《基于單片機的烤箱溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)設計》9200字【論文】

基于單片機的烤箱溫度實時監(jiān)測系統(tǒng)設計目錄目錄摘要 3Abstract 31前言 41.1研究背景 41.2研究現(xiàn)狀 41.3研究意義 51.4研究內(nèi)容 52外觀設計與選材 62.1烤箱外觀設計 62.1.1烤箱整體設計 62.1.2烤箱內(nèi)部設計 72.2材料選擇 72.2.1箱體材料選擇 72.2.2烤箱內(nèi)膽材質(zhì)選擇 72.2.3加熱管材質(zhì)選擇 83系統(tǒng)硬件設計 83.1總體設計 83.2單片機簡介 93.3烤箱溫度檢測電路設計 103.3.1溫度傳感器選型 103.3.2溫度檢測硬件電路 133.4輸出控制電路設計 133.4.1烤箱功率調(diào)節(jié)方式 133.4.2固態(tài)繼電器簡介 143.4.3輸出控制電路硬件電路 144系統(tǒng)軟件設計 154.1系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu) 154.2溫度檢測模塊程序設計 154.3輸入模塊程序設計 164.3輸出控制模塊程序設計 185設計結(jié)論 19參考文獻 20摘要：在科技的日益發(fā)達及生產(chǎn)技術水平的提高下，烤箱在工業(yè)生產(chǎn)和家庭中被廣泛地應用?？鞠涞淖钪饕夹g指標之一便是溫度，溫度控制能夠保證對產(chǎn)品能量所提供的穩(wěn)定性的保證，使食品能夠在一定的高溫下形成色香味俱全的美食。烘烤性能好壞由溫度的控制決定，因此消費者對烘烤溫度的穩(wěn)定性、準確度、實時性等需求愈來愈高。統(tǒng)的烘烤基本上都采用機械式控溫，受限于單一的控溫方法，使得烤箱溫度仍存在有一定比例不穩(wěn)定，大部分是因為自身的誤差和溫控器安裝導致。因此，本文設計了一個可以對溫度進行實時監(jiān)控并對其高精度控制的烤箱系統(tǒng)，來達到最理想的控溫效果。此設計烤箱以單片式微型計算機為硬件核心元件，配加了溫度探測器、溫度控制電路和溫度檢測電路，完成對溫度的實時監(jiān)測和控制。關鍵詞：雞胸肉；烤箱；溫度控制；單片機1前言1.1研究背景雞肉目前在我國是主要肉類品種之一，因其有蛋白質(zhì)含量高的同時脂肪含量和膽固醇含量低、味道鮮美、價格便宜等的優(yōu)勢而深受廣大消費者青睞。中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及在禽肉市場的不斷完善的背景下，與過去幾十年相比，人們對禽肉的消費水平發(fā)生質(zhì)的飛躍。2021年全球肉雞產(chǎn)量延續(xù)了長期以來的增長趨勢，禽肉生產(chǎn)地區(qū)集中度較高，美國、中國、巴西和歐盟肉雞產(chǎn)量分別為2037.8萬t、1470.0萬t、1450.0萬t和1085.0萬t[1]。我國在全球禽蛋和禽肉國際貿(mào)易中仍然占據(jù)主要地位。據(jù)FAO統(tǒng)計資料表明，我國禽蛋、禽肉和有關產(chǎn)品的貿(mào)易總額，在世界貿(mào)易總額中占7.31%。其中，在世界雞肉貿(mào)易總額中我國雞肉貿(mào)易占8.17%。中國是世界第二大雞肉生產(chǎn)國和消費國，我國的人均雞肉消費量為14.19公斤每年，美國的人均雞肉消費量50.96公斤每年。上述表明雞肉已經(jīng)成為消費者所喜愛的肉類產(chǎn)品之一。我國從2018年豬肉消費量的5530萬噸驟降到2020年的4270萬噸，雞肉作為豬肉的肉類替代品，在未來的消費需求中有望得到進一步提升[2]。