于雷

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700）

基于單片機的智能烘烤系統(tǒng)設(shè)計

于雷

（閩南理工學(xué)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(xiàn)溫度的實時檢測，通過自制干、濕球溫度計，根據(jù)干濕球?qū)φ毡斫柚鷥纱尉€性插值的方法求得濕度值從而實現(xiàn)烘干過程濕度的檢測.根據(jù)整個烘干過程的溫濕度變化，通過軟件驅(qū)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(tǒng)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(fā)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(yè)能耗用于干燥方面.

傳統(tǒng)烘烤系統(tǒng)的溫度和濕度的監(jiān)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(zhì)量參差不齊.根據(jù)對福建石獅地區(qū)花生烘干過程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)狀，提出一種基于單片機控制的智能烘烤系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)對整個烘干系統(tǒng)過程溫濕度的實時檢測，并結(jié)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(nèi).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(zhì)量.

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 溫度測量方案設(shè)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(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊.單總線具有經(jīng)濟性好，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，使用方便等優(yōu)點，可以大大節(jié)省硬件設(shè)計的工作量.

1.2 濕度測量方案設(shè)計

采用干濕球法，這是18世紀就發(fā)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(jīng)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(huán)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(chǎn)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(huán)境的場合使用.

1.3 CPU控制模塊方案設(shè)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(tǒng)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(qū)動模塊設(shè)計

采用步進電機控制百葉窗的開關(guān)程度.步進電機具有較好的低速運行特性和較寬的調(diào)速范圍，并可實現(xiàn)精確走步，數(shù)控簡單，成本低，無積累誤差.驅(qū)動模塊可以采用三極管搭建驅(qū)動電路、L298N集成芯片.采用三極管搭建驅(qū)動電路時調(diào)試會比較復(fù)雜；L298N集成芯片是典型的電機驅(qū)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(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它是一款性能優(yōu)異的智能集成數(shù)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(yōu)點.

2.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)與測溫原理

DS18B20部結(jié)構(gòu)如圖1所示.主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

單總線上傳輸?shù)氖且幌盗械拿}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(zhuǎn)換命令→等待轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)了.

2.3 濕度測量

采用測量空氣的相對濕度來間接反應(yīng)花生的含濕量.通過自制干濕球，然后根據(jù)干濕球?qū)φ毡?，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(qū)間[x0,x1],則對于期間的一點x對應(yīng)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(guān)，所以我們要進行兩次線性插值.即設(shè)在一定干溫值t下,它落于區(qū)間[t0,t1]；一定的溫差值△t下，它落于區(qū)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(yīng)的濕度值了.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示.

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 電源模塊

該電源模塊采用鴻?？萍糎W2E5-05型號的開關(guān)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(xiàn)場能確保電源的供應(yīng).

3.3 傳感器模塊

采用DS18B20的多端口并行驅(qū)動法實現(xiàn)驅(qū)動控制.如圖4所示.

圖4 DS18B20多端口并行驅(qū)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(shè)計按鍵模塊，共設(shè)5個按鍵，其作用分別為：key1擦除扇區(qū)，key2啟動數(shù)據(jù)采集與存儲，key3啟動數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換.采用MAX232芯片作RS-232轉(zhuǎn)換器，RXD是串行接收數(shù)據(jù)功能，TXD是串行發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)省單片機I/O口，采用74LS164串轉(zhuǎn)并的方法，結(jié)合單片機的SPI功能，將顯示數(shù)據(jù)從單片機中一位位發(fā)出去，通過74LS164的移位作用將8位數(shù)據(jù)送至1602.

3.7 電機驅(qū)動模塊

設(shè)計中根據(jù)溫濕度曲線與實際測得的濕度值相比較，根據(jù)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(shù)采用常規(guī)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(zhuǎn)一圈.

圖6 步進電機驅(qū)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(qū)動步進電機，二極管起續(xù)流作用，保護電機.原理圖如圖6所示.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

本數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計通過鍵盤處理啟動數(shù)據(jù)的采集、存儲以及發(fā)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(huán)里做按鍵掃描的工作.所以按鍵掃描軟件的編寫是關(guān)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(shè)計

設(shè)計中使用了三個按鍵，分別實現(xiàn)了扇區(qū)擦除、數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)據(jù)發(fā)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(shè)計

本設(shè)計的溫濕度數(shù)據(jù)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(shù)組，該數(shù)組的得到是根據(jù)行是從20℃開始以2℃為步進量直到80℃所對應(yīng)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(yīng)的相對濕度組成的.所以編制程序是要根據(jù)干濕球溫差與干球溫度來尋得對應(yīng)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(jù)線性插值的公式計算濕度值.

4.1.2 串口通信設(shè)計

串口通信流程圖如圖9所示.主要功能是實現(xiàn)讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)并送至上位機.本設(shè)計系統(tǒng)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(shè)計

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集完現(xiàn)場烘干溫濕度數(shù)據(jù)后，經(jīng)整理分析，可以得出溫濕度隨時間變化的曲線.系統(tǒng)根據(jù)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(jù)設(shè)定的控制值控制步進電機運轉(zhuǎn)從而控制百葉窗的開關(guān)，使整個烘干系統(tǒng)的濕度基本能吻合烘干過程濕度變化曲線.同時，根據(jù)溫度的變化判斷系統(tǒng)是否存在故障，即經(jīng)過一定的時間后溫度應(yīng)變化的范圍可以根據(jù)曲線預(yù)先存儲在單片機中，然后根據(jù)實時采集的溫度值由單片機判斷該值是否在這一范圍內(nèi)，否則驅(qū)動蜂鳴器報警.控制箱體內(nèi)的濕度的具體思想是：在某一個設(shè)定的濕度值下，根據(jù)此時采集的濕度值從而計算出該濕度值與設(shè)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(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)相應(yīng)步數(shù).

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)可以改變干燥或烘烤過程完全依賴人工和過時技術(shù)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(zhì)量.因此具有重要的現(xiàn)實意義，實用特色顯著.

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1673-260X（2012）08-0073-03