单片机理论下害虫耐高温测控系统设计浅析

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义
近年来，随着经济全球化的发展，国际贸易交流愈发频繁。各种害虫，特别是生命力比较顽强的害虫，也随着商品贸易从一个国家传到另一个国家。随着我国改革开放不断深化，国际贸易飞速发展，出口量逐年增加。而出口企业为了保持在国际贸易中的竞争力，在生产过程中就必须对产品进行严格的灭菌杀虫处理，以满足国外对进口产品的要求。尤其是一些容易寄生害虫的农产品，如蔬菜、瓜果等，这些农产品在通关前完成除害处理工作就显得尤为重要。
灭虫方法较多，常用的灭菌杀虫方法有化学处理和物理处理两种形式。化学处理方法中较为常用的是熏蒸杀虫法，物理处理方法中常用的有热处理、辐射处理和冷冻处理。在化学处理方法中，传统的熏蒸杀虫法是采用熏蒸剂一类的化学物质，在密闭的场所中杀死害虫、病菌或者其它有害生物的技术措施。这种方法虽然杀虫效果好，但会给环境带来污染，而且经过熏蒸后的产品可能带有残余的杀虫剂，特别是在一些食用类产品中如果带有化学残留物，将给人们的身体健康带来极大的危害。
在物理处理方法中，热处理杀虫主要是用射频的方法对害虫进行热处理，通过高温破坏害虫体内的细胞组织，最终杀死害虫；辐射处理主要是把害虫放置于有放射性的环境中，利用射线（如钴60-γ射线）的辐射作用，使其直接死亡或不育；冷冻处理主要是通过长时间的低温，降低害虫体内酶的活性，终止正常的新陈代谢活动，最终至其死亡。物理杀虫法通常具有无毒无害、适用范围广和没有化学污染等优点，它在实际中较化学杀虫法应用更广。在物理灭虫法中，热处理杀虫与其它方法相比，具有对产品的品质影响小、无辐射和便于实际操作等优点，因而逐渐受到人们的重视。
在进行热处理杀虫时，需要做到既能快速有效的杀灭产品中的害虫，又能在整个处理过程中不至于严重影响产品的品质。为了实现这样的目标，就需要了解寄生在农产品中害虫的热特性，以此获得在100%害虫灭杀率、最小的能源消耗和对农产品品质影响最小的前提下，所需要的最优加热速度、保温温度和保温时间。为此，就有必要开发研究农产品害虫耐热特性的实验装置。本文的目的就是设计一套农产品害虫耐热特性测试系统，该系统主要功能为模拟热处理杀虫环境，实现对害虫稳定快速的热处理。系统应具有良好的人机交互界面，通过设定不同的加热速率、保温温度和保温时间，可获得热处理杀虫的最佳方案。所获得的数据将为热处理杀虫技术提供有价值的参考。

1.2 温度测控技术的发展及现状
害虫耐热特性测试系统主要用于对农产品害虫稳定快速的热处理，系统设计中主要用到温度检测与温度控制等方面的知识，因此了解温度测量与控制技术的发展状况对合理的设计系统十分重要。以下分别对相关内容做详细介绍。
1.2.1 温度测量技术
温度与人类生活、工农业生产以及科学实验等活动密切相关。在实践当中，人们发现物体的某些物理量会随着温度的变化而变化（如物体的体积、弹性模量、导电率、热电势以及光辐射等），然后利用物体的某种特性将其制作成温度计。在实际中，按其工作方式可将其分为接触式测温与非接触式测温。
1.2.1.1 接触式测温接触式测温的特点为感温元件与被测对象接触，通过传导或对流的方式使二者充分进行热交换，最终达到热平衡时传感器的测量值即代表被测对象的温度。这种测量方法由于需要将感温元件与测量物体或介质充分接触，并且测量的是热平衡状态时的温度，因此所得的测量结果真实可靠。但是接触式测温也存在一些明显的缺点，主要包括以下几个方面：
1）由于测温时需将感温元件与被测对象充分接触，因此接触点处的温度场分布会受到影响；
2）当感温元件与被测对象出现接触不良时，测温速度与测量结果准确性将会受到影响；
3）难以对腐蚀性介质、高温介质、热容量较小的物体以及运动物体的温度进行测量。

    1.3 研究内容和技术路线 ..............17-19
        1.3.1 研究内容 ..............17-18
        1.3.2 技术路线 ..............18-19
第二章 系统总体方案设计 ..............19-23
    2.1 系统控制要求和总体结构 ..............19-21
    2.2 系统工作过程 ..............21
    2.3 温度控制方案 ..............21-22
    2.4 本章小结 ..............22-23
第三章 系统硬件设计 ..............23-44
    3.1 加热装置的设计 ..............23-27
    3.2 硬件电路的设计 ..............27-42
        3.2.1 温度检测模块 ..............28-30
        3.2.2 A/D转换部分 ..............30-32
        3.2.3 AVR单片机控制模块 ..............32-33
        3.2.4 输入输出模块 ..............33-35
        3.2.5 温度控制模块 ..............35-36
        3.2.6 过热保护 ..............36
        3.2.7 电源部分 36-41
        3.2.8 PCB 制作 41
        3.2.9 硬件封装 41-42
    3.3 本章小结 ..............42-44
第四章 系统软件设计 ..............44-58
    4.1 下位机程序设计 ..............44-48
    4.2 上位机软件设计 ..............48-56
        4.2.1 数据处理子程序 ..............48-49
        4.2.2 温度输出子程序.............. 49-51
        4.2.3 PID控制子程序 ..............51-52
        4.2.4 加热速度控制子程序 ..............52-53
        4.2.5 带死区温度控制子程序 ..............53
        4.2.6 上位机串行通信子程序..............53-55
        4.2.7 人机交互界面设计 ..............55-56
        4.2.8 系统软件的制作 ..............56
    4.3 本章小结 56-58
第五章 系统调试与完善 ..............58-66
    5.1 系统软硬件的联合调试 ..............58
    5.2 温度传感器的校正 ..............58-59
    5.3 加热速度的校正 ..............59-60
    5.4 控制参数的确定 ..............60-62 
    5.5 系统功能验证 ..............62-65
    5.6 本章小结 ..............65-66

总结

本文全文详细介绍了系统的总体构成，各个功能模块的设计以及实现，同时完成了人际交互界面的设计。整套系统主要由PC机和单片机两个核心部分组成，充分综合了PC机和单片机的优点。AVR单片机具有集成度高、控制功能强、系统结构简单等优点，但存储量小、处理数据能力相对较弱，无法在短的时间内完成数据的分析。而PC机则可充分利用在数据处理以及图像显示等方面的优势，既可通过软件对单片机进行控制，又可对串口接收数据进行存储、处理、显示和分析。
设计了农产品害虫耐热特性测试系统的总体结构，提出了具体的控制要求，在此基础上明确了系统的工作过程，并制定了详尽的温度控制方案。
系统硬件主要包括加热装置与硬件电路两大部分组成。加热装置主要由上铝板、下铝板、密封片、加热片、保温材料、温度传感器以及外壳等部分组成。首先设计并制作了系统的上、下加热铝板，然后选择铂电阻温度传感器Pt100作为温度传感器，Atmega16单片机作为微控制器，以LM317、Ref5050等稳压芯片设计了整个硬件电路的供电电源，用电桥电路和放大器INA114设计了信号调理电路，以A/D转换器TLC2543为基础设计模数转换电路，通过三极管和固态继电器等部件完成了温度控制电路的设计，最终设计并制作完成了农产品害虫耐热特性测试系统的加热板和硬件电路。