单片机的牦牛肉冰点保鲜系统设计与实现
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作者:鞠昊翀 高红梅 王辉
摘 要：本文针对牦牛肉的冰温保鲜，结合单片机的温度控制原理，设计实现了牦牛肉冰点保鲜系统。系统由stc89c52单片机作为控制芯片，由数字温度传感器ds18b20和lcd1602液晶屏构成的。整个系统由单片机控制、液晶显示、语音控制和温度采集部分组成，实现了对牦牛肉的冰温保鲜，对农牧民和牦牛肉商家延长牦牛肉保鲜期并同时保证牦牛肉的品质有一定的指导借鉴意义。
关键词：牦牛肉冰温 单片机控制 保鲜
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0112-03
牦牛肉一直是西藏的重要营销食品，延长牦牛肉的保鲜势在必行。目前，市场上已有的保鲜技术包括：冷藏、冷链、气调。然而，这些技术存在一些不理想的状态，尤其对好氧菌不能起到有效的抑制作用。针对牦牛肉的保鲜，郑文豪做过基于单片机的温度控制系统设计[1]，付丽做过天然保鲜剂与冰温保鲜协同对牛肉保鲜效果的研究[2]。拉萨市场现在多采用冰冻，挂卖的方式进行售卖，这严重影响了牛肉的新鲜度。冰鲜保温技术是新的一种新型的保鲜技术，采用该技术，能够在保证细胞活性的前提下抑制好氧菌等微生物的滋生。因此，开展对拉萨牦牛肉的冰温保鲜的研究与分析， 具有很好的实践意义。
1 研究背景
1.1 冰温保鲜
冰温保鲜技术是指将食品的贮藏温度控制在其冰温带的范围内，即通过测试，确定不同食品的冰点温度，从而确定其“冰温带”，然后将该食品放置在自身的冰温带范围内的合适温度点进行贮藏。
冰温贮藏的机理是：将食品的贮藏在它自身的冰温带范围内，以便维持其组织细胞的活性。研究学者们一致认为冰温保鲜技术是在冷藏和冻藏技术上的质的突破。冰温保鲜技术并非指水的冰点温度，不同食品的冰点温度不同。在对某种食物进行冰温贮藏时，必须探索研究实验其合适的“冰温带”。
1.2 单片機背景
单片机具有很高的性价比，其用来开发和创新所涉及的领域尤其多，只需要一个芯片与简单的一些外围元件就可以形成一个智能控制系统。此外，单片机还具有很高的集成度，其内部采用总线结构，大幅度减少了外围线路的连接，这使得其具有很高的抗干扰的特性。综上所述 ，采用单片机作为控制核心，具有很高的创新性，而且在控制上更是有丰富的指令能够满足我们控制精确，抗干扰性强的需求。
1.3 拉萨牦牛肉特点
作为生长在海拔极高的西藏牦牛，它们以纯天然的草料为食，肉质纯净不含有一丁点的激素，同时由于生长在高原的原因，其肉质呈现稀少的高原红色。除此之外牦牛肉还有高蛋白、低脂肪并含有多种微量元素的特点，正是如此，牦牛肉成为国家公认的高级肉类，而且其功效具有补血，促进人体的生长发育，更有助于促进人体组织细胞的修复。相比而言，内地的牛肉为了供应市场的需求大多都是养殖场进行养殖的，基本上都是会含有一些激素，对人的身体也会产生一些不可避免的影响。由此足以看出西藏牦牛肉的优质性。然而现在大多数的牦牛肉都是因为运输不便的原因，将出售不完的牛肉冰冻起来，当有需求的时候再进行解冻，周而复始的冰冻解冻会大大地降低肉类的营养成分并且会影响肉的组织细胞的活性。所以进行牦牛肉的保鲜势在必行。
2 研究设计
2.1 温度传感器的选择
模拟集成传感器对于提高系统抗干扰能力有很大的帮助，但需要放大电路和A/D转换电路，电路设计较为繁琐。而数字单片智能温度传感器DS18B20是美国DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，其温度测量范围为-55℃～125℃，其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入。并且仅需要一条接口线即可实现与微处理器的双向通信，多个DS18B20还可以将数据线并联到CPU的同一根数据线上，占用CPU的端口较少，制作简单，外接电路简单。因此本设计采用温度传感器DS18B20。
2.2 单片机的选择
采用单片机作为系统控制器主要是由于单片机的开发环境要求低，软件资源丰富。使用STC单片机更是只需要串口就可以实现程序下载，无需专用的下载器和仿真器，具有很高的性价比，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数。从设计的实用性，方便性和成本出发，选择了以STC89C52单片机作为中央处理单元。
