基于PWM調速的多功能低溫烘干箱的設計

摘?要：當人們對高質量生活的追求，對此保證食物的溫濕度也有了一定的要求，為了保證烘干食物的溫濕度控制線性、互換性、重復進行，本設計采用AT89S51單片機作為控制電路的核心，使用DHT11對溫濕進行測量，采用基于PID算法的PWM調速控制風力。本設計電路采用多模塊化組成，這樣設計不僅穩定性增強，并且故障的排除與發現更加容易，編寫程序簡潔、系統可靠性高、操作簡便。

關鍵詞：AT89S51;DHT11溫濕度傳感器;PWM調速

食品干燥是提高食品貯存、保質的重要措施與手段，烘干機的性能直接影響到烘干食品的質量與市場價值。傳統的干燥方法是在太陽下曝曬或者陰涼處通風干燥，這樣的過程不僅緩慢，而且通常會伴隨著食品變質，大面積破活食物的營養價值，從而使干燥后食品的品質也有所下降。傳統的干燥過程不僅不衛生，而且干燥對象品種局限，因此選擇合適的干燥方法是現代食品干燥加工過程中的客觀的要求。高能耗和食品品質破壞是目前食品干燥中的兩個最主要問題。干燥是一種高能耗的操作，據資料統計，法國、英國、瑞典等發達國家，高達12%的工業能耗用于干燥工藝，在各種工業干燥能耗中，農產品、食品的干燥能耗僅次于造紙工業，位居第二位，由此開發出一種高效低功耗烘干機。

1 設計思路和系統構圖

本系統目的是設計一款基于單片機控制的全自動智能烘干機，采用PID控制的干燥風速，盡可能在保持食物原本的營養價值的同時快速干燥。儀器對放入系統內的物體檢測其溫濕度數據之后并進行干操作。本設計結構簡單，可靠性強，設計由一個單片機作為控制核心，利用DHT11作為溫濕度檢測模塊，具有實時顯示溫濕度功能和鍵盤模塊實現可調溫濕度輸入控制。系統設計如圖1所示。

2 系統硬件詳細設計

控制系統的硬件主要由六個模塊構成：單片機控制模塊、溫濕度檢測模塊、PWM調速模塊、鍵盤輸入模塊、加熱電路模塊以及數碼管顯示模塊。系統硬件電路如圖2。

在PWM電路中使用光耦隔離和三極管驅動，目的是防止外接電機電源和外接電機的干擾傳導到單片機對單片機造成致命破壞。

加熱模塊同樣使用光耦隔離驅動三極管使外部220V電壓加到加熱絲中。溫濕度檢測模塊對物體周圍環境實時檢測，單片機對其檢測出的溫濕度數值判斷做出適應動作，加熱電路模塊是單片機通過光電耦合間接控制高壓對加熱絲通電達到加熱效果，為了防止高溫對物體進行直接灼燒，加熱絲應安裝在PWM調速模塊的出風口。因為對物料溫濕度控制，系統針對的目標熱存儲能力大且物料的溫濕度系統的具體性質沒有傳遞函數因此無法精確的得到，為此本次設計采用的是比例積分加微分（PID）控制，以最大限度地滿足系統對諸如超調量、調節時間和控制精度等控制品質的要求。

3 系統軟件設計

系統開始運行，主程序開始執行，對單片機的初始化和各串口初始化等。程序接收DHT11模塊測量的溫濕度，然后等待溫濕度設定，當溫濕度已經設定完畢，系統開始運行，判斷溫濕度數值調用各個相關模塊，循環控制系統運行直到溫濕度數值符合用戶設定的大小系統停止運行。主程序的程序流程圖如圖3所示。

主控模塊以AT89S51單片機為控制核心，DHT11模塊對系統的溫濕度進行判斷，根據溫濕度數據PWM調速模塊和加熱模塊分別判斷作出不同的工作情況。具體判斷規則如下：

（1）溫度偏低，濕度偏高。單片機控制加熱模塊和無極調速模塊進行工作，對其加熱和干燥。

（2）溫度偏低，濕度偏低。單片機停止工作，烘干完成。

（3）溫度偏高，濕度偏高。單片機控制無極調速模塊進行工作，對其進行干燥。

（4）溫度偏高，濕度偏低。單片機控制無極調速模塊進行工作，對其進行降溫。

用戶也可以通過鍵盤設定自身需要控制烘干機的烘干溫度，烘干時間和物體保存剩余濕度，同時將經過AD處理的數據通過單片機的I/O口輸送到LCD上進行顯示，供用戶實時參考。

系統自動運行過程：當需要被干燥的物體放入系統中，單片機首先控制PWM調速模塊全力工作，使物體的溫濕度等信息可以傳達到DHT11模塊，DHT11模塊對系統的溫濕度測量出數值，單片機根據溫濕度控制電熱絲與PWM調速模塊的工作。

系統非自動運行過程：用戶使用鍵盤輸入想要的物體溫濕度數值時，單片機首先控制PWM調速模塊全力工作，使物體的溫濕度等信息可以傳達到DHT11模塊，DHT11模塊對系統的溫濕度測量出數值，當用戶數據與物體數據屬于正常控制范圍時PWM調速模塊、加熱電路模塊正常運行。當數據不屬于正常控制范圍時，屏幕分別顯示溫度錯誤“T error”或者濕度錯誤“H error”。

4 結論

本系統是一個檢測和控制于一體的應用控制系統，系統完成從物料溫濕度的信號檢測、信號處理、運算與顯示再到輸出控制加熱模塊與吹風模塊的控制。采用PID算法的風力控制能夠節約大量的電能，本設計實現成本低，對于欠發達的農業生產區具有極大的實際意義。

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作者簡介：隋杰（1991—?），男，漢族，山東日照人，碩士，研究方向：控制工程。