劉婷婷，王 悠，李琦琦

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引 言

目前國內(nèi)外煙草干燥的方法有以下幾種：日曬處理法、風(fēng)干處理法、明火烘烤法、熱風(fēng)管處理法。其中風(fēng)干處理法是將煙草懸掛于避陽通風(fēng)的建筑中，通過自然風(fēng)干進行干燥處理。這種方法得到的煙草雖然煙草風(fēng)味變得更柔和，并且能夠降低其尼古丁的含量，但是利用外界自然條件進行干燥的時間較長。明火烘烤處理法是將煙草懸掛于明火之上，通過明火生起的濃煙，把煙葉熏熟，達到干燥效果，這種方法的不利之處也是干燥溫度不易控制，并且明火容易將煙草燒壞。熱風(fēng)管處理法是將收獲的煙草放置于密閉容器內(nèi)，通過加熱裝置進行加熱，利用熱空氣對流使煙草達到干燥的效果。這樣可以控制煙草干燥時的溫度，使煙草能夠更好更快地干燥。因此，熱風(fēng)管處理法在煙草干燥領(lǐng)域得到了大范圍的推廣，它可以在煙草干燥過程中保證煙草的質(zhì)量，并且能更快速地進行干燥處理。

煙草干燥過程中重要的部分就是溫度檢測和溫度控制。通過煙草干燥曲線可以找到煙草干燥的最佳溫度區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)煙草干燥的速度最快，所用時間最短，并且干燥后的煙草質(zhì)量也較好?；诖耍疚脑O(shè)計了一個溫度檢測和溫度控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對干燥過程中的溫度進行實時檢測和顯示；并可以對干燥溫度進行設(shè)定，控制加熱裝置的加熱狀態(tài)，使干燥溫度保持在最佳溫度區(qū)間內(nèi)。

1 煙草干燥加溫測試裝置整體設(shè)計

煙草干燥加溫測試裝置系統(tǒng)是基于單片機MSP430F149的閉環(huán)控制系統(tǒng)來對電加熱爐進行溫度控制的。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。通過外部鍵盤輸入設(shè)定要達到的目標(biāo)溫度；通過鉑電阻PT100對溫度進行實時檢測，并對當(dāng)前的檢測溫度和目標(biāo)溫度進行比較，得到偏差，再對其進行PID算法修正。本設(shè)計的溫度控制部分由三極管和固態(tài)繼電器組成，修正的結(jié)果決定單片機PWM輸出口輸出高電平還是低電平，進而決定三極管導(dǎo)通與否，并確定固態(tài)繼電器的工作狀態(tài)，達到對電爐絲加熱狀態(tài)的控制，從而實現(xiàn)對干燥溫度的控制。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 煙草干燥加溫測試裝置的硬件設(shè)計

2.1 溫度檢測模塊的硬件電路設(shè)計

本設(shè)計中溫度檢測模塊使用鉑電阻PT100進行檢測，通過電橋得到差動值，然后再經(jīng)過AD進行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)送入單片機MSP430F149，最后通過液晶OCM12864進行溫度顯示。其中由TL431組成的部分電路相當(dāng)于一個10 V的穩(wěn)壓電源，為供橋電源。電橋的輸出電壓可由下面的計算公式得出：

鉑電阻PT100在0 ℃時電阻值為100 Ω，電阻變化率為0.385 1 Ω/℃，由此可以得到的值，進而可以得到某溫度范圍內(nèi)的電橋輸出電壓變化范圍。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的硬件電路設(shè)計

本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集模塊所用的主要器件為AD7705，它可以通過編程設(shè)定增益和數(shù)據(jù)輸出更新頻率，還可以選擇輸入模擬緩沖器以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)的方式，其中電源電壓為5 V，基準(zhǔn)電壓由LM336精密2.5 V穩(wěn)壓器提供。

