文永雙，王士軍，魏忠彩，程　琳，楊澤原，趙　達(dá)

(山東理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博　255091)

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干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文永雙a，王士軍a，魏忠彩b，程琳a，楊澤原a，趙達(dá)a

(山東理工大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博255091)

摘要：針對干燥箱溫濕度控制不均勻而易造成干制品品質(zhì)下降、影響干燥速率等問題，分別基于單片機(jī)控制、PLC控制設(shè)計(jì)了兩種溫濕度自動控制系統(tǒng)。單片機(jī)或PLC可以實(shí)現(xiàn)對干燥箱中的加熱元件、加濕裝置及鼓風(fēng)裝置的自動控制，以滿足物料干燥所需要求。這兩種自動控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對干燥箱的溫濕度的實(shí)時控制、智能控制，且工作可靠、反應(yīng)靈敏、調(diào)試試驗(yàn)效果較好。該研究為減輕干燥箱在溫度控制過程中存在的“熱慣性”現(xiàn)象提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：干燥；溫濕度；單片機(jī)；PLC；自動控制系統(tǒng)

0引言

農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中，因干燥溫濕度控制不均勻?qū)е赂稍锲焚|(zhì)下降而影響干燥進(jìn)程。保證物料恒溫、恒濕地完成干燥過程，對深入研究物料脫水機(jī)理及優(yōu)化改進(jìn)干燥設(shè)備有著十分重要的意義。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，國內(nèi)外很多高校和科研院所開始在干燥設(shè)備與技術(shù)方面展開研究，包括太陽能干燥、微波干燥、紅外干燥、氣體射流沖擊干燥，以及熱風(fēng)干燥等干燥方式在農(nóng)產(chǎn)品干燥中應(yīng)用更加廣泛[1-6]。

在實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)過程中，普通干燥箱常常會遇到溫濕度不均勻的狀況，難以保證被干燥物料加熱過程中溫濕度的均勻性。為此，對干燥箱干燥過程中的溫濕度進(jìn)行精確控制顯得至關(guān)重要。單片機(jī)與PLC技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制過程中已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用[7-8]。

本文基于單片機(jī)控制及PLC的PID控制設(shè)計(jì)了兩種溫濕度自動控制系統(tǒng)，其操作簡單、控制可靠且易于調(diào)節(jié)，能夠使干燥箱滿足精細(xì)化干燥的要求。

1基于單片機(jī)的溫濕度自動控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)的溫濕度自動控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度控制[9]和農(nóng)產(chǎn)品倉儲溫濕度控制[10]等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用。針對不同的控制對象，實(shí)現(xiàn)控制過程不同，硬件及軟件部分的設(shè)計(jì)思路和控制方案等均有著很大的區(qū)別。

1.1　硬件部分設(shè)計(jì)

1.1.1主要電路元件及電路設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的溫濕度自動控制系統(tǒng)主要由1602液晶顯示、溫濕度檢測、繼電器控制、蜂鳴器報(bào)警、溫濕度，以及其上下限設(shè)定鍵、發(fā)光二極管、系統(tǒng)復(fù)位、外部晶振(22.1184MHz)、系統(tǒng)供電及外部設(shè)備主電路等電路部分組成。其系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

控制系統(tǒng)以抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的89C54RD-50I型單片機(jī)為核心。1602液晶顯示器用來滿足顯示溫濕度當(dāng)前值、設(shè)定值及上下限設(shè)定值的要求。干燥箱中的溫濕度通過DHT11溫濕度傳感器來實(shí)時測量，其內(nèi)部含有A/D轉(zhuǎn)換電路，使用單總線即可與控制器進(jìn)行通信?？刂破髋cDHT11溫濕度傳感器建立連接關(guān)系后，即可讀出干燥箱當(dāng)前溫濕度值。選用有源蜂鳴器(B1)和發(fā)光二極管(D1-D6)來完成干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)的報(bào)警工作環(huán)節(jié)。KA1、KA2、KA3為5VDC繼電器，KA4、KA5、KA6為24VDC繼電器，實(shí)現(xiàn)用小電流來控制大電流。

