個(gè)8位口。I/O口驅(qū)動(dòng)能力，P0口可驅(qū)動(dòng)

30、8個(gè)TTL門電路；P1，P2，P3則只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門。P3口是雙重功能口。 圖-1 8031管腳圖一、8031單片機(jī)片內(nèi)結(jié)構(gòu) 圖-2 8031片內(nèi)結(jié)構(gòu)8031片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖所示。它由7個(gè)部件組成。即微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。它們都通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成。其基本結(jié)構(gòu)依然是通用CPU加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)。二、存儲(chǔ)器8031內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，只有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2-3所示： FFFFHFFH RAM FFH SFR 存 特殊 儲(chǔ) 80H 功能 器 寄存器 RAM 80

31、H I/O 數(shù)據(jù)緩沖器 位尋址區(qū) 工作寄存器 0000H 內(nèi)部RAM 外部RAM 圖-3 8031存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖三、特殊功能寄存器 特殊功能寄存器是用來(lái)對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器是一個(gè)特殊功能的RAM區(qū)，位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之上。其地址為80HFFH的區(qū)域。特殊功能寄存器主要有：P0口鎖存器 P0 80H定時(shí)/計(jì)數(shù)控制寄存器 TCON 88HP1口鎖存器 P1 90H 串行口控制 SCON 98HP2口鎖存器 P2 A0H 中斷允許寄存器 IE A8HP3口鎖存器 P3 B0H 中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IPC B8H 程序狀態(tài)寄存器 PSW D0H 累加器 ACC E0

32、H 定時(shí)/計(jì)數(shù)分式寄存器 TMOD 89H SP 81H DPL 82H DPH 83H TL0 BAH TL1 BBH TH 8CH TH 8DH SBUF 99H 四、定時(shí)/計(jì)數(shù)器8031單片機(jī)內(nèi)有定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1。它們是16位的計(jì)數(shù)器，即可用于定時(shí)，也可用來(lái)對(duì)片外脈沖計(jì)數(shù)，T1還可作為串行口的選擇波特率發(fā)生器，這些功能都可通過(guò)軟件來(lái)設(shè)定或修改。五、以時(shí)鐘控制為核心的控制器 單片機(jī)執(zhí)行指令時(shí)，首先按PC所提供的地址從程序存儲(chǔ)器中取出指令碼，對(duì)該指令碼進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生一系列的定時(shí)控制的微操作，送到單片機(jī)各部分，控制整個(gè)單片機(jī)的運(yùn)行?？刂破鞯囊磺泄ぷ鞫际且砸粋€(gè)方波信號(hào)作基準(zhǔn)時(shí)鐘，這方波信號(hào)

33、作基準(zhǔn)時(shí)鐘的產(chǎn)生如圖3.2-4所示。圖A為內(nèi)部方式，圖B為外部方式。A圖 B圖 圖-4 8031時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展一、程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展性能它的擴(kuò)展特性決定了在其應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展中程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用的最多，擴(kuò)展方法也最容易簡(jiǎn)便。程序存儲(chǔ)器有單獨(dú)的地址編碼（0000HFFFFH）雖然與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址重疊，但不會(huì)被占用，使用單獨(dú)的控制信號(hào)和命令，程序存儲(chǔ)器的指令、數(shù)據(jù)讀取控制不用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的控制和MOVX命令，而是由控制，讀取數(shù)據(jù)用MOVC查表指令。由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，程序存儲(chǔ)器使用的芯片數(shù)量越來(lái)越少，因此地址選擇多半采用線選法。程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共用地址總線和數(shù)據(jù)總線。二、程序存儲(chǔ)器E