2.3 溫度控制模塊的硬件電路設(shè)計

溫度控制部分利用三級管9012通斷控制繼電器工作，三極管9012為低電平導(dǎo)通。當(dāng)控制器輸出信號0時，9012導(dǎo)通，從而使繼電器導(dǎo)通，電爐絲加熱進行升溫；而當(dāng)控制器輸出信號1時，9012不導(dǎo)通，繼電器斷開，電爐絲停止加熱。

3 溫度檢測控制系統(tǒng)中的軟件設(shè)計

3.1 溫度檢測和溫度控制部分程序設(shè)計

溫度檢測部分采用鉑電阻PT100對溫度進行實時檢測。通過AD進行數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換可以得到AD7705的7腳（AIN1+）、8腳（AIN1-）的電壓。根據(jù)公式（1）計算出溫度檢測部分的電橋輸出電壓并且可以得出的值。此值不可能是PT100鉑電阻分度特性對照表中的一個準(zhǔn)確的電阻值，需要通過如下公式計算得到當(dāng)前阻值對應(yīng)的溫度。

式中：是由電橋輸出電壓公式計算得到的電阻值；、為在PT100鉑電阻分度特性對照表中與最接近的阻值（設(shè)定＜）；、分別是對應(yīng)阻值、的溫度值；為當(dāng)前溫度值。

溫度檢測和控制部分的程序流程如圖2所示。

圖2 溫度檢測和控制程序流程

3.2 PID控制部分

本設(shè)計中定義三個變量：為設(shè)定的目標(biāo)溫度，為當(dāng)前檢測到的溫度，為目標(biāo)溫度與檢測到的溫度的差值，即=-。PID運算表達式為：PWM=+++；其中，、、分別表示為：

其中：K是比例系數(shù)；K是積分系數(shù)；K是微分系數(shù)。

3.3 鍵盤中斷程序設(shè)計

本設(shè)計采用外部鍵盤輸入對目標(biāo)溫度進行設(shè)定，鍵盤中斷程序流程如圖3所示。

圖3 鍵盤中斷程序流程

4 測試方法及結(jié)果

4.1 測試方法

首先將整個電路接通電源，此時液晶屏顯示當(dāng)前溫度為室溫，當(dāng)按下鍵盤上的B鍵，液晶顯示屏第二行顯示出“設(shè)置”，然后通過數(shù)字鍵0～9設(shè)定所要達到的目標(biāo)溫度，按下確認(rèn)鍵F。當(dāng)輸入目標(biāo)溫度高于當(dāng)前檢測到的溫度時，單片機P5.7輸出低電平，三極管導(dǎo)通，固態(tài)繼電器工作，控制系統(tǒng)工作，液晶顯示屏上顯示“升溫” 狀態(tài)；當(dāng)加熱溫度達到目標(biāo)溫度時，單片機P5.7輸出高電平，加熱電路斷開，液晶顯示屏上顯示“降溫”狀態(tài)。這樣就完成了溫度的檢測和控制。

4.2 測試結(jié)果

本設(shè)計的加溫測試裝置的溫度測量范圍為10～80 ℃。本設(shè)計最終實現(xiàn)了閉環(huán)的溫度控制系統(tǒng)，并且對溫度能夠進行實時檢測和顯示。表1給出了測得實驗數(shù)據(jù)中的一組。

表1 目標(biāo)溫度與檢測溫度對比

通過表1可以看到，目標(biāo)溫度與實際檢測溫度的差值在0.3～0.5 ℃之間，在誤差允許范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

煙草干燥是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程， 同時伴隨有復(fù)雜的物理、化學(xué)變化，因此煙草干燥過程中的溫度控制尤為重要。本文以單片機MSP430F149作為電路的核心控制器件，設(shè)計了煙草干燥加溫測試裝置，整個系統(tǒng)由溫度檢測、溫度控制、液晶顯示、數(shù)據(jù)采集、鍵盤輸入五個部分組成。通過溫度控制和檢測系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使溫度控制更為精確。通過測試可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)溫度與檢測溫度誤差在較小范圍內(nèi)，實現(xiàn)了煙草干燥加熱溫度的精確控制。