由此可見，雞肉市場的正經(jīng)歷一個向上發(fā)展的趨勢，保守估計這一上升趨勢將繼續(xù)保持下去?？鞠渲谱魇澄锏脑硎抢妹芊馇惑w和電熱部件所產(chǎn)生的輻射熱來烤制食物，烤箱內(nèi)部封閉下的高溫環(huán)境為食物的烤制提供了可靠的熱能，溫度控制又保證了其熱量產(chǎn)生的穩(wěn)定性，使得食物能夠在高溫下成為色香味俱全的美食[3]。事實上，烤箱是熱處理生產(chǎn)中使用最普遍的加熱裝置，其經(jīng)過電熱部件產(chǎn)生熱能，通過輻射和對流的傳導途徑，把熱能傳導給需要升溫的物體，將其升溫至所需要的溫度。從2013年開始，普通家用烤箱迅速發(fā)展起來，產(chǎn)品包括臺式小烤箱（如圖1-1）和嵌入式烤箱（如圖1-2），產(chǎn)品主要由箱體、箱門、電熱部件、控制系統(tǒng)以及電器件等構(gòu)成。圖1-1臺式烤箱圖1-2嵌入式烤箱1.2研究現(xiàn)狀雞胸肉蛋白質(zhì)含量很高的同時，熱量又幾乎是全部肉類中最低的，同時富含對身體成長發(fā)育有利的磷脂類，人體可以很容易吸收，而且雞胸肉中還含有肌肽和甲肌肽，有助于防止身體衰老，從而形成健壯有活力的身體。根據(jù)統(tǒng)計，由于設備和技術發(fā)展滯后，相比于全球水平國內(nèi)的肉雞加工技術水平相對低下，深加工率僅有5.8%[4]。雞肉腸、鹵雞腿、鹵雞翅等肉制品在雞肉產(chǎn)品中占比較多，而烤制肉制品生產(chǎn)則相對較少，可見產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理。在雞肉類加工方式中烘烤也是人們一直青睞的工藝方法，雞胸肉通過烘烤，進行美拉德反應后生成產(chǎn)生濃郁的風味。傳統(tǒng)的烤箱在加熱過程中，雖然在烘烤室內(nèi)設有溫度傳感器以檢測內(nèi)部的溫度，但是對食物內(nèi)部溫度缺乏有效的檢測與控制，往往造成食物內(nèi)部不熟，影響食用口感及身體健康。與國外相比國內(nèi)針對烤箱的研究起步較晚，技術整體水平不高，研究也比國外少，許多烤箱性能與國外還是存在一定的差異[5]。目前，烤箱發(fā)展至今可劃分為家庭烤箱和工業(yè)烤箱。家用烤箱能夠用于制作某些面點，主要包括了臺式烤箱和嵌入式烤箱兩類。臺式烤箱非常靈活，可按照需求選用各種配置的小烤箱。嵌入式烤箱是經(jīng)典臺式烤箱的升級，其加熱功率大、烘烤速度快、溫控控制更加精準。工業(yè)烤箱則是在工業(yè)生產(chǎn)上用于烘烤的一類機械設備，如圖1-3所示，是由不銹鋼板以及冷鋼板所制成，表面覆漆，其工作室內(nèi)部則選用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)鋼材制成，工作室和外殼之間用硅酸鋁纖維填充。傳統(tǒng)的烤箱在加熱過程中，雖然在烘烤室內(nèi)設有溫度傳感器以檢測烘烤室內(nèi)的溫度，但是對食物內(nèi)部溫度缺乏有效的檢測與控制，往往造成食物內(nèi)部不熟，影響食用口感及身體健康。圖1-3工業(yè)烤箱1.3研究意義溫度是烤箱的關鍵技術指標，溫度控制保證了烤箱熱量供應的穩(wěn)定性，使食物能夠在相對穩(wěn)定的高溫下變成色香味俱全的美食。溫度控制的好壞決定著電烤箱性能高低，因此，人們對烤箱溫度控制的精度、可靠性、安全性、穩(wěn)定性等要求愈來愈高[6]。傳統(tǒng)烤箱主要采用機械式控溫，這種烤箱控制方法簡單，烤箱溫度控制不穩(wěn)定也有相當比例出現(xiàn)，主要是由于溫控器設置及自身的誤差造成。傳統(tǒng)烤箱缺乏對食物內(nèi)部相應的檢測和控制，難以檢測食物內(nèi)部溫度以及保證食物整體加工成熟度。