34、PROM的擴(kuò)展 程序存儲(chǔ)器一般采用只讀存儲(chǔ)器，因?yàn)檫@種存儲(chǔ)器在電源關(guān)斷后，仍能保存程序，在系統(tǒng)上電后，CPU可取出這些指令予以重新執(zhí)行。三、程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，除必須有EPROM芯片，還必須有鎖存器芯片。地址鎖存程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，地址鎖存信號(hào)為ALE，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的8D鎖存器74LS373。它是透明的帶有三態(tài)門的8D鎖存器。當(dāng)三態(tài)門的使能信號(hào)線E為低電平時(shí)，三態(tài)門處于導(dǎo)通狀態(tài)，允許Q端輸出；當(dāng)E端為高電平時(shí)，輸出三態(tài)門斷開，輸出端對(duì)外電路呈高阻狀態(tài)。因此74LS373用作地址鎖存器時(shí)，首先應(yīng)使三態(tài)門的使能信號(hào)E為低電平。這時(shí)，當(dāng)G輸入端為高電平時(shí)，鎖存器輸出（

35、1Q8Q）狀態(tài)和輸入端（1D8D）的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q中。EPROM程序存儲(chǔ)器 在本次設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際情況，選擇一片2764作為外接程序存儲(chǔ)器。圖-1 2764引腳圖 2764是28線雙列直插式三態(tài)輸出、輸入，輸出有TTL兼容，有維持工作方式，其引腳如圖所示，有和兩個(gè)控制端，單一+5V電源，當(dāng)和同時(shí)為1時(shí)輸出有效。外接程序存儲(chǔ)器的地址線A8A12由P2口提供。A0A7由P0口提供，且通過(guò)地址鎖存器74LS373。地址鎖存器的鎖存信號(hào)為ALE，指令數(shù)由P0口讀入，程序存儲(chǔ)器的取指信號(hào)為。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器地址重疊編號(hào)（0000HFFFFH），使用的不同的控制信號(hào)和指令，但它與I/

36、O及外圍設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一編址，任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器地址完全重疊，故兩者的地址總線和數(shù)據(jù)總線可完全并聯(lián)使用.在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM芯片有6116和6264兩種。本設(shè)計(jì)選用6264。其管腳如圖3.4-1所示： 圖-1 6264管腳圖靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與動(dòng)態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無(wú)須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故擴(kuò)展電路較簡(jiǎn)單。但由于靜態(tài)RAM是通過(guò)有源電路來(lái)保持存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。因此，消耗功率多，價(jià)格也昂貴。6264是Intel 公司的產(chǎn)品，8K×8位的靜態(tài)存儲(chǔ)芯片，其中62 是系列號(hào)，64 是序號(hào)，和存

37、儲(chǔ)容量有關(guān)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展電路與程序存儲(chǔ)擴(kuò)展電路相似，所用的地址線、數(shù)字線完全相同，使寫控制線用 、與其它I/O端口芯片進(jìn)行統(tǒng)一編址。RAM的掉電保護(hù)在系統(tǒng)中應(yīng)用都是易失的，一旦電源掉電，內(nèi)部的所有信息均破壞，這是不允許的。因此，希望一旦電源掉電，在掉電的瞬間，系統(tǒng)能自動(dòng)保護(hù)RAM中有用的信息和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，能自動(dòng)恢復(fù)掉電前的工作方式。掉電保護(hù)還可以在掉電瞬間表示系統(tǒng)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)送入沒有掉電保護(hù)的RAM，芯片中加以保護(hù)，當(dāng)電源恢復(fù)瞬間，將狀態(tài)數(shù)據(jù)送回原來(lái)的地方。電源恢復(fù)后繼續(xù)原來(lái)的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)所應(yīng)用的是鋰電池供電的掉電保護(hù)。因?yàn)楣ぷ鞯男枰?，不必掉電監(jiān)測(cè)，只要電源切斷就啟動(dòng)保護(hù)

