摘 要：長期以來，由于我國制煙過程中烘烤設備較為落后，導致煙農的勞動負擔較大但生產效率低下，經濟效益較差。針對我國制煙過程中烘烤設備存在的問題，同時根據(jù)對煙農等需求的實地調研，筆者設計了一套基于模糊控制理論的煙葉烘干窯自動控制系統(tǒng)，其能夠通過溫濕度傳感器實時監(jiān)測烘干窯內的溫度與濕度，并根據(jù)預設的邏輯通過對電機和天窗的控制，實現(xiàn)烘干窯內溫濕度的實時智能控制，同時將溫濕度顯示在液晶屏上，便于工作人員的操作。
　　關鍵詞：煙葉烘干窯；模糊控制；溫濕度值；智能控制
　　1 引言
　　傳統(tǒng)的煙草烘干方式，是將待烘干的鮮煙葉放入相應的烘干設備，之后通過人工控制調節(jié)的方式實現(xiàn)設備溫度濕度保持在一定范圍內，以保證煙草的烘干質量。隨著人們對制煙流程認識的不斷加深，人們認識到煙葉烘干過程中溫濕度的控制精度對煙草的質量有著重要的影響，同時隨著信息技術的不斷發(fā)展，人們開始利用自動控制方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工控制方式，大大提高了煙草烘干的質量。近年來，基于對煙草烘干過程的長期研究，研究人員已經得到了煙草烘烤的專家曲線，即煙草烘烤過程中的溫濕度隨時間變化的最佳曲線，因此為了進一步提高煙草烘干質量，設計一套煙葉烘干窯自動控制系統(tǒng)十分必要。
　　2 系統(tǒng)的總體結構設計
　　該煙葉烘干窯的自動控制系統(tǒng)的總體設計主要從硬件設計和軟件設計這樣兩大部分來進行的。具體的總體設計結構框圖如圖1所示。
　　從總體結構框圖我們可以看出整個系統(tǒng)是由微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行機構模塊以及外圍電路模塊這樣幾大部分所組成的。其中，根據(jù)系統(tǒng)所需完成的功能，外圍電路模塊主要包括電源模塊、按鍵輸入模塊以及顯示模塊；數(shù)據(jù)采集模塊主要包括溫度采集和濕度采集這樣兩大部分；執(zhí)行機構模塊主要是由風機控制、發(fā)熱管控制、換風擋板控制以及噴濕閥控制這樣幾大部分所組成。
　　3 控制系統(tǒng)硬件結構設計
　　本系統(tǒng)主要基于模糊控制理論，根據(jù)用戶對溫濕度的設定，實現(xiàn)烤煙窖內的溫濕度的精確控制。通過對發(fā)熱絲及噴濕閥的控制可以實現(xiàn)對溫度與濕度的調節(jié)，同時通過對換氣擋板和風機的控制，可以通過對窖內空氣流動的調節(jié)，實現(xiàn)溫濕度更精確的控制。在本系統(tǒng)的控制電路中，噴濕閥和風機采用繼電器實現(xiàn)開關式的控制方式，發(fā)熱絲采用IR2130驅動IGBT實現(xiàn)不同加熱電流的控制，而換氣擋板通過步進電機轉到角度的控制實現(xiàn)擋板位置的調整。具體的總的硬件結構框圖如圖2所示。
　　3.1 微控制器模塊設計
　　本系統(tǒng)中選用美國TI公司生產的超低功耗16位微處理芯片MSP430F250，MSP430系列的單片機將大量外設模塊整合到片內，非常適合單片系統(tǒng)的設計與開發(fā)。MSP430F250是該系列中一款較常用的產品，它的工作電壓典型值為3.3V，最低電壓可以低至1.8V。
　　3.2 外圍電路模塊設計
　　在實際煙葉的烘烤過程中，操作人員需要對烤窖內的溫濕度信息進行設備，因此本系統(tǒng)還需要設計人機交互模塊，主要可以分為電源模塊、按鍵模塊以及液晶顯示模塊三大部分。
　　3.3 數(shù)據(jù)采集模塊設計