為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，單片機(jī)I/O口均添加了上拉電阻。在繼電器控制以及蜂鳴器報(bào)警電路中，單片機(jī)I/O口輸出低電平信號時，信號經(jīng)限流電阻到達(dá)三極管(S8550)基極，三極管導(dǎo)通，從而驅(qū)動蜂鳴器(P3.7)及5VDC繼電器開始動作(P2.0~P2.2)。溫濕度設(shè)定鍵電路中使用了8個獨(dú)立按鈕(K1~K8)來滿足系統(tǒng)的控制要求。為方便及時了解干燥箱干燥過程中溫濕度情況，系統(tǒng)設(shè)有4個紅色的LED燈和2個綠色LED燈，紅色指示燈在溫濕度超越溫濕度上下限范圍時變亮，干燥箱正常工作狀態(tài)下綠色指示燈始終亮。

當(dāng)單片機(jī)輸出口(P3.0~P3.5)發(fā)出高電平信號時，電流經(jīng)限流電阻來驅(qū)動發(fā)光二極管變亮。單片機(jī)振蕩頻率由選用的的晶振決定，晶振起振頻率在單片機(jī)可接受范圍內(nèi)越高，則系統(tǒng)的運(yùn)行速度越快。通過AC220V供電，經(jīng)開關(guān)電源得到DC24V，然后經(jīng)穩(wěn)壓IC(L7805穩(wěn)壓集成電路)及濾波電容來得到穩(wěn)定的5VDC電壓，以滿足單片機(jī)溫濕度自動控制系統(tǒng)的供電需求。系統(tǒng)主電路如圖2所示。

該干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)的溫度、濕度的控制精度分別為±1℃和±1%RH。

圖1　單片機(jī)溫濕度控制系統(tǒng)原理圖

圖2　基于單片機(jī)的溫濕度自動控制系統(tǒng)主電路圖

1.1.2溫濕度自動控制過程

通過溫濕度及溫濕度上下限設(shè)定鍵來設(shè)定干燥物料所需的溫濕度及其上下限。單片機(jī)周期循環(huán)地將溫濕度實(shí)測值與設(shè)定值進(jìn)行比較，比較結(jié)果用來決定輸出口的狀態(tài)。溫濕度控制過程存在有以下情況：

1)當(dāng)實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度下限時，KA1開始動作，KA1的常開觸點(diǎn)閉合，KA4線圈得電，KA4的常開觸點(diǎn)閉合，加熱元件開始加熱。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度后停止加熱。

2)當(dāng)實(shí)測溫度高于設(shè)定溫度上限時，KA2開始動作，KA2的常開觸點(diǎn)閉合，KA5線圈得電，KA5的常開觸點(diǎn)閉合，鼓風(fēng)裝置開始工作。當(dāng)溫度降到設(shè)定溫度后停止鼓風(fēng)。

3)當(dāng)實(shí)測濕度低于設(shè)定濕度下限時，KA3開始動作，KA3的常開觸點(diǎn)閉合，KA6線圈得電，KA6的常開觸點(diǎn)閉合，加濕裝置開始工作直到濕度達(dá)到設(shè)定濕度。

4)當(dāng)實(shí)測濕度高于設(shè)定濕度上限時，KA2開始動作，鼓風(fēng)裝置開始鼓風(fēng)。為防止?jié)駸峥諝饬魇?dǎo)致干燥箱中的物料溫度下降過快，加熱元件間歇進(jìn)行加熱。

1.2　軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)單片機(jī)程序使用Keil uVision2開發(fā)環(huán)境開發(fā)。程序采用C語言編寫。在開發(fā)環(huán)境中，程序設(shè)計(jì)完成后得到HEX文件，然后可通過下載軟件STC_ISP_V480將該HEX文件下載到單片機(jī)。

基于單片機(jī)干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)的程序主要有初始化程序、自定義1602液晶顯示系列函數(shù)、鍵盤掃描處理程序、握手協(xié)議和單總線讀字節(jié)程序、溫濕度比較與處理程序等組成。其中，溫濕度設(shè)定鍵每接通一次，對應(yīng)值就會作出相應(yīng)的改變；溫濕度比較及處理程序?qū)?shí)測溫濕度與設(shè)定值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果做出相應(yīng)的輸出處理。單片機(jī)main函數(shù)利用以上各程序來完成系統(tǒng)的各項(xiàng)控制過程。

溫度比較及相應(yīng)控制語句：

if(T_H

{P2_0=1;P2_1=1;P2_2=0;P3_0=0;P3_1=0; P3_2=1;P3_7=0;}//加熱，紅燈亮報(bào)警

else if(T_H>t+tc)

{P2_0=1;P2_1=0; P2_2=1;P3_0=1;P3_1=0;

