黃媛媛

【摘 要】隨著控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)控制器適應(yīng)能力增強(qiáng)和高度智能化的逐步實(shí)現(xiàn)。本文介紹的紫菜烘干機(jī)溫控系統(tǒng)采用PID算法，依據(jù)烘干區(qū)域不同的溫度要求進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有控制精度高、自適應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以提高紫菜的干制效率，并已投入市場應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；溫控系統(tǒng)；PID

0 引言

隨著我國漁業(yè)機(jī)械自動(dòng)化水平的不斷提高，自動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)品生產(chǎn)中。其中，紫菜的烘干方法是紫菜加工工藝的關(guān)鍵問題，現(xiàn)在農(nóng)民通常采用的是粗放型的自然晾曬方式，效率低，營養(yǎng)流失嚴(yán)重，并存在安全衛(wèi)生隱患。本文針對(duì)現(xiàn)階段紫菜的烘干問題，利用單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了紫菜烘干的自動(dòng)控制方法，提高了紫菜烘干的自動(dòng)化程度，提升了生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省了人力資源，節(jié)約了能源且更加環(huán)保。本文的后期研究可以將其擴(kuò)展為其他水產(chǎn)品的烘干工藝自動(dòng)控制系統(tǒng)，有利于節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣，滿足了社會(huì)發(fā)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(gè)階段，每個(gè)階段由若干個(gè)“升溫+保溫”過程組成。這種工藝實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)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(dá)到預(yù)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(shí)時(shí)采集烘干箱內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)并傳輸至控制系統(tǒng)，當(dāng)測量溫度大于設(shè)定溫度時(shí)即關(guān)閉加熱，打開排風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，當(dāng)測量溫度小于設(shè)定溫度時(shí)即啟動(dòng)加熱。同時(shí)，主風(fēng)機(jī)將加熱的熱空氣送入烘干箱內(nèi)，而排風(fēng)機(jī)將熱空氣從烘干箱經(jīng)導(dǎo)流管至加熱器循環(huán)使用，節(jié)能環(huán)保提高效率。

2 溫控系統(tǒng)組成（原理）

本文所述的烘干機(jī)是用來烘干紫菜等產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)目的的裝置。采用箱式結(jié)構(gòu)，以熱輻射加熱為主，采用對(duì)流熱風(fēng)循環(huán)。烘干機(jī)采用1個(gè)烘干箱，6個(gè)溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)的測量和控制原理完全相同。烘干過程中，烘干箱內(nèi)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(jìn)行設(shè)計(jì)溫控系統(tǒng)，以滿足烘干機(jī)所有的溫度、精度。

本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)硬件部分分為：單片機(jī)主控模塊、輸入輸出通道模塊、報(bào)警模塊等。如圖1所示硬件的總體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可見，溫控系統(tǒng)由單片機(jī)為核心，與外部芯片擴(kuò)展構(gòu)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(jī)內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)經(jīng)采樣、濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換后，一方面將烘干箱內(nèi)溫度由顯示器顯示，另一方面將該溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，取偏差值按照積分分離的PID控制算法計(jì)算得輸出控制量。控制輸出量通過固態(tài)繼電器控制加熱管的加熱時(shí)間，從而調(diào)節(jié)溫度變化，使其趨向設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)烘干機(jī)的溫度控制。

3 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（硬件）

3.1 電源電路

電源模塊是溫控系統(tǒng)重要的組成部分，為系統(tǒng)中各模塊提供穩(wěn)定可靠的工作電壓，保證系統(tǒng)正常工作。本系統(tǒng)采用外部12V直流電源供電，經(jīng)降壓處理轉(zhuǎn)換成3.3V為單片機(jī)供電。降壓設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換成5V；二：選用三端集成穩(wěn)壓器將電壓從5V轉(zhuǎn)換成3.3V。

3.2 溫度檢測電路

溫度檢測模塊是溫控系統(tǒng)的前提和保障，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集精確度高、穩(wěn)定性好的溫度。設(shè)計(jì)選用信號(hào)強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好、復(fù)現(xiàn)性好的鉑電阻作為溫度傳感器，采用三線制橋式接法，對(duì)鉑電阻進(jìn)行采樣，如圖2所示溫度檢測電路，該電路實(shí)現(xiàn)溫控箱的實(shí)時(shí)溫度采集轉(zhuǎn)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要手段。本系統(tǒng)中顯示器設(shè)定操作界面，包括：開機(jī)、設(shè)定、待機(jī)、運(yùn)行、報(bào)警、結(jié)束等6個(gè)界面；鍵盤用來設(shè)定目標(biāo)溫度、時(shí)間、參數(shù)，以及控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換。顯示器選用迪文屏幕型號(hào)DMT80480C070_03W，屏幕清晰，操作方便，反應(yīng)靈敏，交互及時(shí)。設(shè)計(jì)鍵盤選用非編碼鍵盤，采用中斷方式工作。

4 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（軟件）

通過控制器實(shí)時(shí)檢測烘干箱內(nèi)的溫度、時(shí)間等相關(guān)信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，控制分級(jí)，監(jiān)控溫度傳感器等部件工作，若發(fā)現(xiàn)異常，控制單元能自我故障診斷并輸出報(bào)警信號(hào)。整個(gè)控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行編寫設(shè)計(jì)，遵循模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，模塊數(shù)據(jù)之間關(guān)系松散的原則，便于編寫、調(diào)試、修改、增刪。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序模塊的主要工作是上電后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，構(gòu)建系統(tǒng)整體軟件框架。初始化包括對(duì)單片機(jī)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(jìn)行故障檢測，包括：檢測鍵盤、液晶屏，檢測芯片以及單片機(jī)等芯片的工作，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。如果存在故障，則啟動(dòng)自我診斷功能，判斷故障類型，保存當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，輸出報(bào)警信號(hào)，排除障礙后，進(jìn)行復(fù)位恢復(fù)運(yùn)行。系統(tǒng)無故障則等待溫度、時(shí)間設(shè)定，若參數(shù)已經(jīng)設(shè)定好，則判斷系統(tǒng)運(yùn)行鍵是否按下，若系統(tǒng)開始運(yùn)行，將依次調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制直到系統(tǒng)停止運(yùn)行。如圖3所示主程序流程圖。

4.2 溫控方案設(shè)計(jì)

PID控制從產(chǎn)生并發(fā)展至今已有百年歷史，雖然現(xiàn)在各種先進(jìn)控制算法層出不窮，但PID控制扔未被淘汰，源于其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于整定，并且具有較好的魯棒性，在控制技術(shù)領(lǐng)域依舊占據(jù)主導(dǎo)地位，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

PID控制的核心是數(shù)學(xué)模型及其參數(shù)的設(shè)定，本文結(jié)合溫控箱的實(shí)際生產(chǎn)過程，存在被迫升溫和自然降溫的問題，設(shè)計(jì)控制算法時(shí)，將其看成一個(gè)線性系統(tǒng)，采用一個(gè)慣性環(huán)節(jié)結(jié)合一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)作為溫控箱的數(shù)學(xué)模型。

5 結(jié)語

本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了紫菜烘干機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、成本低、維護(hù)方便、操作簡單等特點(diǎn)。突破了傳統(tǒng)加工易污染、效率低的問題，改善了一般溫控加熱滯后性、時(shí)變性的問題，實(shí)現(xiàn)了紫菜烘干的全過程監(jiān)控，具有控制精度高、自適應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)。后期研究可將其擴(kuò)展為其它水產(chǎn)品以及農(nóng)產(chǎn)品的烘干控制系統(tǒng)，符合市場需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]