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煙葉烤房溫濕度自動控制儀的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了利用模糊控制技術(shù)研制的基于單片機(jī)的KF-1型煙葉烤房溫濕度控制儀的軟硬件設(shè)計(jì)。本控制儀使烤房內(nèi)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(nèi)溫濕度的控制精度和烤煙質(zhì)量。關(guān)鍵詞：溫度控制 模糊控制技術(shù) 嵌入式單片機(jī) AT90S8535
煙葉成熟采摘后必須經(jīng)過烘烤加工才能制成工業(yè)用煙。這個(gè)烘烤過程一般需要幾十個(gè)小時(shí)，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(nóng)勞動強(qiáng)度很大；而且不能精確控制烤房內(nèi)的溫濕度，也不能對烤程精確計(jì)時(shí)，使烤出的煙葉工業(yè)利用率較低。
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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(jī)作為控制器，智能監(jiān)測傳感器溫濕度的變化，并根據(jù)煙順烤制過程中的最佳生化控制曲線，利用模糊控制技術(shù)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證烤房內(nèi)溫濕度嚴(yán)格按照最佳生化控制曲線變化，從而提高了烤房內(nèi)溫濕度控制精度及烤煙質(zhì)量，減輕了煙農(nóng)的勞動強(qiáng)度。
1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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(xiàng)目而設(shè)計(jì)的。這種類型的煙葉烤房前后均開設(shè)一個(gè)“門”，前門負(fù)責(zé)煤燃燒室的給風(fēng)。需要增加火力升溫時(shí)加大前門的開啟量，從而使得烤房內(nèi)溫度升高；反之減小其開啟時(shí)甚至關(guān)閉，使得烤房內(nèi)溫度降低。后門用于調(diào)整烤房的濕度，濕度過高時(shí)加大后門的開啟量；反之減小其開啟量甚至關(guān)閉。KF-1型煙葉烤房溫濕度自動控制儀的硬件結(jié)構(gòu)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(jī)AT90S8535[1]。該芯片內(nèi)部具有的8通道10位精度ADC，可滿足溫度轉(zhuǎn)換的精度要求；其內(nèi)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(diào)試的需要；32個(gè)可編程的I/O接口中除PA口用于A/D轉(zhuǎn)換外，其它I/O接口可接顯示電路、鍵盤輸入及預(yù)設(shè)置電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路等。這樣，使用一片40腳的DIP芯片就可以完成設(shè)計(jì)要求，調(diào)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(dǎo)體熱敏電阻，運(yùn)放選用精密運(yùn)算放大器OP07，集成穩(wěn)定塊7805給OP07的正輸入端提供基準(zhǔn)電壓，傳感器采集的溫、濕度信號送到OP07的負(fù)輸入端，電位器W1用于調(diào)節(jié)采樣基準(zhǔn)，電位器W2用于調(diào)整運(yùn)放的放大倍數(shù)。多路溫、濕度傳感器采集的溫、濕度信號分別經(jīng)過信號采集保持電路處理后送到AT90S8535的PA口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
1.3 LCD顯示驅(qū)動電路
LCD顯示驅(qū)動電路的硬件構(gòu)成如圖3所示。顯示器用于顯示煙葉烘烤過程的設(shè)定溫濕度值、實(shí)時(shí)檢測的溫濕度值和烤程計(jì)時(shí)時(shí)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(shù)據(jù)線連接，
PD4～PD6與LCD的控制線連接，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)顯示功能。
1.4 按鍵和預(yù)置設(shè)置輸入及報(bào)警電路