P3_2=0;P3_7=0;}//鼓風(fēng)，紅燈亮報(bào)警

else ((T_H>t-tc)&&( T_H

{P2_0=1; P2_1=1;P2_2=1;P3_0=0;P3_1=1;

P3_2=0;P3_7=1;}//正常工作，綠燈亮

其中，t為設(shè)定溫度；s為設(shè)定濕度；tc為設(shè)定溫度誤差；sc為設(shè)定濕度誤差。

利用單面噴錫萬能板將單片機(jī)及各元件焊接并調(diào)試，其實(shí)物圖如圖3所示。

1.24VDC繼電器　2.5VDC繼電器　3.穩(wěn)壓IC　4.液晶顯示屏

在從環(huán)境溫度升溫至設(shè)定溫度的過程中，干燥箱內(nèi)往往會產(chǎn)生“熱慣性”現(xiàn)象，即干燥箱內(nèi)的實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度上限的現(xiàn)象。為減輕干燥箱的“熱慣性”現(xiàn)象對干燥過程產(chǎn)生的不利影響，系統(tǒng)可利用偏差信號作為反饋信號來控制加熱元件的加熱過程，可以實(shí)現(xiàn)干燥箱溫度在初期迅速升高，而接近設(shè)定溫度時能夠較平滑的過渡。當(dāng)干燥箱溫度實(shí)測值與設(shè)定值相差較大時，系統(tǒng)采用連續(xù)加熱方式；當(dāng)實(shí)測溫度接近設(shè)定溫度時，采用間歇加熱方式。

2基于PLC的溫濕度自動控制系統(tǒng)

鄒楊等人[11]將基于PLC設(shè)計(jì)的溫濕度自動控制系統(tǒng)在農(nóng)田環(huán)境溫濕度與光照檢測過程中展開應(yīng)用。吳曉強(qiáng)等人[12]利用PLC實(shí)現(xiàn)了茶葉加工生產(chǎn)過程中的溫濕度控制，大大提高了茶葉加工車間的生產(chǎn)效率。以下是本文基于PLC設(shè)計(jì)的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)。

2.1　硬件部分設(shè)計(jì)

2.1.1主要電路元件及電路設(shè)計(jì)

基于PLC的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)主要由PLC、觸摸屏、溫濕度一體化傳感器、24VDC開關(guān)電源及直流繼電器等元器件組成，其I/O接線圖如圖4所示。選用可采集模擬信號的西門子S7-200系列224XPCN型PLC、MCGS系統(tǒng)觸摸屏。

圖4　PLC的I/O接線圖

2.1.2溫濕度自動控制過程

物料干燥之前，通過觸摸屏設(shè)置干燥箱溫濕度及其上下限，觸摸屏與PLC之間實(shí)時通信、數(shù)據(jù)更新、即時顯示溫濕度數(shù)值及曲線，溫濕度一體化傳感器用來測定干燥箱中的溫濕度。溫濕度達(dá)到設(shè)定的上限值時，蜂鳴器報(bào)警，與此同時PLC控制直流繼電器接通、交流接觸器工作，實(shí)現(xiàn)對干燥箱中的加熱元件、加濕裝置及鼓風(fēng)裝置的控制。

電源經(jīng)斷路器Q1和熔斷器FU1給干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)供電，紅色電源指示燈變亮；啟動按鈕SB1按下后，接觸器KM1產(chǎn)生自鎖，綠色指示燈變亮，溫濕度自動控制系統(tǒng)開始工作。圖5是基于PLC控制的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)電氣原理圖。溫濕度控制過程存在以下情況：

1)當(dāng)干燥箱溫度高于、低于設(shè)定溫度時，與之相對應(yīng)的溫度報(bào)警燈變亮，蜂鳴器報(bào)警。與此同時，PLC分別發(fā)出鼓風(fēng)或加熱指令，鼓風(fēng)裝置或加熱元件開始工作，使干燥溫度逐漸達(dá)到干燥要求。

2)干燥時干燥箱中的濕度低于設(shè)定濕度下限時，與之相對應(yīng)的濕度報(bào)警燈變亮，蜂鳴器開始報(bào)警；PLC發(fā)出加濕指令，加濕裝置開始工作，使干燥過程中濕度逐漸達(dá)到要求。

