薛承佳 萬立浩 肖文俊 楊永超

【摘要】以MSP430單片機為控制核心，對烤煙房的溫濕度數(shù)據(jù)進行實時采集和處理，并采用帶有遺傳算法參數(shù)整定的PID算法對烤煙房的溫濕度進行控制，使其能夠快速地跟隨設(shè)定的科學(xué)烘烤曲線上。測試結(jié)果表明，可以提高烘烤質(zhì)量，具有很好的實用參考價值。

【關(guān)鍵詞】MSP430；遺傳算法；PID；GSM；智能型烤煙房

引言

長期以來，煙草行業(yè)一直都是我國的納稅大戶，而且基本與國家財政稅收保持同步增長。所以，提高烘烤質(zhì)量對國家經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定有著積極作用。

煙葉烘烤對煙草品質(zhì)的影響最大。近幾年，我國幾個產(chǎn)煙省在技術(shù)引進、消化和吸收的基礎(chǔ)上結(jié)合實際生產(chǎn)情況，推出一系列成型烤房。如云南推出了QJ系列烤房。采用微型電腦控制進煤、升溫、穩(wěn)溫、排濕自控系統(tǒng)[1]。通過對烤煙房的不斷改進，提高了煙草品質(zhì)，對推動國民經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展有著深刻的影響。

1.三段式烘烤工藝的基本要求

三段式煙葉烘烤烤技術(shù)在不同的階段對烤房的溫、濕度狀況以及溫濕度變化速率的要求都不一樣，而且要求比較嚴格，所以對系統(tǒng)要求較高。這些是很難人為把握的，需要有經(jīng)驗的煙農(nóng)蹲守、監(jiān)視烤房狀態(tài)。即使如此，烤房狀態(tài)也不一定滿足三段式烘烤曲要求。所以，研制智能型烤房系統(tǒng)有十分可觀的經(jīng)濟意義。

2.控制系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)以MSP430F149為控制核心，利用其優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理能力對采集的數(shù)據(jù)進行處理。通過采集奇數(shù)個傳感器反饋的信息由控制算法來控制電機來調(diào)節(jié)烤煙房的溫濕度，實現(xiàn)三段五步式烘烤過程，也避免傳感器故障的錯誤數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的影響。烤煙房的狀態(tài)信息可以通過GSM模塊來顯示和修改。用戶可以通過手機來獲得和修改烤房的烘烤參數(shù)，以應(yīng)付一些特殊情況。

2.1 干濕球傳感器的干濕球系數(shù)校正

干濕球測濕法技術(shù)已很成熟， 具有性能穩(wěn)定可靠、維護性好、成本低的特點。被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐中。但存在在高溫環(huán)境下測量誤差大的缺點，系統(tǒng)采用校正干濕球系數(shù)的方法來提高了測量的精度[3]。校正后的空氣相對濕度為：

v為空氣流速，E為濕球溫度對應(yīng)的飽和水氣壓（hPa）；P為大氣壓；t為干球溫度；tw為濕球溫度；ew為干球溫度下的飽和水氣壓（hPa）。

2.2 鉑熱電阻Pt100溫度數(shù)據(jù)的處理

由于鉑在溫度、物理、化學(xué)特性上的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用在溫度測量領(lǐng)域。但在使用的過程中需要進行標定，否則會使鉑熱電阻測量的溫度數(shù)據(jù)不精確。

對于Pt100溫度傳感器，其電阻值和溫度在正溫度范圍內(nèi)有以下關(guān)系：

R（t）=R（0）×（1+At+Bt2）

式中：t為溫度（℃）；R（0）為在溫度為0℃是的鉑熱電阻的電阻值（Ω）；A=1/3.9083× 10-3℃；B=1/（-5.775×10-7）2℃；C=1/（-4.183 ×10-12）4℃。

