基于單片機(jī)的智能烘烤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于雷

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700）

基于單片機(jī)的智能烘烤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于雷

（閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700）

以增強(qiáng)型51單片機(jī)STC12C5410AD為控制核心，利用單總線器件DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)自制干、濕球溫度計(jì)，根據(jù)干濕球?qū)φ毡斫柚鷥纱尉€性插值的方法求得濕度值從而實(shí)現(xiàn)烘干過(guò)程濕度的檢測(cè).根據(jù)整個(gè)烘干過(guò)程的溫濕度變化，通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制百葉窗使整個(gè)烘干過(guò)程的效率較高，同時(shí)使得整個(gè)烘干系統(tǒng)的智能程度大大提高.

單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；智能控制

人類社會(huì)發(fā)展至今，在超過(guò)60%的商品的制造過(guò)程中，干燥是一項(xiàng)基本操作.有資料記載，高達(dá)12%的工業(yè)能耗用于干燥方面.

傳統(tǒng)烘烤系統(tǒng)的溫度和濕度的監(jiān)控大多是通過(guò)人工管理進(jìn)行手動(dòng)控制的，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，烘干質(zhì)量參差不齊.根據(jù)對(duì)福建石獅地區(qū)花生烘干過(guò)程的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的烘干工藝存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、能量消耗多、空氣污染重、干燥時(shí)間長(zhǎng)等弊端，不適宜管理，存在很大的改進(jìn)空間.

鑒于這一現(xiàn)狀，提出一種基于單片機(jī)控制的智能烘烤系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)烘干系統(tǒng)過(guò)程溫濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并結(jié)合溫濕度變化曲線、通過(guò)查表法將溫濕度變化控制在誤差范圍之內(nèi).提高了控制精度、避免了人為錯(cuò)誤，也能方便過(guò)程的管理與控制，從而提高烘烤質(zhì)量.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 溫度測(cè)量方案設(shè)計(jì)

采用單總線器件DS18B20，單總線的接口方式與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊.單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以大大節(jié)省硬件設(shè)計(jì)的工作量.

1.2 濕度測(cè)量方案設(shè)計(jì)

采用干濕球法，這是18世紀(jì)就發(fā)明的測(cè)濕方法.歷史悠久，使用最普遍.干濕球測(cè)濕法采用間接測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量干球、濕球的溫度經(jīng)過(guò)計(jì)算得到濕度值，因此對(duì)使用溫度沒(méi)有嚴(yán)格限制，在高溫環(huán)境下測(cè)濕不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞.干濕球測(cè)濕法的維護(hù)相當(dāng)簡(jiǎn)單，在實(shí)際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可.與電子式濕度傳感器相比，干濕球測(cè)濕法不會(huì)產(chǎn)生老化，精度下降等問(wèn)題.所以干濕球測(cè)濕方法更適合于在高溫及惡劣環(huán)境的場(chǎng)合使用.

1.3 CPU控制模塊方案設(shè)計(jì)

采用宏晶科技有限公司的STC12C5410AD單片機(jī)作為控制CPU，該單片機(jī)與傳統(tǒng)51兼容，但速度要快8-12倍，適用于對(duì)電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場(chǎng)合，且價(jià)格便宜.

1.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

采用步進(jìn)電機(jī)控制百葉窗的開(kāi)關(guān)程度.步進(jìn)電機(jī)具有較好的低速運(yùn)行特性和較寬的調(diào)速范圍，并可實(shí)現(xiàn)精確走步，數(shù)控簡(jiǎn)單，成本低，無(wú)積累誤差.驅(qū)動(dòng)模塊可以采用三極管搭建驅(qū)動(dòng)電路、L298N集成芯片.采用三極管搭建驅(qū)動(dòng)電路時(shí)調(diào)試會(huì)比較復(fù)雜；L298N集成芯片是典型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，輸出電流可達(dá)2.5A，可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便.

2 溫濕度測(cè)量理論分析

2.1 溫度采集

采用是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它是一款性能優(yōu)異的智能集成數(shù)字式傳感器，具有體積小、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).