實現(xiàn)對溫度和時間的自動調(diào)節(jié)和更加精確控制，對于工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展具有重大的意義，將對減少勞務生產(chǎn)成本、提升工業(yè)生產(chǎn)效益、節(jié)省能耗，產(chǎn)生相應的現(xiàn)實意義。1.4研究內(nèi)容本設計的研究內(nèi)容主要是設計一款烤制雞胸肉時能夠進行溫度實時監(jiān)測的大容量烤箱，其系統(tǒng)運行流程如圖1-4所示。本次設計的具體內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）設備整體外觀設計，設計中將對各組件進行相關設計和選材等；（2）對溫度控制系統(tǒng)的硬件部分進行設計，其硬件設計部分主要包括系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)、單片機簡介、溫度檢測電路、輸出控制電路。（3）對溫度控制系統(tǒng)的軟件部分進行設計，整個軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)和軟件主要模塊的程序設計：溫度檢測模塊程序設計、輸入輸出控制模塊程序設計、顯示模塊程序設計。圖1-4系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程圖2外觀設計與選材2.1烤箱外觀設計2.1.1烤箱整體設計烤箱外觀長為1230mm，寬為875mm，高為1535mm。箱體前側(cè)設有箱門，箱門上設有透明視窗和加長防燙把手。透明視窗設有三層玻璃，分別為內(nèi)隔熱玻璃、外隔熱玻璃以及中隔熱玻璃，防止熱量流失并且對食材烘烤程度一目了然，安全的同時又實用。箱門旁邊設有智能控制面板及LED數(shù)字顯示，精準調(diào)節(jié)烘烤狀況，烘烤溫度和時間實時顯示，烘烤狀況一目了然，簡單方便?？鞠鋫?cè)面設有防塵散熱孔，能夠高效散熱，讓部件更加耐用，壽命更長。整體外觀如圖2-1所示。圖2-1烤箱整體外觀圖2.1.2烤箱內(nèi)部設計本文所設計烤箱容量為380L，可同時烘烤約150塊雞胸肉，滿足一次大量烘烤需求。烤箱內(nèi)部共分為三層，單層內(nèi)膛長為870mm，寬為700mm，高為230mm。每層上下共12根平衡式發(fā)熱管，可上下火單獨加熱，使得雞胸肉受熱均勻，快速升溫。烘烤室配備紅外線測溫計和探針組件，紅外線測溫計用來進行烘烤室內(nèi)的溫度測量；探針組件包含了探針、手柄、探針溫度傳感器以及連接線。探針組件前部安裝有探針，其功能是插進雞胸肉內(nèi)部；探針組件后端還安裝有手柄，手柄的設計使用隔熱材料；手柄內(nèi)還安裝有探針溫度傳感器，并與探針相連，用于感應探針的溫度信號；連接線與探針溫度傳感器相連?？刂剖覂?nèi)安裝中央處理器，與紅外線測溫計和探針組件相連，用于提供信息處理?？刂剖覂?nèi)還設有控制器，控制器分別與中央處理器、加熱管相連，用于提供控制。2.2材料選擇2.2.1箱體材料選擇烤箱外殼采用不銹鋼材質(zhì)。不銹鋼有著較強的抗蝕性、成型性、相容性和強韌性，是大多數(shù)烤箱外殼所采用的材料。烤箱的操作面板主要材質(zhì)有：不銹鋼和鋼化玻璃。鋼化玻璃外觀好看容易清洗。不銹鋼耐銹蝕耐腐蝕，方便清理，安全衛(wèi)生。2.2.2烤箱內(nèi)膽材質(zhì)選擇烤箱內(nèi)膽的主要材料有搪瓷材質(zhì)、鍍鋅鋼、鍍鋁鋼以及不銹鋼、不沾涂料的內(nèi)膽。烤箱各種內(nèi)膽材質(zhì)的特點如表2-1所示。本課題設計烤箱內(nèi)膽選用1.5mm鍍鋁鋼板，具有很好的保溫功能，可承受高溫可達到600℃，而且抗氧化和腐蝕性都很強，同時使用壽命長久，是一種健康環(huán)保型內(nèi)膽材質(zhì)。