煙葉自動烘烤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制

摘要 提出以ARM7系列微控制器LPC2148為核心的煙葉自動烘烤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)通過自行設(shè)計(jì)的數(shù)字式干濕球溫度計(jì)采集溫濕度信息，并由微控制器做出相應(yīng)的判斷以控制加熱器功率與通風(fēng)口開度，從而達(dá)到控制烤箱內(nèi)溫濕度的目的。此外，系統(tǒng)可通過觸摸式液晶屏設(shè)置并顯示溫濕度信息，并實(shí)時將溫濕度信息保存于SD卡中，以用于后期數(shù)據(jù)分析。
關(guān)鍵詞 煙葉烘烤；傳感器；LPC2148；交互界面

    煙草是重要的經(jīng)濟(jì)作物。作為煙草生產(chǎn)重要原料的烤煙煙草，其品質(zhì)的優(yōu)劣、產(chǎn)量的高低直接關(guān)系到卷煙工業(yè)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高。自國家煙草專賣局提出煙葉生產(chǎn)要努力實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變以來，各地掀起了探索和研究現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的熱潮。烘烤是煙葉生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前煙葉烘烤箱大多由人工控制，人工檢測溫濕度，再進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)、閥門及加熱功率的控制。這種方式勞動強(qiáng)度大且煙葉的質(zhì)量不穩(wěn)定。雖然有一些自動溫濕度控制裝置，但多是簡單的自動調(diào)節(jié)，精度不高、功能不強(qiáng)、界面不夠友好。針對上述問題，設(shè)計(jì)出一套煙葉自動烘烤系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件流程進(jìn)行具體說明。系統(tǒng)具有界面友好、功能齊全、操作簡便、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，不僅提高了勞動效率，而且大幅提高了烤煙過程的控制精度。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)
    根據(jù)現(xiàn)有煙葉烘烤箱的功能組成，所提出的煙葉自動烘烤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1可知，系統(tǒng)由中央控制模塊、溫濕度采集模塊、加熱功率控制模塊、通風(fēng)閥門控制模塊、循環(huán)風(fēng)機(jī)控制模塊、LCD交互界面模塊及SD卡讀寫模塊共7個部分組成：(1)溫、濕度采集模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)對烘烤箱中溫度與濕度的采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳到中央控制模塊。(2)加熱功率控制模塊。通過控制加熱功率實(shí)現(xiàn)對洪烤箱的溫度調(diào)節(jié)。(3)通風(fēng)閥門控制模塊。通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)對閥門的開閉，起到通風(fēng)的作用。(4)循環(huán)風(fēng)機(jī)控制模塊。通過控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對烘烤箱中風(fēng)扇的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)烘烤箱中的空氣循環(huán)，避免溫度的梯度效應(yīng)。(5)LCD交互界面模塊。通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)對控制信號的輸入，并顯示溫度、濕度等信息。(6)SD卡讀寫模塊。實(shí)現(xiàn)對溫、濕度等數(shù)據(jù)的存儲，并可提取進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)為不同溫、濕度條件下的自動控制提供數(shù)據(jù)。(7)中央控制模塊。實(shí)現(xiàn)與不同模塊的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    針對上述結(jié)構(gòu)與功能，系統(tǒng)采用LPC2148作為微控制器，該芯片為Philips公司的一個支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-S微控制器，可實(shí)現(xiàn)60 MHz的工作頻率。同時，LPC2148擁有多達(dá)48個I／O口及多個串行接口，包括2個UART。
    溫濕度采集模塊通過由兩個數(shù)字溫度傳感器(DS18B20)組成的干濕球溫濕度檢測模塊，以采集溫度和濕度信息。該模塊的接口電路如圖2所示，接口采用DB9母頭，只需在數(shù)據(jù)端口加入2 kΩ的上拉電阻即可正常工作，磁珠L120、電容C120用于增強(qiáng)抗干擾能力。LPC2148控制器的P0.28，P0.29及P0.30 3個接口，分別接收DS18B20采集的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中只需兩個傳感器數(shù)據(jù)，另一個作為備份。

