基于單片機的智能烘烤系統設計

于雷

（閩南理工學院，福建 石獅 362700）

基于單片機的智能烘烤系統設計

于雷

（閩南理工學院，福建 石獅 362700）

以增強型51單片機STC12C5410AD為控制核心，利用單總線器件DS18B20實現溫度的實時檢測，通過自制干、濕球溫度計，根據干濕球對照表借助兩次線性插值的方法求得濕度值從而實現烘干過程濕度的檢測.根據整個烘干過程的溫濕度變化，通過軟件驅動步進電機控制百葉窗使整個烘干過程的效率較高，同時使得整個烘干系統的智能程度大大提高.

單片機；步進電機；智能控制

人類社會發展至今，在超過60%的商品的制造過程中，干燥是一項基本操作.有資料記載，高達12%的工業能耗用于干燥方面.

傳統烘烤系統的溫度和濕度的監控大多是通過人工管理進行手動控制的，工人的勞動強度，烘干質量參差不齊.根據對福建石獅地區花生烘干過程的調研發現，目前的烘干工藝存在勞動強度大、能量消耗多、空氣污染重、干燥時間長等弊端，不適宜管理，存在很大的改進空間.

鑒于這一現狀，提出一種基于單片機控制的智能烘烤系統，該系統應實現對整個烘干系統過程溫濕度的實時檢測，并結合溫濕度變化曲線、通過查表法將溫濕度變化控制在誤差范圍之內.提高了控制精度、避免了人為錯誤，也能方便過程的管理與控制，從而提高烘烤質量.

1 系統設計方案

1.1 溫度測量方案設計

采用單總線器件DS18B20，單總線的接口方式與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊.單總線具有經濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環境的現場溫度測量，使用方便等優點，可以大大節省硬件設計的工作量.

1.2 濕度測量方案設計

采用干濕球法，這是18世紀就發明的測濕方法.歷史悠久，使用最普遍.干濕球測濕法采用間接測量方法，通過測量干球、濕球的溫度經過計算得到濕度值，因此對使用溫度沒有嚴格限制，在高溫環境下測濕不會對傳感器造成損壞.干濕球測濕法的維護相當簡單，在實際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可.與電子式濕度傳感器相比，干濕球測濕法不會產生老化，精度下降等問題.所以干濕球測濕方法更適合于在高溫及惡劣環境的場合使用.

1.3 CPU控制模塊方案設計

采用宏晶科技有限公司的STC12C5410AD單片機作為控制CPU，該單片機與傳統51兼容，但速度要快8-12倍，適用于對電機控制和強干擾場合，且價格便宜.

1.4 電機及驅動模塊設計

采用步進電機控制百葉窗的開關程度.步進電機具有較好的低速運行特性和較寬的調速范圍，并可實現精確走步，數控簡單，成本低，無積累誤差.驅動模塊可以采用三極管搭建驅動電路、L298N集成芯片.采用三極管搭建驅動電路時調試會比較復雜；L298N集成芯片是典型的電機驅動芯片，輸出電流可達2.5A，可以直接用單片機的I/O口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便.

2 溫濕度測量理論分析

2.1 溫度采集

采用是美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器DS18B20，它是一款性能優異的智能集成數字式傳感器，具有體積小、功耗低、性能高、抗干擾能力強、使用簡單等優點.

2.2 DS18B20內部結構與測溫原理

DS18B20部結構如圖1所示.主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器.ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同.

圖1 DS18B20內部結構圖

單總線上傳輸的是一系列的脈沖信號.使用DS18B20進行溫度測量的步驟為：初始化DS18B20→跳過ROM操作命令→啟動溫度轉換命令→等待轉換完成→初始化→跳過ROM操作命令→讀取溫度寄存器命令，這樣就可以讀出被測溫度的數據了.

2.3 濕度測量

采用測量空氣的相對濕度來間接反應花生的含濕量.通過自制干濕球，然后根據干濕球對照表，通過線性插值的算法計算得到濕度值，其原理如下：

圖2為因變量y與自變量x的曲線圖，該曲線為圓弧狀，在x軸上取小區間[x0,x1],則對于期間的一點x對應的y值可按如下公式計算：

圖2 線性插值原理示意圖

由于用干濕球法通過查表得到的濕度與干球溫度和干濕球溫差有關，所以我們要進行兩次線性插值.即設在一定干溫值t下,它落于區間[t0,t1]；一定的溫差值△t下，它落于區間[△t0,△t1].從而可以得到四個基準點（t0，RH1(t0)）（t1,RH1(t1)）（t0，RH0(t0)）（t1，RH0(t1)）.然后進行第一次線性插值就可以得到在△t0,△t1點處的濕度值RH0(t)、RH0(t).

同理，由算得的濕度值（△t0，RH0(t)）、（△t1，RH0(t)）再進行一次線性插值就可以得到在一定干溫、一定溫差下對應的濕度值了.

