煙葉烤房溫濕度自動控制儀的設計

摘要：介紹了利用模糊控制技術研制的基于單片機的KF-1型煙葉烤房溫濕度控制儀的軟硬件設計。本控制儀使烤房內的溫濕度按照煙葉最佳生化控制曲線而變化，從而提高了烤房內溫濕度的控制精度和烤煙質量。

煙葉成熟采摘后必須經過烘烤加工才能制成工業(yè)用煙。這個烘烤過程一般需要幾十個小時，完全由人工控制烤房燃燒室的火車并監(jiān)測烤房溫度，所以煙農勞動強度很大；而且不能精確控制烤房內的溫濕度，也不能對烤程精確計時，使烤出的煙葉工業(yè)利用率較低。

    為解決上述問題，開發(fā)了KF-1型煙葉烤房溫濕度自動控制儀。該控制儀采用嵌入式單片機作為控制器，智能監(jiān)測傳感器溫濕度的變化，并根據煙順烤制過程中的最佳生化控制曲線，利用模糊控制技術控制執(zhí)行機構，保證烤房內溫濕度嚴格按照最佳生化控制曲線變化，從而提高了烤房內溫濕度控制精度及烤煙質量，減輕了煙農的勞動強度。

1 硬件系統的設計

KF-1型煙葉烤房溫濕度自動控制儀是針對國家煙草局在閩南地區(qū)推廣的煙葉烤房項目而設計的。這種類型的煙葉烤房前后均開設一個“門”，前門負責煤燃燒室的給風。需要增加火力升溫時加大前門的開啟量，從而使得烤房內溫度升高；反之減小其開啟時甚至關閉，使得烤房內溫度降低。后門用于調整烤房的濕度，濕度過高時加大后門的開啟量；反之減小其開啟量甚至關閉。KF-1型煙葉烤房溫濕度自動控制儀的硬件結構如圖1所示。

    1.1 主控芯片

為了降低控制儀的成本并減小體積，主控芯片（CPU）選用美國ATMEL公司的嵌入式單片機AT90S8535[1]。該芯片內部具有的8通道10位精度ADC，可滿足溫度轉換的精度要求；其內部的8K字節(jié)在線可編程FLASH、512字節(jié)SRAM及512字節(jié)在線可編程EEPROM可滿足編程調試的需要；32個可編程的I/O接口中除PA口用于A/D轉換外，其它I/O接口可接顯示電路、鍵盤輸入及預設置電路和執(zhí)行機構的驅動電路等。這樣，使用一片40腳的DIP芯片就可以完成設計要求，調試方便、控制靈活。

    1.2 信號采集保持電路

信號采集保持電路如圖2所示。KF-1型煙葉烤房溫濕度自動控制儀最多可處理6路溫度和濕度輸入信號，圖2所示為其中的一路。溫、濕度傳感器選用半導體熱敏電阻，運放選用精密運算放大器OP07，集成穩(wěn)定塊7805給OP07的正輸入端提供基準電壓，傳感器采集的溫、濕度信號送到OP07的負輸入端，電位器W1用于調節(jié)采樣基準，電位器W2用于調整運放的放大倍數。多路溫、濕度傳感器采集的溫、濕度信號分別經過信號采集保持電路處理后送到AT90S8535的PA口進行A/D轉換。

    1.3 LCD顯示驅動電路

LCD顯示驅動電路的硬件構成如圖3所示。顯示器用于顯示煙葉烘烤過程的設定溫濕度值、實時檢測的溫濕度值和烤程計時時間。這里選用帶背光的字符型液晶顯示器GXM0802BSL。這款液晶顯示器可顯示兩行字符，每行八位。AT90S8535的PC0～PC7和LCD的八位數據線連接，PD4～PD6與LCD的控制線連接，通過軟件編程實現顯示功能。