38、電路。3.3溫度傳感器的選擇及其硬件接口數(shù)字式溫度傳感器DS1820是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的單線數(shù)字化測(cè)溫集成電路。它具有獨(dú)特的單線接口方式，即與微處理器接口時(shí)僅需占用1個(gè)I/O端口；支持多節(jié)點(diǎn)，使分布式溫度傳感器設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化；測(cè)溫時(shí)無(wú)需任何外部元件，可以通過(guò)數(shù)據(jù)線直接供電，具有超低功耗工作方式。測(cè)溫范圍為-55+125，測(cè)溫精度為0.5,可直接將溫度轉(zhuǎn)換值以9位數(shù)字碼的方式串行輸出，將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字編碼只需200ms。因?yàn)槊恳粋€(gè)DS1820有唯一的系列號(hào)，因此多個(gè)DS1820可以存在于同一條單線總線上。該溫度傳感器特別適合與各種微處理器接口組成自動(dòng)溫度測(cè)控系統(tǒng)，可以克服模擬傳感器與

39、微處理器接口時(shí)需要A/D轉(zhuǎn)換器和較復(fù)雜的外圍電路的弊端，可廣泛用于工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電子測(cè)溫計(jì)、醫(yī)療儀器等各種溫度測(cè)控系統(tǒng)中，可提高產(chǎn)品的可靠性、降低成本、縮小體積。一.引腳排列引腳說(shuō)明GND 地DQ 數(shù)字輸入輸出VDD 可選的VDDNC 空引腳DNC 不連接詳細(xì)的引腳說(shuō)明引腳PR35符號(hào)說(shuō)明1GND地2DQ單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳3VDD可選VDD引腳二.DS1820的結(jié)構(gòu)原理（1）DS1820的結(jié)構(gòu)DS1820由3部分組成：即64位光刻ROM、溫度傳感器、永久型溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，結(jié)構(gòu)圖見下圖。該方框圖表示DS1820有三個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：64 位激光ROM、溫度靈敏元件

40、和非易失性溫度告警觸發(fā)器TH 和TL。器件從單線的通信線取得其電源，在信號(hào)線為高電平的時(shí)間周期內(nèi)，把能量貯存在內(nèi)部的電容器中，在單信號(hào)線為低電平的時(shí)間期內(nèi)斷開此電源，直到信號(hào)線變?yōu)楦唠娖街匦陆由霞纳娙蓦娫礊橹埂Ｗ鳛榱硪环N可供選擇的方法DS1820也可用外部5V 電源供電。與DS1820 的通信經(jīng)過(guò)一個(gè)單線接口。在單線接口情況下，在ROM 操作未定建立之前不能使用存貯器和控制操作。主機(jī)必須首先提供五種ROM 操作命令之一：1） Read ROM(讀ROM)， 2） Match ROM(符合ROM),3)Search ROM(搜索ROM),4)Skip ROM(跳過(guò)ROM),或5 Alarm S

41、earch(告警搜索)。這些命令對(duì)每一器件的64 位激光ROM 部分進(jìn)行操作。如果在單線上有許多器件，那么可以挑選出一個(gè)特定的器件，并給總線上的主機(jī)指示存在多少器件及其類型。在成功地執(zhí)行了ROM 操作序列之后，可使用存貯器和控制操作，然后主機(jī)可以提供六種存貯器和控制操作命令之一。一個(gè)控制操作命令指示DS1820 完成溫度測(cè)量。該測(cè)量的結(jié)果將放入DS1820 的高速暫存貯器，通過(guò)發(fā)出讀暫存存儲(chǔ)器內(nèi)容的存儲(chǔ)器操作命令可以讀出此結(jié)果。每一溫度告警觸發(fā)器TH 和TL 構(gòu)成一個(gè)字節(jié)的EEPROM。 如果不對(duì)DS1820 施加告警搜索命令，這些寄存器可用作通用用戶存儲(chǔ)器。使用存儲(chǔ)器操作命令可以寫TH 和T

