劉婷婷，王 悠，李琦琦

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

摘 要 ：煙草干燥研究一直備受國內(nèi)外煙草工作者的重視，在煙草干燥的方法中熱風(fēng)管處理法是利用熱空氣對(duì)流使煙草達(dá)到干燥的效果，這樣可以控制煙草干燥時(shí)的溫度，使煙草能夠更好更快地干燥，因此溫度的檢測和控制是很重要的。本文基于單片機(jī)和外部傳感器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)了煙草溫度檢測與控制裝置。將鉑電阻 PT100 作為溫度傳感器檢測溫度，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD7705 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并傳給 MSP430F149 單片機(jī)處理，最終由點(diǎn)陣式液晶 OCM12864 顯示。通過外部鍵盤設(shè)定溫度，將設(shè)定的溫度與檢測到的溫度進(jìn)行比較，進(jìn)而控制溫度和電路的通斷，即電爐絲是否處于加熱狀態(tài)，以此達(dá)到改變溫度的目的。最終實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測和控制。

中圖分類號(hào) ：TP277?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：A?

文章編號(hào) ：2095-1302（2022）09-0085-02

0 引 言

目前國內(nèi)外煙草干燥的方法有以下幾種 ：日曬處理法、風(fēng)干處理法、明火烘烤法、熱風(fēng)管處理法 [1-2]。其中風(fēng)干處理法是將煙草懸掛于避陽通風(fēng)的建筑中，通過自然風(fēng)干進(jìn)行干燥處理。這種方法得到的煙草雖然煙草風(fēng)味變得更柔和，并且能夠降低其尼古丁的含量，但是利用外界自然條件進(jìn)行干燥的時(shí)間較長。明火烘烤處理法是將煙草懸掛于明火之上，通過明火生起的濃煙，把煙葉熏熟，達(dá)到干燥效果，這種方法的不利之處也是干燥溫度不易控制，并且明火容易將煙草燒壞。熱風(fēng)管處理法是將收獲的煙草放置于密閉容器內(nèi)，通過加熱裝置進(jìn)行加熱，利用熱空氣對(duì)流使煙草達(dá)到干燥的效果。這樣可以控制煙草干燥時(shí)的溫度，使煙草能夠更好更快地干燥。因此，熱風(fēng)管處理法在煙草干燥領(lǐng)域得到了大范圍的推廣，它可以在煙草干燥過程中保證煙草的質(zhì)量，并且能更快速地進(jìn)行干燥處理 [3-8]。

煙草干燥過程中重要的部分就是溫度檢測和溫度控制。通過煙草干燥曲線可以找到煙草干燥的最佳溫度區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)煙草干燥的速度最快，所用時(shí)間最短，并且干燥后的煙草質(zhì)量也較好 [9]?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一個(gè)溫度檢測和溫度控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥過程中的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和顯示 ；并可以對(duì)干燥溫度進(jìn)行設(shè)定，控制加熱裝置的加熱狀態(tài)，使干燥溫度保持在最佳溫度區(qū)間內(nèi)。

1?煙草干燥加溫測試裝置整體設(shè)計(jì)

煙草干燥加溫測試裝置系統(tǒng)是基于單片機(jī) MSP430F149的閉環(huán)控制系統(tǒng)來對(duì)電加熱爐進(jìn)行溫度控制的。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1 所示。通過外部鍵盤輸入設(shè)定要達(dá)到的目標(biāo)溫度 ；通過鉑電阻 PT100 對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并對(duì)當(dāng)前的檢測溫度和目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，得到偏差，再對(duì)其進(jìn)行 PID 算法修正。本設(shè)計(jì)的溫度控制部分由三極管和固態(tài)繼電器組成，修正的結(jié)果決定單片機(jī) PWM 輸出口輸出高電平還是低電平，進(jìn)而決定三極管導(dǎo)通與否，并確定固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)，達(dá)到對(duì)電爐絲加熱狀態(tài)的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥溫度的控制。

2 煙草干燥加溫測試裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中溫度檢測模塊使用鉑電阻 PT100 進(jìn)行檢測，通過電橋得到差動(dòng)值，然后再經(jīng)過 AD 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)送入單片機(jī) MSP430F149，最后通過液晶 OCM12864進(jìn)行溫度顯示。其中由 TL431 組成的部分電路相當(dāng)于一個(gè)10 V 的穩(wěn)壓電源，為供橋電源。電橋的輸出電壓可由下面的計(jì)算公式得出 ：