    加熱功率控制模塊通過雙向可控硅控制220 V交流電導(dǎo)通的周期個數(shù)來控制加熱器功率，具體電路如圖3(a)所示。LPC2148通過端口P0.16控制雙向光耦MOC3041的導(dǎo)通，進(jìn)而控制雙向可控硅BTA41A的導(dǎo)通，最終達(dá)到控制加熱器導(dǎo)通時間的目的。
    通風(fēng)閥門控制模塊通過L298N直接驅(qū)動直流電機(jī)來控制通風(fēng)閥門，具體電路如圖3(b)所示。LPC2148通過端口P0.14使能L298芯片，此外，共用P0.03～P0.06這4個端口實(shí)現(xiàn)4路數(shù)字輸入，當(dāng)微控制器上相應(yīng)端口輸出電平為低時，對應(yīng)的光電耦導(dǎo)通，L298的輸入端則為高電平，否則為低電平。模塊共接入兩個電機(jī)，每路使用4個二極管防止電流反向。

    循環(huán)風(fēng)機(jī)控制模塊采用變頻器驅(qū)動交流電機(jī)，微控制器可以通過RS485總線直接控制其轉(zhuǎn)速，具體電路如圖3(c)所示。LPC2148通過串行接口與變頻器通訊，實(shí)現(xiàn)頻率設(shè)置，并且采集其頻率與功率等信息。系統(tǒng)具有友好的交互界面，通過觸摸式LCD顯示屏對溫濕度專家曲線進(jìn)行預(yù)置，并在烘烤過程中直觀的顯示與查看溫濕度以及其他相關(guān)信息。溫濕度信息最終以文件的形式保存到SD卡中，為后期的數(shù)據(jù)分析與研究提供真實(shí)可靠的依據(jù)。圖4為LCD交互界面模塊及SD卡讀寫接口電路。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)采用μC／OS嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，CPU對大多數(shù)事件的處理都是在任務(wù)中完成，各任務(wù)之間通過一定的通信方式完成數(shù)據(jù)傳遞與同步。根據(jù)煙葉自動烘烤系統(tǒng)的功能要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫濕度采集、溫濕度控制、加熱器控制、界面處理、界面刷新等5個任務(wù)，其配置如表1所示。

    系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示，考慮到交互界面的控制命令具有更高的優(yōu)先級，系統(tǒng)首先判斷交互界面中是否有控制命令輸入，如有，則直接判斷需要控制的設(shè)備，并進(jìn)行設(shè)備控制，若無，則采集溫度與溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的控制，最終完成數(shù)據(jù)存儲，以供后期提取與分析。

4 系統(tǒng)調(diào)試
    將設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)電路板接入至煙葉烘烤箱各電器設(shè)備，交互界面如圖6所示。
    從圖中可以看出，交互界面除擁有溫度、濕度顯示功能外，還可進(jìn)行溫度、溫度、升溫速率、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加熱功率及閥門控制。升溫速率表示當(dāng)前階段的目標(biāo)升溫曲線的斜率，單位℃／h。報警鍵在開機(jī)時默認(rèn)開啟，當(dāng)實(shí)際溫度與跟蹤溫度相差2℃或?qū)嶋H濕度與跟蹤濕度相差1℃時，發(fā)出長為0．5 s的間斷報警聲。只有當(dāng)實(shí)際溫度與跟蹤溫度相差1℃以下且實(shí)際濕度與跟蹤濕度相差0．5℃以下時，報警開關(guān)自動關(guān)閉。當(dāng)烘烤完成時，將發(fā)出的長為2 s的間斷報警聲。運(yùn)行狀態(tài)時，只有按停止鍵才有效，此時可修改參數(shù)。

    從SD卡讀出來溫度數(shù)據(jù)可生成溫度變化曲線，如圖7所示。圖中可以看出實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度基本一致，說明智能控制情況良好，實(shí)際溫度中兩次溫度急劇下降是因?yàn)橛袛嚯婈P(guān)機(jī)。目標(biāo)溫度的曲線斜率為零時，實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度有差距，此時加熱器開至最大，使實(shí)際溫度盡快達(dá)到目標(biāo)溫度。

5 結(jié)束語
    針對煙葉烘烤的自動化及后期的數(shù)據(jù)分析，提出了一種煙葉自動烘烤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以微控制器LPC2148為核心，自行設(shè)計(jì)的數(shù)字式干濕球溫度計(jì)采集溫濕度信息，并根據(jù)采集到的溫濕度信息，實(shí)現(xiàn)對加熱器功率與通風(fēng)口開度的自動控制，達(dá)到控制烤箱內(nèi)溫濕度的目的；同時，系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，并通過SD卡存儲數(shù)據(jù)以便后期分析。本系統(tǒng)具有功能齊全、操作簡便、安全性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，提高了勞動效率。