42、L。對(duì)這些寄存器的讀訪問(wèn)通過(guò)便箋存儲(chǔ)器，所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式被讀寫。（2）寄生電源當(dāng)I/O或VDD 引腳為高電平時(shí)，這個(gè)電路便取得電源。只要符合指定的定時(shí)和電壓要求，I/O 將提供足夠的功率。寄生電源的優(yōu)點(diǎn)是雙重的：1、利用此引腳遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)無(wú)需本地電源，2、缺少正常電源條件下也可以讀ROM。向DS1820供電的另外一種方法是通過(guò)使用連接到VDD 引腳的外部電源。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在I/O 線上不要求強(qiáng)的上拉。總線上主機(jī)不需向上連接便在溫度變換期間使線保持高電平。這就允許在變換時(shí)間內(nèi)其它數(shù)據(jù)在單線上傳送。此外，在單線總線上可以放置任何數(shù)目的DS1820。 而且如果它們都使用外部電源那

43、么通過(guò)發(fā)出跳過(guò)ROM命令和接著發(fā)出變換溫度命令，可以同時(shí)完成溫度變換。注意只要外部電源處于工作狀態(tài)GND 引腳不可懸空。在總線上主機(jī)不知道總線上DS1820 是寄生電源供電還是外部VDD 供電的情況下，在DS1820 內(nèi)采取了措施來(lái)通知采用的供電方案。總線上主機(jī)通過(guò)發(fā)出跳過(guò)ROM 的操作約定，然后發(fā)出讀電源命令，可以決定是否有需要強(qiáng)上拉的DS1820 在總線上。在此命令發(fā)出后，主機(jī)接著發(fā)出讀時(shí)間片。如果是寄生供電，DS1820 將在單線總線上送回“0” ；如果由VDD 引腳供電，它將送回“1”。如果主機(jī)接收到一個(gè)“0”， 它知道它必須在溫度變換期間在I/O 線上供一個(gè)強(qiáng)的上拉。（3）DS182

44、0的測(cè)量原理DS1820 通過(guò)使用在板on-board 溫度測(cè)量專利技術(shù)來(lái)測(cè)量溫度。溫度測(cè)量電路的方框圖見下圖DS1820 通過(guò)門開通期間內(nèi)低溫度系數(shù)振蕩器經(jīng)歷的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量溫度，而門開通期由高溫度系數(shù)振蕩器決定。計(jì)數(shù)器被預(yù)置在與-55相對(duì)應(yīng)的1個(gè)基數(shù)值，如果計(jì)數(shù)器在高溫度系數(shù)振蕩器輸出的門周期結(jié)束前計(jì)數(shù)到零，表示測(cè)量的溫度值高于-55，被預(yù)置在-55的溫度寄存器得值就增加1，然后重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到高溫度系數(shù)振蕩器的門周期結(jié)束為止。這時(shí)溫度寄存器中的值就是被測(cè)的溫度值，這個(gè)值以16位形式存放在便箋式存儲(chǔ)器中，其中高位字節(jié)為符號(hào)擴(kuò)展位，如果是正溫度范圍，則可只取低位字節(jié)，溫度值可由主機(jī)

45、通過(guò)發(fā)存儲(chǔ)器命令而讀出。斜率累加器是用于補(bǔ)償溫度振蕩器的拋物線特性。溫度讀數(shù)以16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供。下表說(shuō)明輸出數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量溫度的關(guān)系。數(shù)據(jù)在單線接口上串行發(fā)送，DS1820，可以以0.5 的增量值，在0.5 至+125 的范圍內(nèi)測(cè)量溫度。對(duì)于應(yīng)用華氏溫度的場(chǎng)合，必須使用查找表或變換系數(shù)。注意在DS1820 中溫度是以1/2LSB形式表示時(shí)，產(chǎn)生以下9 位格式：MSB（最高有效位） （最低有效位）LSB=-25最高有效（符號(hào)）位被復(fù)制到存儲(chǔ)器內(nèi)兩字節(jié)的溫度存儲(chǔ)器中較高M(jìn)SB的所有位，這種“符號(hào)擴(kuò)展”產(chǎn)生了下表所示的16位溫度讀數(shù)。溫度/數(shù)據(jù)關(guān)系三.DS1820與單片機(jī)的硬件接

