基于单片机的智能烘烤系统设计

2012-09-01于雷

赤峰学院学报·自然科学版 2012年15期

关键词：温湿度串口湿度

于雷

（闽南理工学院，福建石狮 362700）

基于单片机的智能烘烤系统设计

于雷

（闽南理工学院，福建石狮 362700）

以增强型51单片机STC12C5410AD为控制核心，利用单总线器件DS18B20实现温度的实时检测，通过自制干、湿球温度计，根据干湿球对照表借助两次线性插值的方法求得湿度值从而实现烘干过程湿度的检测.根据整个烘干过程的温湿度变化，通过软件驱动步进电机控制百叶窗使整个烘干过程的效率较高，同时使得整个烘干系统的智能程度大大提高.

单片机；步进电机；智能控制

人类社会发展至今，在超过60%的商品的制造过程中，干燥是一项基本操作.有资料记载，高达12%的工业能耗用于干燥方面.

传统烘烤系统的温度和湿度的监控大多是通过人工管理进行手动控制的，工人的劳动强度，烘干质量参差不齐.根据对福建石狮地区花生烘干过程的调研发现，目前的烘干工艺存在劳动强度大、能量消耗多、空气污染重、干燥时间长等弊端，不适宜管理，存在很大的改进空间.

鉴于这一现状，提出一种基于单片机控制的智能烘烤系统，该系统应实现对整个烘干系统过程温湿度的实时检测，并结合温湿度变化曲线、通过查表法将温湿度变化控制在误差范围之内.提高了控制精度、避免了人为错误，也能方便过程的管理与控制，从而提高烘烤质量.

1 系统设计方案

1.1 温度测量方案设计

采用单总线器件DS18B20，单总线的接口方式与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯.单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，可以大大节省硬件设计的工作量.

1.2 湿度测量方案设计

采用干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法.历史悠久，使用最普遍.干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏.干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可.与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题.所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用.

1.3 CPU控制模块方案设计

采用宏晶科技有限公司的STC12C5410AD单片机作为控制CPU，该单片机与传统51兼容，但速度要快8-12倍，适用于对电机控制和强干扰场合，且价格便宜.

1.4 电机及驱动模块设计

采用步进电机控制百叶窗的开关程度.步进电机具有较好的低速运行特性和较宽的调速范围，并可实现精确走步，数控简单，成本低，无积累误差.驱动模块可以采用三极管搭建驱动电路、L298N集成芯片.采用三极管搭建驱动电路时调试会比较复杂；L298N集成芯片是典型的电机驱动芯片，输出电流可达2.5A，可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便.

2 温湿度测量理论分析

2.1 温度采集

采用是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，它是一款性能优异的智能集成数字式传感器，具有体积小、功耗低、性能高、抗干扰能力强、使用简单等优点.

2.2 DS18B20内部结构与测温原理

DS18B20部结构如图1所示.主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器.ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同.

图1 DS18B20内部结构图

单总线上传输的是一系列的脉冲信号.使用DS18B20进行温度测量的步骤为：初始化DS18B20→跳过ROM操作命令→启动温度转换命令→等待转换完成→初始化→跳过ROM操作命令→读取温度寄存器命令，这样就可以读出被测温度的数据了.

2.3 湿度测量

采用测量空气的相对湿度来间接反应花生的含湿量.通过自制干湿球，然后根据干湿球对照表，通过线性插值的算法计算得到湿度值，其原理如下：

图2为因变量y与自变量x的曲线图，该曲线为圆弧状，在x轴上取小区间[x0,x1],则对于期间的一点x对应的y值可按如下公式计算：

图2 线性插值原理示意图

由于用干湿球法通过查表得到的湿度与干球温度和干湿球温差有关，所以我们要进行两次线性插值.即设在一定干温值t下,它落于区间[t0,t1]；一定的温差值△t下，它落于区间[△t0,△t1].从而可以得到四个基准点（t0，RH1(t0)）（t1,RH1(t1)）（t0，RH0(t0)）（t1，RH0(t1)）.然后进行第一次线性插值就可以得到在△t0,△t1点处的湿度值RH0(t)、RH0(t).

同理，由算得的湿度值（△t0，RH0(t)）、（△t1，RH0(t)）再进行一次线性插值就可以得到在一定干温、一定温差下对应的湿度值了.