表2-1各種內(nèi)膽材質(zhì)特點材質(zhì)特點搪瓷材質(zhì)搪瓷材質(zhì)具有無輻射、無污染、抗油污、易清洗等特點鍍鋅鋼材質(zhì)鍍鋅鋼材質(zhì)是使用較多的一種烤箱內(nèi)膽材質(zhì)，耐高溫達到300℃，成本較低。鍍鋁鋼材質(zhì)具有很好的保溫功能，可耐受高溫達到600℃，抗氧化和腐蝕性都很強，使用壽命長，是一種健康環(huán)保的內(nèi)膽材質(zhì)。不銹鋼材質(zhì)高端內(nèi)膽材質(zhì)，耐高溫及抗氧化腐蝕性比鍍鋁板略高，價格高，表面易臟，清潔起來不容易。不沾涂層的內(nèi)膽是在鍍鋅板或鍍鋁版表面噴涂一層密封的不沾油保護層，其油脂分離和抗腐蝕性再度提高，這樣更便于烤箱清潔，抗劃傷能力也得到提高[7]。2.2.3加熱管材質(zhì)選擇目前烤箱的加熱管主要的材質(zhì)有石英管（圖2-2）、不銹鋼管（圖2-3），本課題設計烤箱的加熱管采用不銹鋼管材質(zhì)，耐腐蝕、不易生銹、耐熱性能好、安全、可塑行強。圖2-2石英管實物圖圖2-3不銹鋼管實物圖石英管和不銹鋼管特點如表2-2所示。表2-2加熱管不同材質(zhì)特點材質(zhì)特點石英管熱導率較高，不需要遠紅外涂層，且價格便宜，但是使用壽命比較短，高溫容易發(fā)生爆炸不銹鋼管熱導率較高，產(chǎn)品質(zhì)量好，耐腐蝕和抗干燒，且壽命長久，安全性高3系統(tǒng)硬件設計3.1總體設計主要由單片機、溫檢電路、溫控電路、輸入電路、顯示電路及報警電路等若干部分構(gòu)成此控制系統(tǒng)，其硬件總體結(jié)構(gòu)框圖見圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖溫度傳感器采集烤箱內(nèi)部的溫度,將信號送入單片機，在單片機內(nèi)完成一系列數(shù)據(jù)處理，一邊將烤箱溫度通過液晶顯現(xiàn)；一邊將此數(shù)據(jù)值與設定的值進行對比，再依據(jù)偏差值的高低，通過PID控制算法加以計算后輸出脈沖波形，調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器開通與斷開，進而調(diào)控烤箱溫度控制。而一旦實際測到的溫度控制數(shù)值超出了系統(tǒng)所規(guī)定的溫度范圍，單片機控制器便往自動報警裝置發(fā)送命令，進而實現(xiàn)超溫報警。3.2單片機簡介本設計使用STC12C5608AD單片機，此單片機為低功耗的8051單片機，工作速度是傳統(tǒng)51單片機的12倍。內(nèi)部具備四路PWM，以及八路高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。而STC12C5608AD單片機包括了中央處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口、定時器、計數(shù)器以及看門狗等，基本上涵蓋了控制和數(shù)據(jù)采集過程中所需要的全部單元模塊[8]。STC12C5608AD單片機的主要特性如表3-1所示。表3-1STC12C5608AD單片機特點說明特性工作電壓5.5V-3.5V工作頻率0-35MHzI/O口27/23/15SRAM768定時器6個16位時鐘輸出2個SPI有UART有看門狗有EEPROM有A/D（8路）10位內(nèi)置復位內(nèi)部集成MAX810Flash程序存儲器字節(jié)8KPCA（16位）/PWM（8位)4路工作溫度范圍-40~+85℃/0~75℃封裝20-pin/28-pin/32-pin3.3烤箱溫度檢測電路設計溫度控制系統(tǒng)中的關鍵部分就是溫度檢測模塊，它承擔檢測烤箱的溫度并且把溫度數(shù)據(jù)傳輸至單片機的任務。