紫菜烘干機溫控系統設計

黃媛媛

【摘 要】隨著控制理論和電子技術的發展，工業控制器適應能力增強和高度智能化的逐步實現。本文介紹的紫菜烘干機溫控系統采用PID算法，依據烘干區域不同的溫度要求進行實時監控，具有控制精度高、自適應強的特點。實驗表明，該系統可以提高紫菜的干制效率，并已投入市場應用。

【關鍵詞】單片機；溫控系統；PID

0 引言

隨著我國漁業機械自動化水平的不斷提高，自動控制技術廣泛應用于水產品生產中。其中，紫菜的烘干方法是紫菜加工工藝的關鍵問題，現在農民通常采用的是粗放型的自然晾曬方式，效率低，營養流失嚴重，并存在安全衛生隱患。本文針對現階段紫菜的烘干問題，利用單片機技術設計了紫菜烘干的自動控制方法，提高了紫菜烘干的自動化程度，提升了生產效率，保證了產品質量，節省了人力資源，節約了能源且更加環保。本文的后期研究可以將其擴展為其他水產品的烘干工藝自動控制系統，有利于節能系統的應用與推廣，滿足了社會發展的需求。

1 工藝

本文采用階段式烘干工藝，將烘干過程分為多個階段，每個階段由若干個“升溫+保溫”過程組成。這種工藝實用性強，應用廣泛。初期階段，即低溫慢速干燥，通過低溫加熱，模擬自然干燥，使紫菜失水；中期階段，即中溫等速干燥，通過中溫加熱，是紫菜外形顏色達到預期要求；末期階段，即高溫快速干燥，通過高溫加熱，使紫菜徹底烘干。

溫度傳感器將實時采集烘干箱內的溫度數據并傳輸至控制系統，當測量溫度大于設定溫度時即關閉加熱，打開排風機進行散熱，當測量溫度小于設定溫度時即啟動加熱。同時，主風機將加熱的熱空氣送入烘干箱內，而排風機將熱空氣從烘干箱經導流管至加熱器循環使用，節能環保提高效率。

2 溫控系統組成（原理）

本文所述的烘干機是用來烘干紫菜等產品，實現存儲目的的裝置。采用箱式結構，以熱輻射加熱為主，采用對流熱風循環。烘干機采用1個烘干箱，6個溫區，每個溫區的測量和控制原理完全相同。烘干過程中，烘干箱內溫度的材料和控制范圍為0-110℃，顯示精度為0.1℃，控制精度小于1℃。基于上述要求進行設計溫控系統，以滿足烘干機所有的溫度、精度。

本文設計的溫控系統硬件部分分為：單片機主控模塊、輸入輸出通道模塊、報警模塊等。如圖1所示硬件的總體結構示意圖。由圖1可見，溫控系統由單片機為核心，與外部芯片擴展構成主控模塊。烘干箱的溫度由溫度傳感器檢測后，通過單片機內置的12位A/D轉換器轉換成數字信號。數字信號經采樣、濾波、標度轉換后，一方面將烘干箱內溫度由顯示器顯示，另一方面將該溫度值與設定值進行比較，取偏差值按照積分分離的PID控制算法計算得輸出控制量。控制輸出量通過固態繼電器控制加熱管的加熱時間，從而調節溫度變化，使其趨向設定值，實現烘干機的溫度控制。

3 溫控系統設計（硬件）

3.1 電源電路

電源模塊是溫控系統重要的組成部分，為系統中各模塊提供穩定可靠的工作電壓，保證系統正常工作。本系統采用外部12V直流電源供電，經降壓處理轉換成3.3V為單片機供電。降壓設計分兩步，一：選用輸出電壓精度高，輸出電流大的模塊電源，將電壓從12V轉換成5V；二：選用三端集成穩壓器將電壓從5V轉換成3.3V。

3.2 溫度檢測電路

溫度檢測模塊是溫控系統的前提和保障，為系統實時采集精確度高、穩定性好的溫度。設計選用信號強、精度高、穩定性好、復現性好的鉑電阻作為溫度傳感器，采用三線制橋式接法，對鉑電阻進行采樣，如圖2所示溫度檢測電路，該電路實現溫控箱的實時溫度采集轉換為電壓值輸出。

3.3 鍵盤及顯示電路

鍵盤及顯示模塊是溫控系統實現人機交互的重要手段。本系統中顯示器設定操作界面，包括：開機、設定、待機、運行、報警、結束等6個界面；鍵盤用來設定目標溫度、時間、參數，以及控制系統的工作狀態轉換。顯示器選用迪文屏幕型號DMT80480C070_03W，屏幕清晰，操作方便，反應靈敏，交互及時。設計鍵盤選用非編碼鍵盤，采用中斷方式工作。

4 溫控系統設計（軟件）

通過控制器實時檢測烘干箱內的溫度、時間等相關信息，并根據預設的參數對數據進行分析處理，控制分級，監控溫度傳感器等部件工作，若發現異常，控制單元能自我故障診斷并輸出報警信號。整個控制軟件采用模塊化結構進行編寫設計，遵循模塊內部數據結構緊湊，模塊數據之間關系松散的原則，便于編寫、調試、修改、增刪。

4.1 主程序設計

主程序模塊的主要工作是上電后，對系統進行初始化，構建系統整體軟件框架。初始化包括對單片機的初始化，A/D芯片初始化和串口初始化等。初始化完成后進行故障檢測，包括：檢測鍵盤、液晶屏，檢測芯片以及單片機等芯片的工作，以確保系統的正常運行。如果存在故障，則啟動自我診斷功能，判斷故障類型，保存當前運行狀態，輸出報警信號，排除障礙后，進行復位恢復運行。系統無故障則等待溫度、時間設定，若參數已經設定好，則判斷系統運行鍵是否按下，若系統開始運行，將依次調用各個相關模塊，循環控制直到系統停止運行。如圖3所示主程序流程圖。

4.2 溫控方案設計

PID控制從產生并發展至今已有百年歷史，雖然現在各種先進控制算法層出不窮，但PID控制扔未被淘汰，源于其結構簡單、參數易于整定，并且具有較好的魯棒性，在控制技術領域依舊占據主導地位，廣泛的應用于工業生產中。

PID控制的核心是數學模型及其參數的設定，本文結合溫控箱的實際生產過程，存在被迫升溫和自然降溫的問題，設計控制算法時，將其看成一個線性系統，采用一個慣性環節結合一個純滯后環節作為溫控箱的數學模型。

5 結語

本文利用單片機設計了紫菜烘干機的溫度控制系統，該系統運行可靠、成本低、維護方便、操作簡單等特點。突破了傳統加工易污染、效率低的問題，改善了一般溫控加熱滯后性、時變性的問題，實現了紫菜烘干的全過程監控，具有控制精度高、自適應強的特點。后期研究可將其擴展為其它水產品以及農產品的烘干控制系統，符合市場需求，實現產業化發展。

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[責任編輯：田吉捷]