46、口及編程因?yàn)镈S1820是單線接口式器件，因此它與單片機(jī)的硬件接口十分簡(jiǎn)單，只需占用單片機(jī)的一個(gè)雙向I/O口，其接口電路見下圖（以單獨(dú)電源供電，占用8031的P3.0口為例）。簡(jiǎn)單的硬件接口是以相對(duì)復(fù)雜的接口編程為代價(jià)的。DS1820的溫度轉(zhuǎn)換過(guò)程是在主機(jī)的控制下，通過(guò)單線接口接收主機(jī)發(fā)出的各種協(xié)議（時(shí)序），完成各種功能，其工作流程圖見附錄。主機(jī)控制DS1820完成任何操作之前，必須先對(duì)其進(jìn)行初始化，只有當(dāng)DS1820應(yīng)答準(zhǔn)備好后，主機(jī)才可發(fā)操作命令。3個(gè)基本接口程序是：DS1820初始化程序；寫DS1820子程序；讀DS1820子程序（見附錄）。3.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

47、方案1：直流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)采用直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)有其本身的一些優(yōu)點(diǎn)：首先，直流伺服電動(dòng)機(jī)有著寬廣的調(diào)速范圍，它的轉(zhuǎn)速隨著控制電壓的改變能在很寬廣的范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。其次，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性：機(jī)械特性是指控制電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系；調(diào)節(jié)特性是指電機(jī)轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。最后，直流伺服電動(dòng)機(jī)電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)很小，并且它有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)速便能隨著控制電壓的改變而迅速變化。另外，直流伺服電動(dòng)機(jī)沒有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象：它的控制電壓為零時(shí)能立即自行停轉(zhuǎn)。

48、除此之外，采用直流伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也存在一些電機(jī)本身設(shè)計(jì)所帶來(lái)的缺點(diǎn)，具體如下：1. 傳統(tǒng)的直流伺服電動(dòng)機(jī)大多采用電刷，以機(jī)械的方法進(jìn)行換向，因而存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械噪聲，從而使電刷的壽命縮短。2. 由于電刷的機(jī)械換向會(huì)產(chǎn)生電火花，會(huì)對(duì)伺服控制系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使控制系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作，造成控制失靈。3. 直流伺服電動(dòng)機(jī)的制造成本較高，維修困難，使它的應(yīng)用范圍受到極大的限制。方案2：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著內(nèi)在的聯(lián)系，因此很容易和其它數(shù)字器件進(jìn)行接口，這也為控制電路實(shí)現(xiàn)的多樣性提供了依據(jù)

49、。2. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，并且其步距誤差不會(huì)長(zhǎng)期積累，因此可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單而又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在高精度要求時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種無(wú)刷電機(jī)，因而其本體部件大大減少，可靠性能得以提高。4. 它易于起動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)，并且變速響應(yīng)性能好。5. 步進(jìn)電機(jī)停止時(shí)具有天生的自鎖能力。6. 距角選擇范圍大，可在幾十度至一百八十度大范圍內(nèi)選擇，在小步距角情況下，通?？梢栽诔退傧赂咿D(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以不經(jīng)減速而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。7. 電機(jī)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，并且只需要一臺(tái)控制器就可以同時(shí)控制幾臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)使它們完全同步運(yùn)行。同時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)

50、機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)：1. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載的能力較差，所以在使用時(shí)既要注意負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，又要注意負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，只有當(dāng)兩者選取在合適的范圍時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)才能獲得滿意的運(yùn)行性能。2. 不能使用普通的交直流電源驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，需要配上合適的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專用的驅(qū)動(dòng)電源。3. 存在失步和共振的問(wèn)題，因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速方法根據(jù)利用狀態(tài)的不同而復(fù)雜化。根據(jù)以上比較的結(jié)果，最終選擇了步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的執(zhí)行電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)1.步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)在微機(jī)控制系統(tǒng)中，常常要用到步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程或設(shè)備的數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特種電機(jī)，是工業(yè)過(guò)程控制及儀

