基于單片機的烤煙房多點溫濕度測控系統(tǒng)

摘要：煙葉烤房要實現(xiàn)對溫濕度的精準控制就必須進行多點監(jiān)測控制?；谶@一要求，設計了一種基于AT89C51微處理器和SHT11數(shù)字溫濕度傳感器的智能測控系統(tǒng)，能夠高效率地實現(xiàn)同時對多點采樣控制，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，鑒于烤房內(nèi)溫濕度變化的時滯性、非線性特點，采用了模糊控制算法，用組態(tài)軟件作為上位機系統(tǒng)監(jiān)測軟件，RS 485為串口通信接口實現(xiàn)了對現(xiàn)場和遠程的有效測控，為現(xiàn)代化煙葉烤房的集中管理提供了一種途徑。
關鍵詞：SHT11溫濕度傳感器；AT89C51；烤煙房；組態(tài)軟件

0 引言
    煙葉烘烤過程的溫濕度能否精準測控決定著煙葉的質(zhì)量。傳統(tǒng)上煙葉烘烤過程的幾十個小時一般完全由人工監(jiān)測，利用于濕球玻璃溫度計采集數(shù)據(jù)。主要出現(xiàn)問題如下：無法確保烘烤出的煙葉質(zhì)量好壞；監(jiān)測時間長，勞動強度大；效率低，無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，為解決上述問題，就必須對烤房進行改造。為此，本文介紹了一種基于AT89C51單片機和SHT11數(shù)字溫濕度傳感器的多點采樣的新型烤房智能測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件總體設計
    根據(jù)烤煙房的具體要求，本系統(tǒng)主要由AT89C51單片機、SHT11溫濕度傳感器、加熱控制裝置、排濕控制裝置、液晶顯示、通信裝置和上位機裝置等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 微控制器的選擇
    本文設計的系統(tǒng)采用成本低且體積小，靈活性高的AT89C51芯片作為控制系統(tǒng)的核心。該芯片采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲制造技術，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，具有低壓、高性能的CMOS 8位微處理器。其特點如下：豐富的I／O口資源、帶有2 KB閃存、單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦寫1 000次、2個16位定時／計數(shù)器、1個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、1個全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。
1．2 傳感器的選擇
    SHT11是一種采用CMOSENS專利技術(CMOS和傳感器技術的融合)制造的數(shù)字式溫濕度傳感器。測溫范圍是-40～+123．8℃，分辨率為0．01℃，測量露點精度小于±1℃，測量相對濕度范圍為0～100％，分辨率達0．03％RH，最高精度為±2％RH。該芯片屬于數(shù)字式輸出，具有免調(diào)試、免標定、免外圍電路及電路互換性等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代溫濕度測控方向的首選，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    SHT11芯片的工作原理是由兩個傳感器分別產(chǎn)生相對溫度和濕度信號，然后分別傳輸?shù)?4位的ADC進行A／D轉(zhuǎn)換、標準和糾錯，最后通過二線制的串行接口將相對濕度和溫度數(shù)據(jù)傳送至微處理器，再利用微控制器完成非線性和溫度補償。
    烤房內(nèi)的溫濕度測控是基于整個烤房空間的，由于種種因素的影響使得烤房內(nèi)溫濕度不均勻、不統(tǒng)一，采用多點測控系統(tǒng)可控制整個測量空間溫濕度的精準性、均勻性和統(tǒng)一性，即在采樣時微處理器同時對多個SHT11芯片發(fā)出指令，結(jié)合烤房的具體要求，本系統(tǒng)設置4個采樣點，每個SHT11芯片的SCK線都接到統(tǒng)一的I／O口，而DATA線則分別接到不同的I／O口。其次，如果烤房需要再增加采樣點時只需要增加對應的I／O口數(shù)，然后稍作程序修改即可達到需要。這樣每次微控制器發(fā)出測量指令后，所有的SHT11芯片同時進行數(shù)據(jù)采樣，按照這種方案設計只需等待一次數(shù)據(jù)采樣時間就可以完成所有采樣點的采樣工作，大大縮短了數(shù)據(jù)采樣時間，為測控系統(tǒng)的快速響應提供了條件。SHT11芯片與AT89C51微處理器連接電路圖如圖3所示。