2.3 LCD1602液晶显示模块
（1）重要的管脚功能。
1602采用标准的16脚接口，其中：第1引脚：GND或者VSS通常接地;第2引脚：VCC接+5V;第7～14引脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。第15引脚背光正极，第16引脚背光负极。
（2）特性。
3.3V或5V工作电压，对比度可调内含复位电路提供清屏、字符闪烁、光标闪烁。并且有80字节显示数据存储器DDRAM。
（3）特征应用。
耗能低、显示数据多并且提供清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能的各种控制命令。另外1602可以识别ASCII码，所以在实际测试中可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值。
2.4 DS18B20传感器 （1）概述。
可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是-55℃～125℃，测温误差0.5℃。可编程分辨率9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。相较热电偶传感器而言可实现高精度测温。
（2）特性。
DS18B20传感器无需外围元件，其供电范围为3.0V至5.5V，温度可测量范围为：-55℃～+125℃（-67℉～+257℉）;当温度范围超过-10℃～85℃之外时具有±0.5℃的精度，内部温度采集精度可以由用户自定义为9-Bits至12-Bits。
（3）管脚定义。
Pin1：（VDD），可选的电源引脚;
Pin2：（DQ），单线运用的数据输入/输出引脚;
Pin3：（VDD），接地端，电源负极;
（4）DS18B20模块电路图。
DS18B20的模块电路图如图1所示，其引脚包括1号地信号引脚，2号数据输入输出引脚开漏单总线接口引脚，3号可选择的VDD引脚。
2.5 系统框图
由最小的单片机系统stc89c52作为最小的控制系统，这里采用LCD1602液晶显示作为显示模块替换了以前的数码管显示。如图2所示。
2.6 系统的总原理图
通过仿真原理图可以直观的看出各模块的线路以及接口连接情况，并且可以进行测试，以确保各模块功能得到实现，如图3所示。该图是proteus仿真的各模塊的连接电路原理图。
3 保鲜系统实现
3.1 总体程序流程图
本系统的软件流程设计利用定时器实现数据的扫描。接着就进入一个死循环，死循环执行以下内容：（1）读取当前的温度值;（2）显示检测到的温度值;（3）判断检测到的温度是否超出设置的上下限，是的话则启动声光报警，还有模拟恒温装置;（4）延时并进行按键扫描，若检测到按键按下，则进入温度上下限设置的状态。
3.2 温度传感器程序
读取温度值的流程图如图4 所示，首先是初始化传感器，相当于是一次复位的过程，由于本设计只接了一个传感器，因此无需区别传感器的序列号，直接发一个指令0xcc跳过ROM寻找，接着发一个0x44的指令给传感器，让传感器启动温度转换。然后再次复位传感器，接着还是一样的跳过ROM指令0xcc，再往下就是发0xbe给传感器准备读取传感器的检测结果，最后就是读取传感器返回的检测结果。
4 结语
本设计首先构建先进的温度控制体系，以保证可以精确的测温。以功能强大的数字单片智能温度传感器等优秀合理的器件进行构建，保障了体系的稳定性、精确性、可稳定性和维护性。在此基础上可以进行多次实验从而测出牦牛肉的冰温带，从而为牦牛肉的冰温控制体系提供温度基础。本设计虽然简单，但却是温度控制领域的基石，此体系更是有很大的改进和创新空间，可从多个方向出发进行扩展，从而实现更强大的温度控制体系，如进一步扩展构建成本较大的冰温控制体系，甚至可以加上无线收发模块，这样就可以实现无线接收数据并处理控制。
参考文献
[1] 郑文豪，赵鹏，李刚.基于单片机的温度控制系统设计[J].电子制作，2019（11）：72-74.
[2] 付丽，党美珠，胡晓波，等.皇甫幼宇.天然保鲜剂与冰温保鲜协同对牛肉保鲜效果的研究[J].食品工业科技，2018，39（17）：263-268，275.
[3] 陈雪，罗欣，朱立贤，等.牛羊肉冰温保鲜技术研究进展[J].食品科学，2019，40（7）：314-319.
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