3.3.1溫度傳感器選型為了對溫度信號進行檢測，本設計中選用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，它的所有傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都集于一只嵌入式集成化電路內(nèi)。當在遠距離測量溫度時，利用傳統(tǒng)的模擬信號面臨著許多技術上存在的問題，比如：引線必須經(jīng)過誤差補償、放大電路的零點漂移有偏差情況以及多點測量轉(zhuǎn)換有偏差現(xiàn)象等，唯有克服上述問題，才會有相對較高的檢測準確度。而且，在監(jiān)測場景內(nèi)由于環(huán)境條件較差，干擾信號強等現(xiàn)象出現(xiàn)，傳輸模擬信號也一定會受到上述各種因素的影響而產(chǎn)生誤差，從而檢測準確度受到影響。所以，本設計中采用了DS18B20溫度傳感器，其抗干擾能力強的。DS18B20溫度傳感器能夠做到將測得的溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并且做到了和單片機接口可以直接相連，大大精簡了電路。同時具備精確度高、體積較小以及適用電壓范圍廣等優(yōu)點，在實際使用中達到了優(yōu)異的溫度測量效果。所以本課題選用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其實物如圖3-2所示。圖3-2DS18B20實物圖DS18B20工作原理DS18B20數(shù)字溫度傳感器的測溫原理如圖3-3所示。圖中計數(shù)器2的脈沖輸入信號，就是由高溫度系數(shù)晶振頻率形成的脈沖信號，其晶振頻率受環(huán)境溫度干擾很大；計數(shù)器1的脈沖信號輸入，就是由低溫度系數(shù)晶振頻率所形成的信號，其晶振頻率基本上不受環(huán)境溫度的干擾，所形成的脈沖信號的頻率也是恒定的。一旦把圖中隱含著的計數(shù)門開啟，DS18B20將對由低溫度系數(shù)振蕩器所形成的時鐘脈沖加以計數(shù)，從而實現(xiàn)溫度的檢測。計數(shù)門的打開時間是由高溫度系數(shù)振蕩器決定的，在檢測之前，首先在溫度寄存器和計數(shù)器1中設置-55℃所相應的溫度控制基值。時鐘脈沖信號由低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生，從計數(shù)器1中開始對此時形成的時鐘脈沖信號實施減法計數(shù)，假如預置值減少到了0，則寄存器中的數(shù)據(jù)就要加1，接著再一次把預置值放入計數(shù)器1中，然后計數(shù)器1又再次開始執(zhí)行減法計數(shù)，直至計數(shù)器2中的預置值減少到了0時溫度寄存器值停止累加，而這時所測得的溫度值也正是溫度寄存器中的數(shù)值。斜率累加器的作用是在測溫過程中，起到修正和補償出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象的作用，斜率累加器的主要輸出作用是校正預置值，以上的過程在計數(shù)門處于打開狀態(tài)下仍然會重復進行，直至達到溫度寄存器中的值，以上這便是DS18B20的測溫原理[9-10]。圖3-3DS18B20測溫原理圖DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳定義DS18B20溫度傳感器利用一個單線接口通訊，在此條件下，需要預先創(chuàng)建ROM操作協(xié)議，方可完成存儲器和控制器操作。在完整執(zhí)行了一條ROM操作序列以后，就能夠?qū)崿F(xiàn)控制和存儲器的操作。