熱電阻在煙葉初烤炕房溫度控制中的應用

一、前言

煙葉初烤過(guò)程中，烤房?jì)葴囟鹊臏蚀_測量和有效控制是烘烤的核心和煙葉質(zhì)量的根本保證。目前，廣大煙區已廣泛推廣煙葉初烤的“三段式烘烤工藝”，并且大多數炕房已加裝熱風(fēng)循環(huán)裝置，而使用的溫度測量器具卻是酒精的或煤油的玻璃管溫度計（煙區稱(chēng)之為火表），控制方法采用人工啟閉回風(fēng)門(mén)（用于排濕，控制濕球溫度）、火門(mén)或鼓風(fēng)機（控制火爐火勢，間接控制干球溫度）。測量不準、使用不便的溫度計，被動(dòng)的控制方法等成為制約煙葉烘烤質(zhì)量提高的瓶徑問(wèn)題。以溫度控制工藝為例，用熱電阻Cu50作為傳感器，以單片機為核心的控制儀解決了這一問(wèn)題，基本實(shí)現烤煙過(guò)程中溫度的自動(dòng)控制。

二、溫度控制要求

1、技術(shù)要求：有效測控范圍：20℃至80℃；溫度測量精度：±0.5℃；溫度控制精度：±1.0℃；顯示分辨率：0.1℃；

2、檔位設置：為了適應烤煙工藝要求和煙葉的具體情況，在35℃～43℃溫度范圍內將其分為九檔，以供選擇。

3、執行機構：風(fēng)門(mén)由電動(dòng)執行器驅動(dòng)，其運行時(shí)間為80秒，即1.1度/秒；電源：220V，50Hz。

4、自動(dòng)控制：當濕球溫度值超過(guò)設定值0.5℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟5秒；當濕球溫度值在設定值±0.5℃范圍內時(shí)，進(jìn)風(fēng)門(mén)狀態(tài)保持。當濕球溫度值低于設定值0.5℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)門(mén)自動(dòng)關(guān)閉5秒；

5、報警：當溫度高于或低于設定值1℃時(shí)，蜂鳴器報警。

三、系統設計

根據以上具體要求，本系統用單片機作為控制單元，熱電阻作為傳感器，完成了裝置的設計，整個(gè)系統的原理圖如圖1所示。其工作原理如下：

圖1 系統框圖

1、硬件設計

（1）微處理器選擇

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(chǎn)品系列兼容,使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，存儲器可循環(huán)寫(xiě)入/擦除1000次。AT89C51的引腳與8031相同。因此，不需要擴展即能滿(mǎn)足要求。

（2）傳感器的選擇

根據本系統的測量精度和控制精度要求，本裝置選擇了熱電阻式傳感器Cu50作為測溫傳感器。Cu50測溫范圍-50℃～+150℃，工作范圍20℃-80℃，線(xiàn)性度好，靈敏度高，價(jià)格適中，滿(mǎn)足了該系統的技術(shù)要求。

（3）測量電路

溫度的測量和控制主要取決于溫度測量精度，因此，為了保證精度，從硬件采用了三個(gè)方面的措施：第一，測量中傳感器的連接采用新的三線(xiàn)制方法[1]，補償由導線(xiàn)引起的誤差；第二，選用高精度低漂移運算放大器OP07作為運算放大的電路，第三，測量電路采用恒流源供電。如圖2所示。

圖2 測量電路

該電路完全消除了最常用的三線(xiàn)制接法[2]中導線(xiàn)電阻的影響。圖中R62、R63、R64的電阻值相等，其輸出電壓僅與熱電阻Rt有關(guān)，且呈線(xiàn)性關(guān)系。測量精度主要取決于恒流源電流。為保證該電流的穩定性，在恒流源電路的設計中，選用了穩壓管（LM-336），高精度低漂移運算放大器（OP-07），晶體三極管（BC157B）。其它電路則選用了四通用單電源運算放大器（LM324）。

（4）A/D轉換器

A/D轉換器選用常用的ADC1005CMOS10位A/D轉換器，即可滿(mǎn)足技術(shù)要求。該芯片總的非調整誤差為±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。

（5）輸出通道設計

有三個(gè)輸出通道：一個(gè)報警電路，二個(gè)電機驅動(dòng)電路分別控制風(fēng)門(mén)電機的正反轉。為了提高系統的抗干擾能力，驅動(dòng)電路采用交流固態(tài)繼電器。

（6）人機通道設計

①溫度設定電路：溫度檔位設定采用BCD碼撥盤(pán)，利用P1口的低4位作為數值輸入。操作方便；

②溫度顯示電路：溫度值采用數碼管顯示。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(tài)數碼管顯示接口電路。P1.7作為輸出控制，當P1.7=1時(shí)允許串行口輸出數據給移位寄存器，否則，顯示內容不變。

③報警電路：利用蜂鳴器報警。

2、軟件總體設計

（1）程序結構設計

應用程序結構采用循環(huán)方式，電動(dòng)執行器控制由定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)或停止。主程序進(jìn)行系統初始化，包括定時(shí)器、I/O和中斷系統的初始化。

循環(huán)中進(jìn)行以下操作：撥盤(pán)設定值檢測、溫度檢測、標度變換、數字濾波、溫度顯示和控制，這些操作分別由相應子程序模塊完成。

（2）程序模塊設計

下面說(shuō)明溫度檢測和控制程序的設計。

①溫度檢測程序

該程序的功能是連續7次A/D轉換，把轉換結果保存在3BH開(kāi)始的單元中，然后進(jìn)行數字濾波，得到中值存于33H單元。A/D轉換采用查詢(xún)方式。

②溫度控制程序

溫度的高低受風(fēng)門(mén)打開(kāi)的角度控制，因此，該程序的功能是將檢測的溫度實(shí)際值與設定值下，上限的比較，控制風(fēng)門(mén)打開(kāi)的角度。上限設定值（存于3AH）和下限設定值（存于38H） 分別是檔位設定溫度（存于39H）的±0.5℃。每5分鐘檢測判斷控制風(fēng)門(mén)的運行狀態(tài)，每次風(fēng)門(mén)動(dòng)作5S，即打開(kāi)或關(guān)閉5.5°。

四、實(shí)驗結果與結論

根據以上所介紹的原理，已經(jīng)設計并做出了溫度測控裝置。用該裝置對烤煙炕房的溫度測量和控制進(jìn)行了測試，其結果見(jiàn)表1、表2。表中標準溫度是標準水銀溫度計的讀數。試驗結果表明溫度的測量和控制均能滿(mǎn)足設計要求。

表1 溫度測量測試結果

表2 溫度控制測試結果

總之，使用這種補償方法的熱電阻測溫電路，測量精度大大提高，實(shí)現了高精度的溫度測量和控制。同時(shí)，該裝置在硬件上增加了手動(dòng)/自動(dòng)轉換功能，軟件上增添了抗干擾措施，使其工作更可靠、穩定，使用方便，已被平頂山煙草公司寶豐縣分公司的使用所證明。