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智能干濕溫度測控儀

干溫控制曲線濕溫控制曲線測控系統構成

2004年1月(1)

摘要  針對煙葉生產過程中烤煙坑房干、濕溫度的測量和控制問題,采用單片機和人工智能技術,研制了以單片機為核心的智能干、濕溫度的測控儀,基本實現了干、濕溫度的自動控制。重點介紹了測控系統的硬件組成和軟件設計,給出了系統結構原理圖。

關鍵詞   溫度測控儀    干溫     濕溫    坑房    煙葉初烤

煙葉初烤是煙葉生產的重要環節,一坑煙在5~7天里(下部煙、中部煙、上部煙烘烤時間不同)要完成一系列的理化變化,使鮮煙葉變成橘黃和具有良好組織、彈性、光澤、油份和香氣的葉片。要實現這一目標,須科學地理并實施“三段式”工藝要求,而“三段式”烘烤工藝的核心是根據煙葉的具體狀態確定并控制變黃期、定色期和干筋期各升溫段、保溫段的干、濕溫度(干溫是指坑房內的空氣溫度,濕溫是指坑房內的水分溫度)。目前,廣大煙區已廣泛推廣煙葉初烤的“三段式”烘烤工藝,并且大多數坑房已加裝熱風循環裝置,而使用的干、濕溫度測量器具卻是酒精或煤油的玻璃管溫度計(煙區稱之為火表),控制方法采用人工啟閉回風門(用于排濕、控制濕溫)、進風門或鼓風機(控制火爐火勢,間接控制干溫)。溫度測量不準、使用不便的玻璃管溫度計,被動的控制方法加之操作者連續5天以上的疲勞操作已成為制約煙葉烘烤質量提高的瓶徑問題。

近年來,不少科技工作者為解決烤煙干濕溫度測量和控制問題作了大量的工作。但由于煙葉初烤中影響坑房內干濕溫度的因素太多,并且隨機變化,無法建立數學模型,使常規的控制方法難以達到預期的控制目標。為此而開發的烤煙坑房智能干濕溫度測控儀(以下簡稱測控儀),基本實現了烤煙過程中干、濕溫度的自動控制,烘烤工藝可隨機改變,有良好的推廣應用價值。

1  設計方案與技術指標

   實踐表明,在煙葉的烘烤過程中,不論什么樣鮮煙葉,不管是變黃期、定色期還是干筋期,其升溫段的升溫速率以每小時1℃為最佳,而保溫的溫度及時間要根據鮮煙葉的具體情況來定。在烤煙坑房中,若未加裝熱風循環裝置,其坑內的上下溫差可達10℃以上,熱風循環坑房內部上下溫差也有4~5℃,并且坑內溫差的變化是隨機的,因此若想通過多點測量后綜合測量結果后進行控制,理論上是合理的,但實際上行不通。實踐表明:若能控制坑內中下部的干濕溫度在相對其烘烤的理想溫度±2℃以內,烘烤質量就有了可靠保證。

根據使用要求,在變黃區、定色區、干筋區各區的升溫段設置其升溫速率為1℃/h;為了適應不同煙葉的烘烤,設置干溫的理想曲線如圖1所示。

             圖1  干溫控制曲線

為了適應不同煙葉的烘烤,控溫檔位由人工按鍵設定。在38~68℃范圍內控溫檔位設為5檔,當初始設為①檔時,則從起烤溫度到38℃的升溫速率為1℃/h,且在任意時刻的理想溫度就確定了,溫度升至38℃時,自動進入保溫控制狀態,保溫時間直至下次檔次設定;若第二次設定為③檔時,則從38℃至45℃以1℃/h升溫,升到45℃時又自動進入保溫狀態,其它檔位依次類推。當使用中停電后再來電時,由當前坑房內的實際溫度到設定檔位溫度按上述規律繼續工作。

控制濕溫是保證烘烤質量的重要環節,為適應不同煙葉及增加人為的主動性,在35~43℃范圍內控溫檔位設為9檔,濕溫控制曲線如圖2所示。檔位設定和控制規律與干溫類似。

                     圖2  濕溫控制曲線

測控儀的主要技術指標如下:

有效測控范圍:20~80℃;

顯示分辨率:0.1℃;

測量精度:±0.5℃;

控制精度:±1℃;

升溫段升溫速率:1℃/h。

2 系統構成

      測控儀系統由主機、傳感器組件和執行部件組成。硬件系統如圖3所示。

               圖3   系統結構原理圖

測控儀精度要求為0.5級,根據控制功能需要本系統選用AT89C51作為CPU。AT89C51是一種低功耗、高性能的片內4KB快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器,與MCS-51微控制器產品系列兼容,使用高密度、非易失存儲技術制造,存儲器可循環寫入/擦除1000次。A/D轉換器選用ADC1005CMOS10位A/D轉換器。該芯片分辨率為8位,總的非調整誤差為±1LSB,輸出電平與TTL電平兼容,單電源+5V供電,模擬量輸入范圍為0~5V。

有3個輸出通道:1個報警電路,利用烽鳴器報警;2個驅動電路分別控制電動執行器的正反轉。為了提高系統的抗干擾能力,驅動電路采用交流固態繼電器。

溫度檔位設定采用BCD碼撥盤,利用P1的低位作為數字輸入,操作方便。

溫度顯示采用LED顯示。為了不再擴展并行接口,利用串行口的移位寄存器功能,擴展三位靜態顯示LED接口電路。P1.7作為輸出控制,當P1.7=1時允許串行口輸出數據給移位寄存器,否則,顯示內容不變。

傳感器組件由傳感器、濕溫水壺和導線連接件組成。根據測量和控制精度要求,本系統選擇了Cu50熱電阻作為溫度傳感器。Cu50測量范圍—50~+150℃,線性度好,靈敏度高,價格適中,能滿足系統的技術要求。溫度的控制首先取決于溫度測量精度,因此,為了保證精度,硬件采用了三個方面的措施:第一,測量中傳感器的連接采用新的三線制方法,補償由導線引起的誤差;第二,選用OP07作為運算放大電路,第三,測量電路采用恒流源供電。

執行部件由電動執行器、進風門和風門組成。兩個電動執行器分別驅動進風門、回風門,實現坑內干、濕溫度的調節。電動執行器的轉速很低(90°/80s),能正反轉并能在任意角度停止,最大轉角為90°,其輸出可與風門的轉軸直接相連,安裝使用方便。

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