3 系统硬件设计

3.1 硬件系统总体结构图

如图3所示.

图3 硬件系统结构图

3.2 电源模块

该电源模块采用鸿海科技HW2E5-05型号的开关电源模块供电，该电源交流输入范围为90~264V,直流输出为5V、0.5A,输出功率为2.5W,工作温度为-10~50摄氏度.在花生烘干现场能确保电源的供应.

3.3 传感器模块

采用DS18B20的多端口并行驱动法实现驱动控制.如图4所示.

图4 DS18B20多端口并行驱动示意图

3.4 按键模块

由于单片机I/O口够用，所以采用独立按键设计按键模块，共设5个按键，其作用分别为：key1擦除扇区，key2启动数据采集与存储，key3启动数据传送，key4与key5为备用键.

3.5 通信模块

由于上位机串口是RS232电平，所以连接时必须进行电平转换.采用MAX232芯片作RS-232转换器，RXD是串行接收数据功能，TXD是串行发送数据功能，串行端口TXD和RXD在通信时要交叉相连，再将地线相连后才能进行数据传送.

3.6 显示模块

1602显示模块原理图如图5所示.

图5 显示模块

为了节省单片机I/O口，采用74LS164串转并的方法，结合单片机的SPI功能，将显示数据从单片机中一位位发出去，通过74LS164的移位作用将8位数据送至1602.

3.7 电机驱动模块

设计中根据温湿度曲线与实际测得的湿度值相比较，根据湿度值相差不同的值分成三个等级，从而控制百叶窗开的程度.

步进电机的相数采用常规的四相制，工作于四拍.四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度.即200个脉冲信号能使步进电机转一圈.

图6 步进电机驱动原理图

为了减少电气干扰，单片机与电机的接口电路采用光电耦合之后由L298驱动步进电机，二极管起续流作用，保护电机.原理图如图6所示.

4 系统软件设计

4.1 系统数据采集软件设计

本数据采集软件设计通过键盘处理启动数据的采集、存储以及发送至PC机等工作，主程序主要完成SPI、液晶、EEPROM、串口通信、定时器等的初始化，然后一直在一个死循环里做按键扫描的工作.所以按键扫描软件的编写是关键.主程序流程图如图7所示.

图7 主程序流程图

4.1.1 键盘处理设计

设计中使用了三个按键，分别实现了扇区擦除、数据采集与存储、数据发送功能，如图8所示.

图8 键盘扫描程序流程图

4.1.2 温湿度采集设计

本设计的温湿度数据采集都是通过DS18B20加软件算法来完成的，具体就是湿度值是通过之前介绍的线性插值的算法来获得的.在程序中定义了一个由查表得到的相对湿度的二维数组，该数组的得到是根据行是从20℃开始以2℃为步进量直到80℃所对应的相对湿度值组成的，而列是温差从0℃开始以1℃为步进量直到52℃所对应的相对湿度组成的.所以编制程序是要根据干湿球温差与干球温度来寻得对应的湿度值.即行标是干湿球温度值相减后取整得到的值，而列标为干球温度减去20对2求模得到.然后就可以根据线性插值的公式计算湿度值.

4.1.2 串口通信设计

串口通信流程图如图9所示.主要功能是实现读取EEPROM中的数据并送至上位机.本设计系统晶振为12MHZ，采用串口通信方式2，并加入偶校验位.

图9 串口通信流程图

4.2 智能控制程序设计

在数据采集系统采集完现场烘干温湿度数据后，经整理分析，可以得出温湿度随时间变化的曲线.系统根据湿度随烘干时间的变化曲线与实时采集的湿度值相比较，根据设定的控制值控制步进电机运转从而控制百叶窗的开关，使整个烘干系统的湿度基本能吻合烘干过程湿度变化曲线.同时，根据温度的变化判断系统是否存在故障，即经过一定的时间后温度应变化的范围可以根据曲线预先存储在单片机中，然后根据实时采集的温度值由单片机判断该值是否在这一范围内，否则驱动蜂鸣器报警.控制箱体内的湿度的具体思想是：在某一个设定的湿度值下，根据此时采集的湿度值从而计算出该湿度值与设定值的误差，将误差分为三个等级，然后用单片机控制步进电机正转或反转相应步数.