51、表中的主要控制元件之一。它的勵(lì)磁繞組不直接接到單相或三相正弦交流電網(wǎng)上，也不能簡(jiǎn)單地和直流電源接通。它是受脈沖信號(hào)控制，靠一種叫做環(huán)形分配器的電子開關(guān)器件，通過(guò)功率放大后使勵(lì)磁繞組接規(guī)定順序輪流接通直流電源的。由于勵(lì)磁繞組在空間上按一定規(guī)律排列，依次和直流電源接通后，就會(huì)在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在該磁場(chǎng)的作用下電機(jī)轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且隨著脈沖頻率的提高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)增加。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，具有快速起停、精確步進(jìn)以及直接接收數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，因此在定位場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。2.步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)按工作原理和結(jié)構(gòu)可分為電磁型步進(jìn)電機(jī)和永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)或反應(yīng)式轉(zhuǎn)子電機(jī)兩大類。其中電磁

52、型步進(jìn)電機(jī)是早期的步進(jìn)電機(jī)，通常只有一個(gè)繞組，在微機(jī)控制系統(tǒng)中一般不用。永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)和反應(yīng)式轉(zhuǎn)子電機(jī)屬于第二類步進(jìn)電機(jī)，在永磁式轉(zhuǎn)子電機(jī)中，它的轉(zhuǎn)子是用永久磁鋼制成的，也有通過(guò)滑環(huán)供電的直流激磁繞組構(gòu)成的，即轉(zhuǎn)子是一個(gè)磁源；在反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)中，其轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成齒狀，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)有力矩慣性比高、步進(jìn)頻率高、頻率響應(yīng)快、不通電時(shí)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)、可雙向旋轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以在微機(jī)控制系統(tǒng)大量使用的是反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。本系統(tǒng)的執(zhí)行元件采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。同樣地，該電機(jī)由軟磁材料做成的定子和轉(zhuǎn)子組成。定子上有多個(gè)磁極，磁極上均勻布齒，每個(gè)磁極上繞有勵(lì)磁線圈，相對(duì)的磁極線

53、圈串構(gòu)成一相控制繞組。轉(zhuǎn)子上也同樣均布小齒，但并無(wú)繞組。通過(guò)輪流給各相定子繞組通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，而利用磁場(chǎng)磁導(dǎo)最大化的本性來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的模型如上圖所示，定子上安排6個(gè)磁極，相對(duì)的兩個(gè)磁極上放置著同一相的勵(lì)磁繞組。它們分別是A-A、BB、CC，相鄰兩個(gè)磁極間的夾角為60度，每個(gè)磁極上配有直流勵(lì)磁繞組，每個(gè)磁極面向轉(zhuǎn)子的部分各有5個(gè)均勻分布的矩形小齒。相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相，其繞組組成一相控制繞組。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而是在轉(zhuǎn)子圓周上均勻分布著40個(gè)矩形小齒，相鄰兩齒的夾角為9度，稱之為齒距角，計(jì)作,可用下式求得=360°/式中為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。轉(zhuǎn)子中的小齒和定子的小齒形狀相同，齒距也相同。當(dāng)某相繞組通電時(shí)，相對(duì)應(yīng)的磁極就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，如果這時(shí)定子的小齒沒有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子齒對(duì)齊，可見通電相中定子、轉(zhuǎn)子齒的錯(cuò)位是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的條件。假如按照AB C A順序依次通電，AA上通電時(shí)，為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒要與定子AA上的齒對(duì)齊。設(shè)轉(zhuǎn)子與定子A相中間的齒相對(duì)的齒記為0號(hào)齒。BB上通電時(shí)，為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒也要與定子BB上的齒對(duì)