    1.4 按鍵和預置設置輸入及報警電路

本控制儀設計有兩個按鍵，一個用于設定溫、濕度顯示和實時檢測溫、濕度顯示之間的切換，另一個用于實現自動控制和人工控制之間的切換。兩個按鍵分別通過74LS20接外中斷1，同時與AT90S8535的PD0和PD1口連接。當有按鍵按動時，產生一個中斷信號，由中斷服務程序掃描PD0和PD1口，確定是哪一個按鍵請求中斷，然后調用相應的服務程序。報警電路選用聲光報警，當實際溫度和設定溫度的差值超出預定范圍時，聲光自動報警的同時控制執(zhí)行機構的驅動電路動作。另外，A/D轉換接口的PA6、PA7分別接一個精密電位器，用于預置溫濕度值。在按動溫度設定按鍵后，手動調節(jié)精密電位器來設定溫濕度，然后在一次按動溫度預定鍵予以確認。其硬件構成如圖4所示。

1.5直流電機驅動電路

直流電機驅動電路的硬件結構如圖5所示。本控制儀的執(zhí)行機構是兩個直流電機。用于控制前后風門的開啟量。兩個直流電機的驅動電路完全相同，圖5中僅給出了一路驅動電路的示意。直流電機的驅動由八路功率驅動芯片ULN2803A和微型繼電器實現。AT90S8535 PB口的高四位通過ULN2803A中的四路分別控制兩個直流電機的正反轉。前后風門各加兩個起保護作用的限位開關，四個門限信號通過74LS20送到外中斷0，同時分別和AT90S8535的PB口低四位連接，一旦有門限信號產生，中斷服務程序則掃描PB口低四位，確定信號位置后立刻關斷相應的電機。

2 軟件設計

在煙葉烤房溫度控制這樣的強時變、大時滯、非線性系統中，模糊控制的控制效果比傳統的PID等控制方法有著明顯的優(yōu)勢，它具有達到設定溫度時間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動小、反應靈敏、抗干擾能力強、節(jié)省電能等優(yōu)點。單片機技術已是目前常用的控制技術，把模糊控制的方法和單片機控制技術結合起來，可使本控制儀的性能指標達到最優(yōu)。

國家煙草局推廣的煙葉三段式烘烤工藝使煙葉的工業(yè)成品率有了很大的提高。該工藝將煙葉的烘烤過程分為三個階段，第一階段為變黃期，第二階段為定色期，第三階段為烘干期。各階段中對烤房的溫度要求如圖6所示。KF-1型煙葉烤房溫濕度自動控制儀的軟件控制方式是為實現該工藝的溫度控制曲線而設計的。

    在三段式煙葉烘烤過程中，溫度控制曲線要求第一、三段的升溫按照每小時1℃的固定斜率均勻升溫，第二段的升溫按照每小時0.5℃的固定斜率均勻升溫。溫度確定確認后，單片機首先根據輸入的各烤程溫度設定值（即該烤程的恒溫值）確定升溫斜率以及和升溫斜率對應的定時間隔；接著將采集到的環(huán)境溫度作為起始溫度值，并按照確定的時間隔將起始溫度值不斷地均勻提升為新的設定值；然后由模糊控制程序根據控制精度跟隨這個均勻提升的設定值對烤房溫度進行控制。當烤房內這個均勻提升的設定值對烤房溫度進行控制。當烤房內溫度達到烤程的溫度設定值時，結束升溫控制過程，進入恒溫控制狀態(tài)?？痉績葷穸鹊目刂品绞胶蜏囟瓤刂品绞筋愃啤？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D7所示。

圖9

    外中斷0服務程序用于判斷門限信號的位置并強行停止相應的電機運轉，其流程圖如圖8所示。外中斷1服務程序用于處理按鍵請求，如果是溫濕度預置鍵請求，則完成溫濕度預置后返主程序；如果是控制方式切換請求，則設置標志位后返回主程序。其流程如圖9所示。

圖10

    程序中烤程計時由計時中斷服務程序實現。計時顯示小時和分鐘。對AT90S8535的16位定時/計數器1進行1/1024分頻，設定初值使其每6秒鐘產生一次中斷，10次中斷為一分鐘。程序流程如圖10所示。