根據(jù)一條控制操作指令，溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)一次溫度檢測。將測量的數(shù)據(jù)信息放入暫存器里，由一種能夠讀出暫存器信息的存儲動作指令對暫存器的信息讀出。溫度報警觸發(fā)器由一組EEPROM字節(jié)組成。當沒有對溫度傳感器采用報警搜索命令時，這些寄存器被當作一般的用戶存儲器使用，用一條存儲器操作命令就能夠?qū)H和TL執(zhí)行寫入，通過暫存器可以讀出這些寄存器內(nèi)容。圖3-4DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20管腳的排列方式如圖3-5所示。圖3-5DS18B20引腳排列圖DS18B20引腳的定義如表3-2所示表3-2DS18B20引腳的定義引腳定義DQ數(shù)字信號的輸入和輸出端GND電源地VDD外接供電電源輸入端DS18B2的特性DS18B20的主要特性如表3-3所示表3-3DS18B20特性說明特性電壓范圍3.0～5.5V溫度范圍－55℃～＋125℃接口方式單線接口方式組網(wǎng)功能支持多點組網(wǎng)轉(zhuǎn)換速度93.75ms/750ms傳送方式"一線總線"串行外圍元件無需外圍元件負壓特性芯片不會燒毀可編程分辨率9～12位3.3.2溫度檢測硬件電路DS18B20數(shù)字溫度傳感器有三種不同的供電方法，一個是寄生電源方式，寄生電源的供電方法由于不能夠提供充分的電流能量，因此會導致無法轉(zhuǎn)化溫度或溫度偏差較大。第二種方法是強上拉方式，強上拉方式不但可以供給充足的電壓能量，而且還可以在許多區(qū)域測量溫度，但唯一缺陷是在進行強上拉切換時需要多占據(jù)一根I/O口線。第三種方式是外部電源方式，目前為DS18B20最優(yōu)的工作方式，因為I/O線不需要再強上拉，同時也不會產(chǎn)生電源電流不足的狀況，因此能夠提高轉(zhuǎn)換準確性，運行平穩(wěn)安全，抗干擾能力較強，電路簡單，電源電壓范圍較廣。所以本設計系統(tǒng)選用外部電源供電方式。單片機的P3.2引腳與DS18B20溫度傳感器的DQ端連接如圖3-6所示。溫度傳感器供電方式選擇外部電源供電，并啟動溫度切換命令,，溫度傳感器隨即實施溫度轉(zhuǎn)換。溫度值在轉(zhuǎn)換成功后保存到高速存儲器中，單片機能夠通過單總線讀出該數(shù)值。圖3-6溫度檢測電路圖3.4輸出控制電路設計3.4.1烤箱功率調(diào)節(jié)方式控制烤箱的溫度是通過調(diào)節(jié)烤箱輸入工作電功率來完成的。目前的溫度控制儀都通過晶閘管進行輸出功率的調(diào)節(jié)。由晶閘管完成交流功率調(diào)節(jié)的主要方法有兩類：一類是利用可控硅移相激發(fā)調(diào)節(jié)，觸發(fā)方式為移相觸發(fā)；還有一類為通斷控制調(diào)節(jié)，觸發(fā)方式為過零觸發(fā)，實際上調(diào)節(jié)輸出功率的原理是利用調(diào)整交流電壓每周期內(nèi)電壓波頭產(chǎn)生的次數(shù)[11]。通斷控制調(diào)節(jié)方法可以避免污染電網(wǎng)以及高次諧波的影響，所以本設計系統(tǒng)即采用了通斷控制的調(diào)節(jié)方式。3.4.2固態(tài)繼電器簡介固態(tài)繼電器是由電子元件構(gòu)成的沒有觸點的開關元件，實物圖如圖3-7所示。其利用電子元件的開關特性，不斷的接通和斷開電路。固態(tài)繼電器擁有工作安全可靠、抗干擾能力強、使用壽命長久、對外界干擾小、開關速度迅速、可以和集成電路兼容等一系列優(yōu)點。