標題熱電阻在煙葉溫度控制中的應用

    煙葉初烤過程中，烤房內溫度的準確測量和有效控制是烘烤的核心和煙葉質量的根本保證。目前，廣大煙區已廣泛推廣煙葉初烤的“三段式烘烤工藝”，并且大多數炕房已加裝熱風循環裝置，而使用的溫度測量器具卻是酒精的或煤油的玻璃管溫度計（煙區稱之為火表），控制方法采用人工啟閉回風門（用于排濕，控制濕球溫度）、火門或鼓風機（控制火爐火勢，間接控制干球溫度）。測量不準、使用不便的溫度計，被動的控制方法等成為制約煙葉烘烤質量提高的瓶徑問題。以溫度控制工藝為例，用熱電阻Cu50作為傳感器，以單片機為核心的控制儀解決了這一問題，基本實現烤煙過程中溫度的自動控制。

    二、溫度控制要求

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

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

    3、執行機構：風門由電動執行器驅動，其運行時間為80秒，即1.1度/秒；電源：220V，50Hz。

    4、自動控制：當濕球溫度值超過設定值0.5℃時，進風門自動開啟5秒；當濕球溫度值在設定值±0.5℃范圍內時，進風門狀態保持。當濕球溫度值低于設定值0.5℃時，進風門自動關閉5秒；

    5、報警：當溫度高于或低于設定值1℃時，蜂鳴器報警。
   
    三、系統設計

    根據以上具體要求，本系統用單片機作為控制單元，熱電阻作為傳感器，完成了裝置的設計，整個系統的原理圖如圖1所示。其工作原理如下：

圖1 系統框圖

    1、硬件設計

    （1）微處理器選擇

    本系統選用AT89C51作為CPU。AT89C51是一種低功耗、高性能的片內4KB快閃可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器，與MCS-51微控制器產品系列兼容,使用高密度、非易失存儲技術制造，存儲器可循環寫入/擦除1000次。AT89C51的引腳與8031相同。因此，不需要擴展即能滿足要求。

    （2）傳感器的選擇

    根據本系統的測量精度和控制精度要求，本裝置選擇了熱電阻式傳感器Cu50作為測溫傳感器。Cu50測溫范圍-50℃～+150℃，工作范圍20℃-80℃，線性度好，靈敏度高，價格適中，滿足了該系統的技術要求。

    （3）測量電路

    溫度的測量和控制主要取決于溫度測量精度，因此，為了保證精度，從硬件采用了三個方面的措施：第一，測量中傳感器的連接采用新的三線制方法[1]，補償由導線引起的誤差；第二，選用高精度低漂移運算放大器OP07作為運算放大的電路，第三，測量電路采用恒流源供電。如圖2所示。

圖2 測量電路

    該電路完全消除了最常用的三線制接法[2]中導線電阻的影響。圖中R62、R63、R64的電阻值相等，其輸出電壓僅與熱電阻Rt有關，且呈線性關系。測量精度主要取決于恒流源電流。為保證該電流的穩定性，在恒流源電路的設計中，選用了穩壓管（LM-336），高精度低漂移運算放大器（OP-07），晶體三極管（BC157B）。其它電路則選用了四通用單電源運算放大器（LM324）。

（4）A/D轉換器

    A/D轉換器選用常用的ADC1005CMOS10位A/D轉換器，即可滿足技術要求。該芯片總的非調整誤差為±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）輸出通道設計

    有三個輸出通道：一個報警電路，二個電機驅動電路分別控制風門電機的正反轉。為了提高系統的抗干擾能力，驅動電路采用交流固態繼電器。

    （6）人機通道設計

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

    ②溫度顯示電路：溫度值采用數碼管顯示。為了不再擴展并行接口，利用串行口的移位寄存器功能，擴展三位靜態數碼管顯示接口電路。P1.7作為輸出控制，當P1.7=1時允許串行口輸出數據給移位寄存器，否則，顯示內容不變。

    ③報警電路：利用蜂鳴器報警。

    2、軟件總體設計

    （1）程序結構設計

    應用程序結構采用循環方式，電動執行器控制由定時器定時啟動或停止。主程序進行系統初始化，包括定時器、I/O和中斷系統的初始化。

    循環中進行以下操作：撥盤設定值檢測、溫度檢測、標度變換、數字濾波、溫度顯示和控制，這些操作分別由相應子程序模塊完成。

    （2）程序模塊設計

    下面說明溫度檢測和控制程序的設計。

    ①溫度檢測程序

    該程序的功能是連續7次A/D轉換，把轉換結果保存在3BH開始的單元中，然后進行數字濾波，得到中值存于33H單元。A/D轉換采用查詢方式。

    ②溫度控制程序

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

    四、實驗結果與結論

    根據以上所介紹的原理，已經設計并做出了溫度測控裝置。用該裝置對烤煙炕房的溫度測量和控制進行了測試，其結果見表1、表2。表中標準溫度是標準水銀溫度計的讀數。試驗結果表明溫度的測量和控制均能滿足設計要求。

表1 溫度測量測試結果

表2 溫度控制測試結果

    總之，使用這種補償方法的熱電阻測溫電路，測量精度大大提高，實現了高精度的溫度測量和控制。同時，該裝置在硬件上增加了手動/自動轉換功能，軟件上增添了抗干擾措施，使其工作更可靠、穩定，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。