基于單片機的煙草干燥溫度控制系統設計

劉婷婷，王 悠，李琦琦

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

0 引 言

目前國內外煙草干燥的方法有以下幾種：日曬處理法、風干處理法、明火烘烤法、熱風管處理法。其中風干處理法是將煙草懸掛于避陽通風的建筑中，通過自然風干進行干燥處理。這種方法得到的煙草雖然煙草風味變得更柔和，并且能夠降低其尼古丁的含量，但是利用外界自然條件進行干燥的時間較長。明火烘烤處理法是將煙草懸掛于明火之上，通過明火生起的濃煙，把煙葉熏熟，達到干燥效果，這種方法的不利之處也是干燥溫度不易控制，并且明火容易將煙草燒壞。熱風管處理法是將收獲的煙草放置于密閉容器內，通過加熱裝置進行加熱，利用熱空氣對流使煙草達到干燥的效果。這樣可以控制煙草干燥時的溫度，使煙草能夠更好更快地干燥。因此，熱風管處理法在煙草干燥領域得到了大范圍的推廣，它可以在煙草干燥過程中保證煙草的質量，并且能更快速地進行干燥處理。

煙草干燥過程中重要的部分就是溫度檢測和溫度控制。通過煙草干燥曲線可以找到煙草干燥的最佳溫度區間，在此區間內煙草干燥的速度最快，所用時間最短，并且干燥后的煙草質量也較好。基于此，本文設計了一個溫度檢測和溫度控制系統，可以實現對干燥過程中的溫度進行實時檢測和顯示；并可以對干燥溫度進行設定，控制加熱裝置的加熱狀態，使干燥溫度保持在最佳溫度區間內。

1 煙草干燥加溫測試裝置整體設計

煙草干燥加溫測試裝置系統是基于單片機MSP430F149的閉環控制系統來對電加熱爐進行溫度控制的。系統總體設計框圖如圖1所示。通過外部鍵盤輸入設定要達到的目標溫度；通過鉑電阻PT100對溫度進行實時檢測，并對當前的檢測溫度和目標溫度進行比較，得到偏差，再對其進行PID算法修正。本設計的溫度控制部分由三極管和固態繼電器組成，修正的結果決定單片機PWM輸出口輸出高電平還是低電平，進而決定三極管導通與否，并確定固態繼電器的工作狀態，達到對電爐絲加熱狀態的控制，從而實現對干燥溫度的控制。

圖1 系統總體設計框圖

2 煙草干燥加溫測試裝置的硬件設計

2.1 溫度檢測模塊的硬件電路設計

本設計中溫度檢測模塊使用鉑電阻PT100進行檢測，通過電橋得到差動值，然后再經過AD進行數據采集，將采集的數據送入單片機MSP430F149，最后通過液晶OCM12864進行溫度顯示。其中由TL431組成的部分電路相當于一個10 V的穩壓電源，為供橋電源。電橋的輸出電壓可由下面的計算公式得出：

鉑電阻PT100在0 ℃時電阻值為100 Ω，電阻變化率為0.385 1 Ω/℃，由此可以得到的值，進而可以得到某溫度范圍內的電橋輸出電壓變化范圍。

2.2 數據采集模塊的硬件電路設計

本設計中數據采集模塊所用的主要器件為AD7705，它可以通過編程設定增益和數據輸出更新頻率，還可以選擇輸入模擬緩沖器以及自校準和系統校準的方式，其中電源電壓為5 V，基準電壓由LM336精密2.5 V穩壓器提供。

2.3 溫度控制模塊的硬件電路設計

溫度控制部分利用三級管9012通斷控制繼電器工作，三極管9012為低電平導通。當控制器輸出信號0時，9012導通，從而使繼電器導通，電爐絲加熱進行升溫；而當控制器輸出信號1時，9012不導通，繼電器斷開，電爐絲停止加熱。

3 溫度檢測控制系統中的軟件設計

3.1 溫度檢測和溫度控制部分程序設計

溫度檢測部分采用鉑電阻PT100對溫度進行實時檢測。通過AD進行數據采集轉換可以得到AD7705的7腳（AIN1+）、8腳（AIN1-）的電壓。根據公式（1）計算出溫度檢測部分的電橋輸出電壓并且可以得出的值。此值不可能是PT100鉑電阻分度特性對照表中的一個準確的電阻值，需要通過如下公式計算得到當前阻值對應的溫度。

式中：是由電橋輸出電壓公式計算得到的電阻值；、為在PT100鉑電阻分度特性對照表中與最接近的阻值（設定＜）；、分別是對應阻值、的溫度值；為當前溫度值。

溫度檢測和控制部分的程序流程如圖2所示。

圖2 溫度檢測和控制程序流程

3.2 PID控制部分

本設計中定義三個變量：為設定的目標溫度，為當前檢測到的溫度，為目標溫度與檢測到的溫度的差值，即=-。PID運算表達式為：PWM=+++；其中，、、分別表示為：

其中：K是比例系數；K是積分系數；K是微分系數。

3.3 鍵盤中斷程序設計

本設計采用外部鍵盤輸入對目標溫度進行設定，鍵盤中斷程序流程如圖3所示。

圖3 鍵盤中斷程序流程

4 測試方法及結果

4.1 測試方法

首先將整個電路接通電源，此時液晶屏顯示當前溫度為室溫，當按下鍵盤上的B鍵，液晶顯示屏第二行顯示出“設置”，然后通過數字鍵0～9設定所要達到的目標溫度，按下確認鍵F。當輸入目標溫度高于當前檢測到的溫度時，單片機P5.7輸出低電平，三極管導通，固態繼電器工作，控制系統工作，液晶顯示屏上顯示“升溫” 狀態；當加熱溫度達到目標溫度時，單片機P5.7輸出高電平，加熱電路斷開，液晶顯示屏上顯示“降溫”狀態。這樣就完成了溫度的檢測和控制。

4.2 測試結果

本設計的加溫測試裝置的溫度測量范圍為10～80 ℃。本設計最終實現了閉環的溫度控制系統，并且對溫度能夠進行實時檢測和顯示。表1給出了測得實驗數據中的一組。

表1 目標溫度與檢測溫度對比

通過表1可以看到，目標溫度與實際檢測溫度的差值在0.3～0.5 ℃之間，在誤差允許范圍內。

5 結 語

煙草干燥是一個復雜的傳熱傳質過程， 同時伴隨有復雜的物理、化學變化，因此煙草干燥過程中的溫度控制尤為重要。本文以單片機MSP430F149作為電路的核心控制器件，設計了煙草干燥加溫測試裝置，整個系統由溫度檢測、溫度控制、液晶顯示、數據采集、鍵盤輸入五個部分組成。通過溫度控制和檢測系統的閉環反饋控制系統，使溫度控制更為精確。通過測試可以發現，目標溫度與檢測溫度誤差在較小范圍內，實現了煙草干燥加熱溫度的精確控制。