熱電阻在煙葉初烤炕房溫度控制中的應(yīng)用

一、前言

煙葉初烤過程中，烤房?jī)?nèi)溫度的準(zhǔn)確測(cè)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(qū)已廣泛推廣煙葉初烤的“三段式烘烤工藝”，并且大多數(shù)炕房已加裝熱風(fēng)循環(huán)裝置，而使用的溫度測(cè)量器具卻是酒精的或煤油的玻璃管溫度計(jì)（煙區(qū)稱之為火表），控制方法采用人工啟閉回風(fēng)門（用于排濕，控制濕球溫度）、火門或鼓風(fēng)機(jī)（控制火爐火勢(shì)，間接控制干球溫度）。測(cè)量不準(zhǔn)、使用不便的溫度計(jì)，被動(dòng)的控制方法等成為制約煙葉烘烤質(zhì)量提高的瓶徑問題。以溫度控制工藝為例，用熱電阻Cu50作為傳感器，以單片機(jī)為核心的控制儀解決了這一問題，基本實(shí)現(xiàn)烤煙過程中溫度的自動(dòng)控制。

二、溫度控制要求

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

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

3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)：風(fēng)門由電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，其運(yùn)行時(shí)間為80秒，即1.1度/秒；電源：220V，50Hz。

4、自動(dòng)控制：當(dāng)濕球溫度值超過設(shè)定值0.5℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)門自動(dòng)開啟5秒；當(dāng)濕球溫度值在設(shè)定值±0.5℃范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)風(fēng)門狀態(tài)保持。當(dāng)濕球溫度值低于設(shè)定值0.5℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)門自動(dòng)關(guān)閉5秒；

5、報(bào)警：當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定值1℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖1 系統(tǒng)框圖

1、硬件設(shè)計(jì)

（1）微處理器選擇

本系統(tǒng)選用AT89C51作為CPU。AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi)4KB快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)制造，存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入/擦除1000次。AT89C51的引腳與8031相同。因此，不需要擴(kuò)展即能滿足要求。

（2）傳感器的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)的測(cè)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(cè)溫傳感器。Cu50測(cè)溫范圍-50℃～+150℃，工作范圍20℃-80℃，線性度好，靈敏度高，價(jià)格適中，滿足了該系統(tǒng)的技術(shù)要求。

（3）測(cè)量電路

溫度的測(cè)量和控制主要取決于溫度測(cè)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(cè)量中傳感器的連接采用新的三線制方法[1]，補(bǔ)償由導(dǎo)線引起的誤差；第二，選用高精度低漂移運(yùn)算放大器OP07作為運(yùn)算放大的電路，第三，測(cè)量電路采用恒流源供電。如圖2所示。

圖2 測(cè)量電路

該電路完全消除了最常用的三線制接法[2]中導(dǎo)線電阻的影響。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)，且呈線性關(guān)系。測(cè)量精度主要取決于恒流源電流。為保證該電流的穩(wěn)定性，在恒流源電路的設(shè)計(jì)中，選用了穩(wěn)壓管（LM-336），高精度低漂移運(yùn)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(yùn)算放大器（LM324）。

（4）A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器選用常用的ADC1005CMOS10位A/D轉(zhuǎn)換器，即可滿足技術(shù)要求。該芯片總的非調(diào)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(shè)計(jì)

有三個(gè)輸出通道：一個(gè)報(bào)警電路，二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路分別控制風(fēng)門電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，驅(qū)動(dòng)電路采用交流固態(tài)繼電器。

（6）人機(jī)通道設(shè)計(jì)

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

②溫度顯示電路：溫度值采用數(shù)碼管顯示。為了不再擴(kuò)展并行接口，利用串行口的移位寄存器功能，擴(kuò)展三位靜態(tài)數(shù)碼管顯示接口電路。P1.7作為輸出控制，當(dāng)P1.7=1時(shí)允許串行口輸出數(shù)據(jù)給移位寄存器，否則，顯示內(nèi)容不變。

③報(bào)警電路：利用蜂鳴器報(bào)警。

2、軟件總體設(shè)計(jì)

（1）程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)采用循環(huán)方式，電動(dòng)執(zhí)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(tǒng)初始化，包括定時(shí)器、I/O和中斷系統(tǒng)的初始化。

循環(huán)中進(jìn)行以下操作：撥盤設(shè)定值檢測(cè)、溫度檢測(cè)、標(biāo)度變換、數(shù)字濾波、溫度顯示和控制，這些操作分別由相應(yīng)子程序模塊完成。

（2）程序模塊設(shè)計(jì)

下面說明溫度檢測(cè)和控制程序的設(shè)計(jì)。

①溫度檢測(cè)程序

該程序的功能是連續(xù)7次A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在3BH開始的單元中，然后進(jìn)行數(shù)字濾波，得到中值存于33H單元。A/D轉(zhuǎn)換采用查詢方式。

②溫度控制程序

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

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

根據(jù)以上所介紹的原理，已經(jīng)設(shè)計(jì)并做出了溫度測(cè)控裝置。用該裝置對(duì)烤煙炕房的溫度測(cè)量和控制進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果見表1、表2。表中標(biāo)準(zhǔn)溫度是標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)的讀數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明溫度的測(cè)量和控制均能滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 溫度測(cè)量測(cè)試結(jié)果

表2 溫度控制測(cè)試結(jié)果

總之，使用這種補(bǔ)償方法的熱電阻測(cè)溫電路，測(cè)量精度大大提高，實(shí)現(xiàn)了高精度的溫度測(cè)量和控制。同時(shí)，該裝置在硬件上增加了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，軟件上增添了抗干擾措施，使其工作更可靠、穩(wěn)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。