圖3-7固態(tài)繼電器實物圖固態(tài)繼電器有交流型和直流型兩大類，圖3-8為交流型的固態(tài)繼電器工作原理圖。從圖中可知交流固態(tài)繼電器的主體由耦合電路、觸發(fā)電路、開關電路以及過零控制電路四部分構(gòu)成。固態(tài)繼電器從整體上看是一類四端的器件，其只有兩個輸入端和兩個輸出端。工作時只要在輸入端加上一定的控制信號,就可以控制輸出端之間的通斷，實現(xiàn)開關功能[12]。圖3-8固態(tài)繼電器工作原理圖3.4.3輸出控制電路硬件電路DS18B20新型溫度傳感器可以采集烤箱內(nèi)部的環(huán)境溫度,并將所采集到的溫度信號提供給單片機加以數(shù)據(jù)處理，由單片機將該溫度控制數(shù)據(jù)與預設值加以對比，再依據(jù)其相差的多少，采用PID算法求出溫度控制量，并輸產(chǎn)生PWM波，調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器的通斷，進而控制電烤箱溫度。固態(tài)繼電器的優(yōu)勢：控制電壓寬，為3～32V；驅(qū)動電流大，為5～20mA；通斷延長時間短，小于10ms等[13]。固態(tài)繼電器適合用在通斷頻率高的場合，也因為固態(tài)繼電器是無觸點式電子開關，所以在控制端加上由單片機產(chǎn)生的TTL高低電平，也可以改變固態(tài)繼電器的輸出狀況。輸出控制電路硬件電路圖如圖3-7所示。光耦負極連至STC12C5608AD單片機P3.5（PCA1/PWM1）引腳，如果P3.5輸出為高電平，則光敏三極管截止，固態(tài)繼電器閉合，電阻絲加熱；反之電阻絲不加熱。圖3-7輸出控制電路圖4系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)在單片式微型計算機的軟件開發(fā)中常用匯編語言和C語言，由于匯編語言的可讀性和可移植性相對比較差，而C語言的可讀性和可移植性相對比較好[14]，所以系統(tǒng)軟件設計部分使用了C語言進行實現(xiàn)。由于系統(tǒng)編程過程比較復雜，本設計系統(tǒng)使用模塊化結(jié)構(gòu)來設計程序，整個溫度控制系統(tǒng)包括為主模塊、溫度檢測模塊、輸入模塊、顯示模塊和輸出控制模塊程序設計等多個部分，系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖4.2溫度檢測模塊程序設計本設計系統(tǒng)溫度檢測模塊中所用的數(shù)字溫度傳感器，使用的是單總線通信協(xié)議，只要一條線就可以完成與單片機之間的數(shù)據(jù)通信。單片機經(jīng)過單總線端口訪問DS18B20的過程包括：（1）DS18B20的初始化（2）ROM命令操作只要單片機檢測到從屬器件的存在，就可以發(fā)出器件ROM操作命令（3）DS18B20的功能命令操作當總線控制器發(fā)出“跳過ROM”命令之后就能夠發(fā)出功能指令，經(jīng)過功能指令，單片機便能夠讀寫DS18B20中的數(shù)據(jù)。在運行DS18B20的全部流程中，可以大致分為如下幾方面：發(fā)出“跳過ROM”命令、啟動溫度轉(zhuǎn)換命令、等待溫度轉(zhuǎn)換、對DS18B20實行初始化操作、發(fā)出“跳過ROM”指令、最后發(fā)出讀取溫度命令。溫度檢測模塊程序流程如圖4-2所示。