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智能干湿温度测控仪

干温控制曲线湿温控制曲线测控系统构成

2004年1月(1)

摘要  针对烟叶生产过程中烤烟坑房干、湿温度的测量和控制问题,采用单片机和人工智能技术,研制了以单片机为核心的智能干、湿温度的测控仪,基本实现了干、湿温度的自动控制。重点介绍了测控系统的硬件组成和软件设计,给出了系统结构原理图。

关键词   温度测控仪    干温     湿温    坑房    烟叶初烤

烟叶初烤是烟叶生产的重要环节,一坑烟在5~7天里(下部烟、中部烟、上部烟烘烤时间不同)要完成一系列的理化变化,使鲜烟叶变成橘黄和具有良好组织、弹性、光泽、油份和香气的叶片。要实现这一目标,须科学地理并实施“三段式”工艺要求,而“三段式”烘烤工艺的核心是根据烟叶的具体状态确定并控制变黄期、定色期和干筋期各升温段、保温段的干、湿温度(干温是指坑房内的空气温度,湿温是指坑房内的水分温度)。目前,广大烟区已广泛推广烟叶初烤的“三段式”烘烤工艺,并且大多数坑房已加装热风循环装置,而使用的干、湿温度测量器具却是酒精或煤油的玻璃管温度计(烟区称之为火表),控制方法采用人工启闭回风门(用于排湿、控制湿温)、进风门或鼓风机(控制火炉火势,间接控制干温)。温度测量不准、使用不便的玻璃管温度计,被动的控制方法加之操作者连续5天以上的疲劳操作已成为制约烟叶烘烤质量提高的瓶径问题。

近年来,不少科技工作者为解决烤烟干湿温度测量和控制问题作了大量的工作。但由于烟叶初烤中影响坑房内干湿温度的因素太多,并且随机变化,无法建立数学模型,使常规的控制方法难以达到预期的控制目标。为此而开发的烤烟坑房智能干湿温度测控仪(以下简称测控仪),基本实现了烤烟过程中干、湿温度的自动控制,烘烤工艺可随机改变,有良好的推广应用价值。

1  设计方案与技术指标

   实践表明,在烟叶的烘烤过程中,不论什么样鲜烟叶,不管是变黄期、定色期还是干筋期,其升温段的升温速率以每小时1℃为最佳,而保温的温度及时间要根据鲜烟叶的具体情况来定。在烤烟坑房中,若未加装热风循环装置,其坑内的上下温差可达10℃以上,热风循环坑房内部上下温差也有4~5℃,并且坑内温差的变化是随机的,因此若想通过多点测量后综合测量结果后进行控制,理论上是合理的,但实际上行不通。实践表明:若能控制坑内中下部的干湿温度在相对其烘烤的理想温度±2℃以内,烘烤质量就有了可靠保证。

根据使用要求,在变黄区、定色区、干筋区各区的升温段设置其升温速率为1℃/h;为了适应不同烟叶的烘烤,设置干温的理想曲线如图1所示。

             图1  干温控制曲线

为了适应不同烟叶的烘烤,控温档位由人工按键设定。在38~68℃范围内控温档位设为5档,当初始设为①档时,则从起烤温度到38℃的升温速率为1℃/h,且在任意时刻的理想温度就确定了,温度升至38℃时,自动进入保温控制状态,保温时间直至下次档次设定;若第二次设定为③档时,则从38℃至45℃以1℃/h升温,升到45℃时又自动进入保温状态,其它档位依次类推。当使用中停电后再来电时,由当前坑房内的实际温度到设定档位温度按上述规律继续工作。

控制湿温是保证烘烤质量的重要环节,为适应不同烟叶及增加人为的主动性,在35~43℃范围内控温档位设为9档,湿温控制曲线如图2所示。档位设定和控制规律与干温类似。

                     图2  湿温控制曲线

测控仪的主要技术指标如下:

有效测控范围:20~80℃;

显示分辨率:0.1℃;

测量精度:±0.5℃;

控制精度:±1℃;

升温段升温速率:1℃/h。

2 系统构成

      测控仪系统由主机、传感器组件和执行部件组成。硬件系统如图3所示。

               图3   系统结构原理图

测控仪精度要求为0.5级,根据控制功能需要本系统选用AT89C51作为CPU。AT89C51是一种低功耗、高性能的片内4KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器,与MCS-51微控制器产品系列兼容,使用高密度、非易失存储技术制造,存储器可循环写入/擦除1000次。A/D转换器选用ADC1005CMOS10位A/D转换器。该芯片分辨率为8位,总的非调整误差为±1LSB,输出电平与TTL电平兼容,单电源+5V供电,模拟量输入范围为0~5V。

有3个输出通道:1个报警电路,利用烽鸣器报警;2个驱动电路分别控制电动执行器的正反转。为了提高系统的抗干扰能力,驱动电路采用交流固态继电器。

温度档位设定采用BCD码拨盘,利用P1的低位作为数字输入,操作方便。

温度显示采用LED显示。为了不再扩展并行接口,利用串行口的移位寄存器功能,扩展三位静态显示LED接口电路。P1.7作为输出控制,当P1.7=1时允许串行口输出数据给移位寄存器,否则,显示内容不变。

传感器组件由传感器、湿温水壶和导线连接件组成。根据测量和控制精度要求,本系统选择了Cu50热电阻作为温度传感器。Cu50测量范围—50~+150℃,线性度好,灵敏度高,价格适中,能满足系统的技术要求。温度的控制首先取决于温度测量精度,因此,为了保证精度,硬件采用了三个方面的措施:第一,测量中传感器的连接采用新的三线制方法,补偿由导线引起的误差;第二,选用OP07作为运算放大电路,第三,测量电路采用恒流源供电。

执行部件由电动执行器、进风门和风门组成。两个电动执行器分别驱动进风门、回风门,实现坑内干、湿温度的调节。电动执行器的转速很低(90°/80s),能正反转并能在任意角度停止,最大转角为90°,其输出可与风门的转轴直接相连,安装使用方便。

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