2.3 MSP430單片機外圍電路

MSP430單片機外圍電路如圖3所示：

串口通訊具有接線簡單、性能穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)速率較快的特點，所以該系統(tǒng)通過單片機串口與GSM模塊通信。采用11通道10位的AD采樣芯片TLC1542進行多路模擬信號的采集，在保證采樣精度的同時實現(xiàn)多路模擬信號的采集。

3.軟件設(shè)計

3.1 控制算法

由于烤煙房是一個非線性的、時變的系統(tǒng)，所以對烤房控制算法的設(shè)計相當重要。遺傳算法是一種模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法。遺傳算法的基本流程就是通過判斷適應(yīng)度是否符合要求而對子代的不斷進行遺傳、變異和交叉操作，直到得到最優(yōu)的子代。PID算法是一種在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用的控制算法，具有原理簡單，適用面廣，參數(shù)相互獨立，易于實現(xiàn)的特點，但其參數(shù)較難整定。將遺傳算法與PID算法結(jié)合運用，解決了PID參數(shù)難整定的問題，使得系統(tǒng)具有良好的魯棒性[4]。

3.2 軟件流程

軟件操作流程如圖4所示。

通過遺傳算法對PID的三個參數(shù)進行整定，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)來獲得最優(yōu)參數(shù)。

在實現(xiàn)GSM短信通訊的時候，應(yīng)該注意短信消息中心的設(shè)置，通過命令"AT+CSCA= [，]"來進行短信中心的設(shè)置。通過單片機與模塊的串口通信來發(fā)送命令來實現(xiàn)GSM模塊的控制[5]。

4.實驗測試

通過實驗，繪制實際的煙葉烘烤曲線和科學(xué)曲線如圖5所示。

圖5 實際煙葉烘烤溫度曲線和科學(xué)溫度曲線

通過仿真曲線得知，改智能烤煙房系統(tǒng)能夠跟隨到設(shè)定的溫度曲線，在溫度變化緩慢的時間段能夠很好的跟隨到設(shè)定值，仿真誤差能控制在1℃～3℃之間。但在溫度要求變化較快的時間段響應(yīng)有一定時間的滯后，滯后時間在30min～70min之間，這主要是由于系統(tǒng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和滯后性決定的，這對于實際的烘烤沒有太大的影響，所以該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能和效果。

5.結(jié)論

通過對智能烤房系統(tǒng)的測試，該系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)智能控制功能，各項技術(shù)參數(shù)均符合實際生產(chǎn)要求。新增的GSM模塊通信，實現(xiàn)了煙農(nóng)與系統(tǒng)間的人機交互，解放了傳統(tǒng)的煙農(nóng)值守式的煙葉烘烤模式。在提高煙葉烘烤質(zhì)量的同時還解放了生產(chǎn)力，提高勞動效率。對推動國民經(jīng)濟的健康持續(xù)發(fā)展以及科技興農(nóng)戰(zhàn)略有很大的推動作用。

參考文獻

[1]徐秀紅，孫福山.我國密集烤房研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討[J].中國煙草科學(xué)，2008，04.

[2]胡大可，季燕飛.應(yīng)用MSP430 微控制器時需注意的問題[J].電子產(chǎn)品世界.2000（3）：63.

[3]黃曉因，張連根.單片機干濕球法測量相對濕度的計算方法研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報，2003，12（3）：155-157.

[4]楊國軍，崔平遠，李琳琳.遺傳算法在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制中的應(yīng)用與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報.2001，13（5）：567-570.

[5]莫雷（Mouly，M），帕特（Pautet，M.B.）.GSM 數(shù)字移動通信系統(tǒng)[M].北京：電工業(yè)出版社，1996：20-24.

基金項目：湖北民族學(xué)院科技學(xué)院2013年大學(xué)生創(chuàng)新項目（K201328）。

作者簡介：薛承佳（1991—），男，現(xiàn)就讀于湖北民族學(xué)院科技學(xué)院。