圖4-2溫度檢測模塊程序流程圖4.3輸入模塊程序設計本設計系統(tǒng)所使用的的是矩陣式鍵盤，鍵盤輸入模塊程序的主要功能是通過鍵盤掃描確定有無按鍵按下，一旦有按鍵按下則讀出此時的鍵值，讀出的鍵值數(shù)據(jù)是在主模塊內(nèi)進行的，其具體步驟如下所示：(1)先掃描鍵盤，看看有無按鍵按下先使其中的一列為低電平，其余幾列為高電平，然后開始檢測每行是否會出現(xiàn)低電平，如果檢測到其中某一行出現(xiàn)低電平，那么就可以確定被按下鍵的位置，然后用相同的方法依次輪流檢測其余各行列，當然也可以令行線為低電平狀態(tài)，然后用同樣的方法依次掃描各列是不是會出現(xiàn)高電平狀態(tài)[15]。(2)處理去抖動一旦有按鍵按下，則處于以上各種因素，抖動現(xiàn)象將會出現(xiàn)在觸點閉合亦或是斷開的一瞬間，會影響鍵盤功能的正常完成。因此只要確定有按鍵被按下，就要進行處理去抖動操作，在本設計系統(tǒng)中采取軟件延時的方式來實施去抖動操作。(3)計算鍵值第二步操作“去抖動”處理完后再次進行第一步操作“掃描鍵盤”，如果仍存在鍵被按下的情況，那么就計算出鍵值。(4)等待鍵釋放計算鍵值后，要通過延時運算進行按鍵釋放，目的就是為了確保鍵的一次閉合僅完成一次處理。鍵盤輸入模塊程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3輸入模塊程序流程圖4.3輸出控制模塊程序設計輸出控制模塊的任務是通過PID運算確定控制量，此控制量所管理被控對象的實質(zhì)是控制烤箱平均功率的大小，進而控制烤箱內(nèi)部的溫度。STC12C5608AD系列單片機集成了4路16位可編程式計數(shù)器陣列模塊或8位可調(diào)制脈沖輸出模塊。可編程式計數(shù)器陣列模塊能夠經(jīng)過程序設定，使其運行于8位可調(diào)制脈沖輸出模塊，以用作PWM輸出，而PWM的輸出頻率由PCA定時器的時鐘源決定[16]。而PCA定時器的時鐘輸入源有四個可以提供選用，它們?yōu)椋篠YSclk/12，SYSclk/2，定時器0的溢出，ECI/P3.4輸入。本課題選擇的作為PCA的時鐘輸入的方式是定時器0的溢出頻率，如此就能夠通過修改定時器0的溢出率，獲得可調(diào)頻率的PWM輸出。本課題使用了一個PWM模塊，該模塊連接到PCA1/PWM1引腳。所以只需要把PID輸出值轉(zhuǎn)換為PWM占空比輸入定時器和計數(shù)器的相應寄存器就完成了PWM的調(diào)節(jié)，輸出控制模塊程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4輸出控制模塊程序流程圖5設計結(jié)論在當今社會科技日益發(fā)達及生產(chǎn)技術水平的不斷提高下，烤箱勢必會不斷智能化?？鞠涞淖钪饕夹g指標之一便是溫度，溫度控制能夠保證對產(chǎn)品能量所提供的穩(wěn)定性的保證。本文設計了一款雞胸肉溫度實時監(jiān)測的大容量烤箱，來達到最理想的控溫效果。此設計烤箱以單片式微型計算機為硬件核心元件，配加了溫度探測器、溫度控制電路和溫度檢測電路，完成對溫度的實時監(jiān)測和控制。針對該設備，本課題已完成了外觀設計、硬件模塊、軟件模塊的設計和設備所需系統(tǒng)的設計?？鞠湔w參數(shù)為外殼長為1230mm，寬為875mm，高為1535mm，外殼整體材料由不銹鋼構(gòu)成，有較強的耐腐蝕性?？鞠鋬?nèi)部共分為三層，容量為380L，單層內(nèi)膛長為870mm，寬為700mm，高為230mm，采用鍍鋁鋼材質(zhì)，耐高溫耐腐蝕。烘烤室每層上下共12根平衡式發(fā)熱管，配備紅外線測溫計和探針組件。本設備可提供給熟食生產(chǎn)廠商用于食品烤制流程階段，也可提供給店面后廚進行食品烘烤。參考文獻[1]辛翔飛,鄭麥青,文杰,王濟民.2021年我國肉雞產(chǎn)業(yè)形勢分析、未來展望與對策建議[J].中國畜牧雜志,2022,58(03):222-226.DOI:10.19556/j.0258-7033.20220119-05.[2]王璽.