3)干燥時，干燥箱中的濕度高于設(shè)定濕度上限時，相應(yīng)濕度報(bào)警燈亮、蜂鳴器報(bào)警；PLC同時發(fā)出鼓風(fēng)和加熱指令，鼓風(fēng)裝置將高濕度的熱空氣帶走，同時加熱元件間歇加熱，以盡可能接近于干燥過程中的設(shè)定溫度。

圖5　基于PLC控制的溫濕度自動控制系統(tǒng)電氣原理圖

2.2　軟件部分設(shè)計(jì)

2.2.1觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)

按照MCGSE組態(tài)環(huán)境來進(jìn)行觸摸屏界面的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，其主界面主要包括：溫濕度實(shí)測值、溫濕度設(shè)定輸入框、溫濕度及其上下限設(shè)定輸入框、溫濕度實(shí)時變化曲線圖、自動控制開關(guān)及溫濕度上下限指示燈。當(dāng)自動控制開關(guān)接通時，溫濕度自動控制系統(tǒng)可根據(jù)傳感器采集信息、設(shè)定參數(shù)利用PID算法自動調(diào)節(jié)干燥箱中溫濕度；當(dāng)自動控制開關(guān)斷開時，主界面則只能顯示溫濕度值及其變化曲線。設(shè)計(jì)的觸摸屏界面如圖6所示。

圖6　觸摸屏人機(jī)界面

2.2.2PLC程序設(shè)計(jì)

溫濕度自動控制系統(tǒng)是在STEP7 MicroWIN開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行PLC程序的編寫環(huán)節(jié)，使用PID控制指令來調(diào)整干燥箱中的溫濕度。PLC利用溫濕度實(shí)測值、溫濕度設(shè)定值及PID參數(shù)，周期性執(zhí)行PID運(yùn)算及相關(guān)程序，來實(shí)現(xiàn)對干燥箱中溫濕度的PID控制和其他功能?；赑LC的溫度濕度自動控制系統(tǒng)的PID控制回路參數(shù)表如表1所示。

表1　PLC溫濕度PID控制參數(shù)表

Mn=Kc(SPn-PVn)+KcTs/Ti(SPn-PVn)+Mx+KcTd/Ts(PVn-1-PVn)。

通過編寫PLC控制程序，利用設(shè)計(jì)的程序指令也可以減輕干燥箱初始升溫過程中存在的“熱慣性”現(xiàn)象。

3結(jié)論

1)基于單片機(jī)的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，硬件結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展方便，經(jīng)濟(jì)性好。試驗(yàn)表明：該控制系統(tǒng)具有靈敏度高、工作性能穩(wěn)定、自動化程度高及熱慣性小等特點(diǎn)，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

2)基于PLC的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)，利用PLC的PID控制來消除干燥箱中溫濕度的穩(wěn)態(tài)誤差且具有溫濕度調(diào)節(jié)的超前性，觸摸屏溫濕度曲線可以直觀了解到干燥箱內(nèi)的溫濕度變化，能夠滿足干燥箱的溫濕度均勻性要求。

3)設(shè)計(jì)的兩種干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)為減輕干燥箱在溫度控制過程中存在的“熱慣性”現(xiàn)象提供了技術(shù)參考。

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Design of Automatic Control System of Temperature and Humidity in Dryer

Wen Yongshuanga, Wang Shijuna, Wei Zhongcaib, Cheng Lina, Yang Zeyuana, Zhao Daa

(a.School of Mechanical Engineering；b.School Agricultural and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091, China)

Abstract：The reduction in dry product quality and drying rate were easy to be controlled by the temperature and humidity of the dryer. Two kinds of temperature and humidity automatic control system based on single chip microcomputer control and PLC were designed. Single chip microcomputer or PLC could realize the automatic control of the heating element, the humidifying device and the blower device to meet the requirements of the material drying. These could realize the real-time control and the intelligent control of the temperature and humidity, and having the characteristics of work reliability, response sensitivity and the debugging test results being better. Meanwhile, it also provided the technical reference for reducing the "thermal inertia" phenomenon in the process of temperature control.

Key words：dry; temperature and humidity; single chip microcomputer; PLC; automatic control system

中圖分類號：S226.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0250-05

作者簡介：文永雙(1987-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail)535698663@qq.com。通訊作者：王士軍(1969-)，男，山東菏澤人，副教授，(E-mail) Wsjwang2008@126.com。

基金項(xiàng)目：山東省技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(201320113013)

收稿日期：2015-08-21