本控制儀設(shè)計(jì)有兩個(gè)按鍵，一個(gè)用于設(shè)定溫、濕度顯示和實(shí)時(shí)檢測溫、濕度顯示之間的切換，另一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)自動控制和人工控制之間的切換。兩個(gè)按鍵分別通過74LS20接外中斷1，同時(shí)與AT90S8535的PD0和PD1口連接。當(dāng)有按鍵按動時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷信號，由中斷服務(wù)程序掃描PD0和PD1口，確定是哪一個(gè)按鍵請求中斷，然后調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)程序。報(bào)警電路選用聲光報(bào)警，當(dāng)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差值超出預(yù)定范圍時(shí)，聲光自動報(bào)警的同時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路動作。另外，A/D轉(zhuǎn)換接口的PA6、PA7分別接一個(gè)精密電位器，用于預(yù)置溫濕度值。在按動溫度設(shè)定按鍵后，手動調(diào)節(jié)精密電位器來設(shè)定溫濕度，然后在一次按動溫度預(yù)定鍵予以確認(rèn)。其硬件構(gòu)成如圖4所示。
1.5直流電機(jī)驅(qū)動電路
直流電機(jī)驅(qū)動電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。本控制儀的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是兩個(gè)直流電機(jī)。用于控制前后風(fēng)門的開啟量。兩個(gè)直流電機(jī)的驅(qū)動電路完全相同，圖5中僅給出了一路驅(qū)動電路的示意。直流電機(jī)的驅(qū)動由八路功率驅(qū)動芯片ULN2803A和微型繼電器實(shí)現(xiàn)。AT90S8535 PB口的高四位通過ULN2803A中的四路分別控制兩個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。前后風(fēng)門各加兩個(gè)起保護(hù)作用的限位開關(guān)，四個(gè)門限信號通過74LS20送到外中斷0，同時(shí)分別和AT90S8535的PB口低四位連接，一旦有門限信號產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序則掃描PB口低四位，確定信號位置后立刻關(guān)斷相應(yīng)的電機(jī)。
2 軟件設(shè)計(jì)
在煙葉烤房溫度控制這樣的強(qiáng)時(shí)變、大時(shí)滯、非線性系統(tǒng)中，模糊控制的控制效果比傳統(tǒng)的PID等控制方法有著明顯的優(yōu)勢，它具有達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動小、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)省電能等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)技術(shù)已是目前常用的控制技術(shù)，把模糊控制的方法和單片機(jī)控制技術(shù)結(jié)合起來，可使本控制儀的性能指標(biāo)達(dá)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(gè)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(shí)現(xiàn)該工藝的溫度控制曲線而設(shè)計(jì)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(shí)1℃的固定斜率均勻升溫，第二段的升溫按照每小時(shí)0.5℃的固定斜率均勻升溫。溫度確定確認(rèn)后，單片機(jī)首先根據(jù)輸入的各烤程溫度設(shè)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(yīng)的定時(shí)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(shí)間隔將起始溫度值不斷地均勻提升為新的設(shè)定值；然后由模糊控制程序根據(jù)控制精度跟隨這個(gè)均勻提升的設(shè)定值對烤房溫度進(jìn)行控制。當(dāng)烤房內(nèi)這個(gè)均勻提升的設(shè)定值對烤房溫度進(jìn)行控制。當(dāng)烤房內(nèi)溫度達(dá)到烤程的溫度設(shè)定值時(shí)，結(jié)束升溫控制過程，進(jìn)入恒溫控制狀態(tài)�？痉績�(nèi)濕度的控制方式和溫度控制方式類似�？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D7所示。
圖9
外中斷0服務(wù)程序用于判斷門限信號的位置并強(qiáng)行停止相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，其流程圖如圖8所示。外中斷1服務(wù)程序用于處理按鍵請求，如果是溫濕度預(yù)置鍵請求，則完成溫濕度預(yù)置后返主程序；如果是控制方式切換請求，則設(shè)置標(biāo)志位后返回主程序。其流程如圖9所示。
圖10
程序中烤程計(jì)時(shí)由計(jì)時(shí)中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。計(jì)時(shí)顯示小時(shí)和分鐘。對AT90S8535的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器1進(jìn)行1/1024分頻，設(shè)定初值使其每6秒鐘產(chǎn)生一次中斷，10次中斷為一分鐘。程序流程如圖10所示。
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