2.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)與測(cè)溫原理

DS18B20部結(jié)構(gòu)如圖1所示.主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器.ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼，每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同.

圖1 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

單總線上傳輸?shù)氖且幌盗械拿}沖信號(hào).使用DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)量的步驟為：初始化DS18B20→跳過(guò)ROM操作命令→啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換命令→等待轉(zhuǎn)換完成→初始化→跳過(guò)ROM操作命令→讀取溫度寄存器命令，這樣就可以讀出被測(cè)溫度的數(shù)據(jù)了.

2.3 濕度測(cè)量

采用測(cè)量空氣的相對(duì)濕度來(lái)間接反應(yīng)花生的含濕量.通過(guò)自制干濕球，然后根據(jù)干濕球?qū)φ毡恚ㄟ^(guò)線性插值的算法計(jì)算得到濕度值，其原理如下：

圖2為因變量y與自變量x的曲線圖，該曲線為圓弧狀，在x軸上取小區(qū)間[x0,x1],則對(duì)于期間的一點(diǎn)x對(duì)應(yīng)的y值可按如下公式計(jì)算：

圖2 線性插值原理示意圖

由于用干濕球法通過(guò)查表得到的濕度與干球溫度和干濕球溫差有關(guān)，所以我們要進(jìn)行兩次線性插值.即設(shè)在一定干溫值t下,它落于區(qū)間[t0,t1]；一定的溫差值△t下，它落于區(qū)間[△t0,△t1].從而可以得到四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)（t0，RH1(t0)）（t1,RH1(t1)）（t0，RH0(t0)）（t1，RH0(t1)）.然后進(jìn)行第一次線性插值就可以得到在△t0,△t1點(diǎn)處的濕度值RH0(t)、RH0(t).

同理，由算得的濕度值（△t0，RH0(t)）、（△t1，RH0(t)）再進(jìn)行一次線性插值就可以得到在一定干溫、一定溫差下對(duì)應(yīng)的濕度值了.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示.

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 電源模塊

該電源模塊采用鴻海科技HW2E5-05型號(hào)的開(kāi)關(guān)電源模塊供電，該電源交流輸入范圍為90~264V,直流輸出為5V、0.5A,輸出功率為2.5W,工作溫度為-10~50攝氏度.在花生烘干現(xiàn)場(chǎng)能確保電源的供應(yīng).

3.3 傳感器模塊

采用DS18B20的多端口并行驅(qū)動(dòng)法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制.如圖4所示.

圖4 DS18B20多端口并行驅(qū)動(dòng)示意圖

3.4 按鍵模塊

由于單片機(jī)I/O口夠用，所以采用獨(dú)立按鍵設(shè)計(jì)按鍵模塊，共設(shè)5個(gè)按鍵，其作用分別為：key1擦除扇區(qū)，key2啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，key3啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送，key4與key5為備用鍵.

3.5 通信模塊

由于上位機(jī)串口是RS232電平，所以連接時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.采用MAX232芯片作RS-232轉(zhuǎn)換器，RXD是串行接收數(shù)據(jù)功能，TXD是串行發(fā)送數(shù)據(jù)功能，串行端口TXD和RXD在通信時(shí)要交叉相連，再將地線相連后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送.

3.6 顯示模塊

1602顯示模塊原理圖如圖5所示.

圖5 顯示模塊

為了節(jié)省單片機(jī)I/O口，采用74LS164串轉(zhuǎn)并的方法，結(jié)合單片機(jī)的SPI功能，將顯示數(shù)據(jù)從單片機(jī)中一位位發(fā)出去，通過(guò)74LS164的移位作用將8位數(shù)據(jù)送至1602.

3.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)計(jì)中根據(jù)溫濕度曲線與實(shí)際測(cè)得的濕度值相比較，根據(jù)濕度值相差不同的值分成三個(gè)等級(jí)，從而控制百葉窗開(kāi)的程度.