鉑電阻 PT100 在 0 ℃時(shí)電阻值為 100 Ω，電阻變化率為0.385 1 Ω/℃，由此可以得到 RPT 的值，進(jìn)而可以得到某溫度范圍內(nèi)的電橋輸出電壓變化范圍。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集模塊所用的主要器件為 AD7705，它可以通過編程設(shè)定增益和數(shù)據(jù)輸出更新頻率，還可以選擇輸入模擬緩沖器以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)的方式，其中電源電壓為 5 V，基準(zhǔn)電壓由 LM336 精密 2.5 V 穩(wěn)壓器提供。

2.3 溫度控制模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

溫度控制部分利用三級(jí)管 9012 通斷控制繼電器工作，三極管 9012 為低電平導(dǎo)通。當(dāng)控制器輸出信號(hào) 0 時(shí)，9012導(dǎo)通，從而使繼電器導(dǎo)通，電爐絲加熱進(jìn)行升溫 ；而當(dāng)控制器輸出信號(hào) 1 時(shí)，9012 不導(dǎo)通，繼電器斷開，電爐絲停止加熱。

3 溫度檢測控制系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度檢測和溫度控制部分程序設(shè)計(jì)

溫度檢測部分采用鉑電阻 PT100 對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。通過 AD 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換可以得到 AD7705 的 7 腳（AIN1+）、8 腳（AIN1-）的電壓。根據(jù)公式（1）計(jì)算出溫度檢測部分的電橋輸出電壓并且可以得出 RPT 的值。此值不可能是 PT100 鉑電阻分度特性對(duì)照表中的一個(gè)準(zhǔn)確的電阻值，需要通過如下公式計(jì)算得到當(dāng)前阻值對(duì)應(yīng)的溫度。

式中：RPT 是由電橋輸出電壓公式計(jì)算得到的電阻值；A、B為在 PT100 鉑電阻分度特性對(duì)照表中與 RPT 最接近的阻值（設(shè)定 A ＜ B）；a、b 分別是對(duì)應(yīng)阻值 A、B 的溫度值；x 為當(dāng)前溫度值。

溫度檢測和控制部分的程序流程如圖 2 所示。

3.2 PID 控制部分

本設(shè)計(jì)中定義三個(gè)變量 ：Ttarget 為設(shè)定的目標(biāo)溫度，Treal 為當(dāng)前檢測到的溫度，Tdiff 為目標(biāo)溫度與檢測到的溫度的差值， 即 Tdiff=Ttarget-Treal。PID 運(yùn)算表達(dá)式 [10-12]為 PWMOUT=POUT+IOUT+DOUT+PH ；其 中，POUT、IOUT、DOUT 分 別表示為 ：

其中：KP 是比例系數(shù)；KI 是積分系數(shù)；KD 是微分系數(shù)。

3.3 鍵盤中斷程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用外部鍵盤輸入對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行設(shè)定，鍵盤中斷程序流程如圖 3 所示。

4 測試方法及結(jié)果

4.1 測試方法

首先將整個(gè)電路接通電源，此時(shí)液晶屏顯示當(dāng)前溫度為室溫，當(dāng)按下鍵盤上的 B 鍵，液晶顯示屏第二行顯示出“設(shè)置”，然后通過數(shù)字鍵 0 ～ 9 設(shè)定所要達(dá)到的目標(biāo)溫度，按下確認(rèn)鍵 F。當(dāng)輸入目標(biāo)溫度高于當(dāng)前檢測到的溫度時(shí)，單片機(jī) P5.7 輸出低電平，三極管導(dǎo)通，固態(tài)繼電器工作，控制系統(tǒng)工作，液晶顯示屏上顯示“升溫”狀態(tài) ；當(dāng)加熱溫度達(dá)

到目標(biāo)溫度時(shí)，單片機(jī) P5.7 輸出高電平，加熱電路斷開，液晶顯示屏上顯示“降溫”狀態(tài)。這樣就完成了溫度的檢測和控制。

4.2 測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)的加溫測試裝置的溫度測量范圍為 10 ～ 80 ℃。本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)的溫度控制系統(tǒng)，并且對(duì)溫度能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和顯示。表 1 給出了測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的一組。

通過表 1 可以看到，目標(biāo)溫度與實(shí)際檢測溫度的差值在0.3 ～ 0.5 ℃之間，在誤差允許范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

煙草干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，同時(shí)伴隨有復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，因此煙草干燥過程中的溫度控制尤為重要。本文以單片機(jī) MSP430F149 作為電路的核心控制器件，設(shè)計(jì)了煙草干燥加溫測試裝置，整個(gè)系統(tǒng)由溫度檢測、溫度控制、液晶顯示、數(shù)據(jù)采集、鍵盤輸入五個(gè)部分組成。通過溫度控制和檢測系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使溫度控制更為精確。通過測試可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)溫度與檢測溫度誤差在較小范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了煙草干燥加熱溫度的精確控制。

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編輯：黃飛

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