1．3 輔助設置
    為了提高烤煙的質(zhì)量，在烤煙過程中進行適當?shù)娜斯じ缮媸潜匾?。鍵盤設置為啟動鍵／停止鍵、復位鍵(初始化溫濕度值)、參數(shù)設定鍵、顯示切換鍵、烤程選擇鍵等。
    顯示器采用性價比較高的1602LCD液晶顯示器，可以實現(xiàn)在現(xiàn)場直觀了解烤房內(nèi)部溫、濕度情況。串口通信部分采用MAX232芯片進行TTL電平和RS 485電平之間的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)與上位機數(shù)據(jù)傳輸，加入串口的目的：給單片機下載程序；使微控制器具有遠程通信或遠程監(jiān)控的功能；將微控制器每天采集到的數(shù)據(jù)的極限值和發(fā)生異常的數(shù)據(jù)記錄在其內(nèi)部的EPROM中，當工作人員需要查看數(shù)據(jù)時，可以直接通過串口讀取數(shù)據(jù)。由于RS 485傳輸最長距離可達1．5 km，為提高系統(tǒng)遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力在系統(tǒng)中設置兩級光電耦合器。

    執(zhí)行裝置主要是按照圖4所示烤煙過程對溫濕度的要求來控制加熱風機和排濕風機，考慮到電磁兼容性采用4N25光電耦合器來驅(qū)動固態(tài)繼電器來控制。固態(tài)繼電器具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長及體積小等優(yōu)點，在電路中起著自動調(diào)節(jié)，安全保護，轉(zhuǎn)換電路等作用。

2 軟件設計
    本系統(tǒng)程序采用C語言編寫，這樣可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，使程序易于調(diào)試和維護，可靠性高，可讀性和可移植性好。主要是把接收到的數(shù)據(jù)進行處理、并比較、反饋、輸出到溫、濕度控制執(zhí)行裝置來實現(xiàn)對烤房內(nèi)溫、濕度的測控。程序采用模塊化控制設計，循環(huán)式工作模式，周期為2 s，主要包括主程序、溫濕度采樣子程序、溫濕度執(zhí)行子程序、模糊控制子程序、中斷服務子程序、數(shù)據(jù)傳輸子程序等。
    打開電源系統(tǒng)復位、初始化后微微處理器按照采樣到的當前溫度值為起點，根據(jù)設定的各烤程溫度值選定相應的升溫斜率以及相應的時間間隔，然后由相應的模糊子程序根據(jù)控制精度對烤煙房進行控制，當采樣到烤煙房溫度達到烤程設定值時，終止升溫控制過程轉(zhuǎn)入恒溫控制狀態(tài)，當溫度低于當前烤程的恒溫時就有微控制器發(fā)送指令給執(zhí)行裝置控制加熱器加熱，當溫度高于當前烤程的恒溫時加熱裝置停止加熱，溫濕度異常時報警器啟動。同時，間隔1 h記錄一次溫濕度，顯示在上位機系統(tǒng)的歷史曲線里面，以供查詢。同理，濕度控制也類似于溫度。其次，在烤煙過程中一定要注意烤煙房的密閉性以保證烤出的煙葉質(zhì)量。其中主控制程序流程圖如圖5所示。

2．1 模糊控制
    在3段式烤煙工藝中，第一、三段升溫固定斜率為1℃／h，第二段升溫固定斜率為0．5℃／h。其余時間段為恒定溫度階段，如圖4所示。烤煙房空間大，溫濕度控制存在很大的強時變、滯后性、非線性等特點，而模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于強時變、滯后、非線性系統(tǒng)的控制，所以模糊控制比傳統(tǒng)式的溫濕度控制、PID等控制有著明顯的優(yōu)勢。模糊控制系統(tǒng)響應速度快、設計簡單，從而使控制系統(tǒng)具有很強的適應能力和智能性。
2．2 人機交互界面系統(tǒng)設計
    組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。該軟件處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。上位機顯示裝置采用組態(tài)軟件中常用的軟件組態(tài)王。組態(tài)王(KingView)由北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)，目前在市場上廣泛推廣KingView 6．53，KingView 6．55版本。本系統(tǒng)采用經(jīng)典KingView 6．51版本，實際烤煙實驗開機畫面如6所示。

3 結(jié)語
    本文設計的多點烤煙房測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、程序設計方便、I／O口擴展簡便；另外，該系統(tǒng)既具有現(xiàn)場直觀了解溫濕度的功能，又具有遠程通信功能，為現(xiàn)代化烤煙房群的集中管理提供了必要條件。經(jīng)過實際煙農(nóng)使用，此設計滿足了3段式烘烤工藝的要求，實現(xiàn)了對烤房的遠程集中監(jiān)測，所以該系統(tǒng)較傳統(tǒng)上的烤煙房有很大的改進，可在現(xiàn)代烤煙房應用中廣泛推廣。