步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)采用常規(guī)的四相制，工作于四拍.四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度/（50*4）=1.8度.即200個(gè)脈沖信號(hào)能使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈.

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

為了減少電氣干擾，單片機(jī)與電機(jī)的接口電路采用光電耦合之后由L298驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，二極管起續(xù)流作用，保護(hù)電機(jī).原理圖如圖6所示.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)通過(guò)鍵盤(pán)處理啟動(dòng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及發(fā)送至PC機(jī)等工作，主程序主要完成SPI、液晶、EEPROM、串口通信、定時(shí)器等的初始化，然后一直在一個(gè)死循環(huán)里做按鍵掃描的工作.所以按鍵掃描軟件的編寫(xiě)是關(guān)鍵.主程序流程圖如圖7所示.

圖7 主程序流程圖

4.1.1 鍵盤(pán)處理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用了三個(gè)按鍵，分別實(shí)現(xiàn)了扇區(qū)擦除、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)發(fā)送功能，如圖8所示.

圖8 鍵盤(pán)掃描程序流程圖

4.1.2 溫濕度采集設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的溫濕度數(shù)據(jù)采集都是通過(guò)DS18B20加軟件算法來(lái)完成的，具體就是濕度值是通過(guò)之前介紹的線性插值的算法來(lái)獲得的.在程序中定義了一個(gè)由查表得到的相對(duì)濕度的二維數(shù)組，該數(shù)組的得到是根據(jù)行是從20℃開(kāi)始以2℃為步進(jìn)量直到80℃所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度值組成的，而列是溫差從0℃開(kāi)始以1℃為步進(jìn)量直到52℃所對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度組成的.所以編制程序是要根據(jù)干濕球溫差與干球溫度來(lái)尋得對(duì)應(yīng)的濕度值.即行標(biāo)是干濕球溫度值相減后取整得到的值，而列標(biāo)為干球溫度減去20對(duì)2求模得到.然后就可以根據(jù)線性插值的公式計(jì)算濕度值.

4.1.2 串口通信設(shè)計(jì)

串口通信流程圖如圖9所示.主要功能是實(shí)現(xiàn)讀取EEPROM中的數(shù)據(jù)并送至上位機(jī).本設(shè)計(jì)系統(tǒng)晶振為12MHZ，采用串口通信方式2，并加入偶校驗(yàn)位.

圖9 串口通信流程圖

4.2 智能控制程序設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集完現(xiàn)場(chǎng)烘干溫濕度數(shù)據(jù)后，經(jīng)整理分析，可以得出溫濕度隨時(shí)間變化的曲線.系統(tǒng)根據(jù)濕度隨烘干時(shí)間的變化曲線與實(shí)時(shí)采集的濕度值相比較，根據(jù)設(shè)定的控制值控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)從而控制百葉窗的開(kāi)關(guān)，使整個(gè)烘干系統(tǒng)的濕度基本能吻合烘干過(guò)程濕度變化曲線.同時(shí)，根據(jù)溫度的變化判斷系統(tǒng)是否存在故障，即經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后溫度應(yīng)變化的范圍可以根據(jù)曲線預(yù)先存儲(chǔ)在單片機(jī)中，然后根據(jù)實(shí)時(shí)采集的溫度值由單片機(jī)判斷該值是否在這一范圍內(nèi)，否則驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警.控制箱體內(nèi)的濕度的具體思想是：在某一個(gè)設(shè)定的濕度值下，根據(jù)此時(shí)采集的濕度值從而計(jì)算出該濕度值與設(shè)定值的誤差，將誤差分為三個(gè)等級(jí)，然后用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)相應(yīng)步數(shù).

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)可以改變干燥或烘烤過(guò)程完全依賴人工和過(guò)時(shí)技術(shù)的面貌，能提高控制精度、避免了人為錯(cuò)誤，也能方便過(guò)程的管理與控制，從而提高烘烤質(zhì)量.因此具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，實(shí)用特色顯著.

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1673-260X（2012）08-0073-03