　　精確的溫濕度控制是建立在精準的溫濕度測量的基礎上，因此提高烤窯內溫濕度的測量精度至關重要。本系統(tǒng)采用美國模擬器件公司的AD590作為烤窯內的溫度傳感器，其作為IC化的溫度感測器，能夠將環(huán)境溫度轉換為數(shù)字電流。本系統(tǒng)中將AD590與一個5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接了一個1kΩ的恒值電阻，此時電阻上流過的電流將和環(huán)境溫度成正比，環(huán)境溫度每增加1℃，電阻兩端電壓增加1mV，即AD590輸出電流增加1μA。
　　濕度的測量采用線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500，該傳感器可靠性高、長期穩(wěn)定性好，適用于3V～7V電壓供電。采用Humirel專利濕敏電容HS1101設計制造，帶防護棒式封裝，線性電壓輸出濕度傳感器HM1500是用HS1101做成的電壓輸出模塊，高可靠性與長期穩(wěn)定性，在5VDC供電時，0～100%RH對應輸出1～4VDC線性電壓，溫度依賴性非常低，采用三線制的連接，電路非常簡單，引線的不同顏色分別為：白色為地線，藍色為電源線，黃色為輸出線。
　　3.4 執(zhí)行機構模塊設計
　　當烤煙窖內的濕度低于設定值時，需打開噴濕閥門，當濕度高于設定值時，則必須關閉噴濕閥門，此外，當需要加快窖內的氣體流動時，要打開風機。這些操作需要控制繼電器的閉合與斷開。本系統(tǒng)采用電磁繼電器作為噴濕閥門和風機的控制元件。由于控制節(jié)點上的微控制器MSP430的I/O口的輸出電流較小，不能直接驅動繼電器電路，需要加驅動電路�？紤]到繼電器可能會出現(xiàn)反向電壓的現(xiàn)象，采用能耐高反向電壓的三極管作為驅動元件，繼電器選用12V的JZX-18F小型電磁繼電器，最大工作電流為3A，具有體積小、動作迅速等特點。
　　在整個系統(tǒng)中，對電熱絲進行控制是最為重要的部分，因為該部分設計的好壞與控制直接影響和關系到煙葉烘干的質量。電熱絲的控制，筆者采取的是利用脈寬調制的方式通過對IGBT的通斷進行控制，從而來對電熱絲進行相應的通斷控制的，經實驗證明，通過借助于模糊PID模塊的控制，從而可以達到對烘干窯內的溫度能夠起到一個非�？刂坪玫男Ч�。
　　4 模糊PID控制
　　模糊-PID控制是一種將PID控制以及模糊控制兩種優(yōu)點進行相互結合而成的控制器，通過對溫度控制系統(tǒng)的具體研究，筆者發(fā)現(xiàn)，如果是在溫度變化速度比較快的情況下可以直接利用PID來進行相應的控制，當溫度進入到較為穩(wěn)定的狀態(tài)時，也就是指當實際的溫度和先前所設定的溫度值比較接近時，此時模糊控制便才起作用。
　　根據(jù)前面的介紹我們可以知道模糊PID控制比較適合溫度控制的過程。模糊PID控制器是建立在常規(guī)的PIS控制器的基礎上，根據(jù)反饋的偏差e和偏差的變化率ec對PID控制器進行實時修正，從而實現(xiàn)更優(yōu)秀的控制。作為典型的溫度控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)也具有較大的滯后性和非線性等特點，因此采用模糊PID控制這種具有互補特性的控制機制可以很好的兼顧模糊控制和PID控制兩者的優(yōu)點，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的更好的控制。
　　5 總結
　　筆者通過對煙葉烘干技術的學習以及煙廠的實地調研，得到了煙葉烘干的相關技術資料，并針對溫濕度對煙葉烘烤的影響進行了分析。結合實際的煙葉烘干工藝與設備，本文設計了一套基于MSP430F250單片機的煙葉烘干窯自動控制系統(tǒng)，利用模糊PID控制實現(xiàn)了煙葉烘干窯內溫濕度的精準控制，大大提高了煙葉烘干的工藝水平。
　　參考文獻
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