3 系統硬件設計

3.1 硬件系統總體結構圖

如圖3所示.

圖3 硬件系統結構圖

3.2 電源模塊

該電源模塊采用鴻海科技HW2E5-05型號的開關電源模塊供電，該電源交流輸入范圍為90~264V,直流輸出為5V、0.5A,輸出功率為2.5W,工作溫度為-10~50攝氏度.在花生烘干現場能確保電源的供應.

3.3 傳感器模塊

采用DS18B20的多端口并行驅動法實現驅動控制.如圖4所示.

圖4 DS18B20多端口并行驅動示意圖

3.4 按鍵模塊

由于單片機I/O口夠用，所以采用獨立按鍵設計按鍵模塊，共設5個按鍵，其作用分別為：key1擦除扇區，key2啟動數據采集與存儲，key3啟動數據傳送，key4與key5為備用鍵.

3.5 通信模塊

由于上位機串口是RS232電平，所以連接時必須進行電平轉換.采用MAX232芯片作RS-232轉換器，RXD是串行接收數據功能，TXD是串行發送數據功能，串行端口TXD和RXD在通信時要交叉相連，再將地線相連后才能進行數據傳送.

3.6 顯示模塊

1602顯示模塊原理圖如圖5所示.

圖5 顯示模塊

為了節省單片機I/O口，采用74LS164串轉并的方法，結合單片機的SPI功能，將顯示數據從單片機中一位位發出去，通過74LS164的移位作用將8位數據送至1602.

3.7 電機驅動模塊

設計中根據溫濕度曲線與實際測得的濕度值相比較，根據濕度值相差不同的值分成三個等級，從而控制百葉窗開的程度.

步進電機的相數采用常規的四相制，工作于四拍.四拍運行時步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度.即200個脈沖信號能使步進電機轉一圈.

圖6 步進電機驅動原理圖

為了減少電氣干擾，單片機與電機的接口電路采用光電耦合之后由L298驅動步進電機，二極管起續流作用，保護電機.原理圖如圖6所示.

4 系統軟件設計

4.1 系統數據采集軟件設計

本數據采集軟件設計通過鍵盤處理啟動數據的采集、存儲以及發送至PC機等工作，主程序主要完成SPI、液晶、EEPROM、串口通信、定時器等的初始化，然后一直在一個死循環里做按鍵掃描的工作.所以按鍵掃描軟件的編寫是關鍵.主程序流程圖如圖7所示.

圖7 主程序流程圖

4.1.1 鍵盤處理設計

設計中使用了三個按鍵，分別實現了扇區擦除、數據采集與存儲、數據發送功能，如圖8所示.

圖8 鍵盤掃描程序流程圖

4.1.2 溫濕度采集設計

本設計的溫濕度數據采集都是通過DS18B20加軟件算法來完成的，具體就是濕度值是通過之前介紹的線性插值的算法來獲得的.在程序中定義了一個由查表得到的相對濕度的二維數組，該數組的得到是根據行是從20℃開始以2℃為步進量直到80℃所對應的相對濕度值組成的，而列是溫差從0℃開始以1℃為步進量直到52℃所對應的相對濕度組成的.所以編制程序是要根據干濕球溫差與干球溫度來尋得對應的濕度值.即行標是干濕球溫度值相減后取整得到的值，而列標為干球溫度減去20對2求模得到.然后就可以根據線性插值的公式計算濕度值.

4.1.2 串口通信設計

串口通信流程圖如圖9所示.主要功能是實現讀取EEPROM中的數據并送至上位機.本設計系統晶振為12MHZ，采用串口通信方式2，并加入偶校驗位.

圖9 串口通信流程圖

4.2 智能控制程序設計

在數據采集系統采集完現場烘干溫濕度數據后，經整理分析，可以得出溫濕度隨時間變化的曲線.系統根據濕度隨烘干時間的變化曲線與實時采集的濕度值相比較，根據設定的控制值控制步進電機運轉從而控制百葉窗的開關，使整個烘干系統的濕度基本能吻合烘干過程濕度變化曲線.同時，根據溫度的變化判斷系統是否存在故障，即經過一定的時間后溫度應變化的范圍可以根據曲線預先存儲在單片機中，然后根據實時采集的溫度值由單片機判斷該值是否在這一范圍內，否則驅動蜂鳴器報警.控制箱體內的濕度的具體思想是：在某一個設定的濕度值下，根據此時采集的濕度值從而計算出該濕度值與設定值的誤差，將誤差分為三個等級，然后用單片機控制步進電機正轉或反轉相應步數.

5 結束語

該系統可以改變干燥或烘烤過程完全依賴人工和過時技術的面貌，能提高控制精度、避免了人為錯誤，也能方便過程的管理與控制，從而提高烘烤質量.因此具有重要的現實意義，實用特色顯著.

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1673-260X（2012）08-0073-03