基于单片机的烟草干燥温度控制系统设计

刘婷婷，王 悠，李琦琦

（中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307）

0 引 言

目前国内外烟草干燥的方法有以下几种：日晒处理法、风干处理法、明火烘烤法、热风管处理法。其中风干处理法是将烟草悬挂于避阳通风的建筑中，通过自然风干进行干燥处理。这种方法得到的烟草虽然烟草风味变得更柔和，并且能够降低其尼古丁的含量，但是利用外界自然条件进行干燥的时间较长。明火烘烤处理法是将烟草悬挂于明火之上，通过明火生起的浓烟，把烟叶熏熟，达到干燥效果，这种方法的不利之处也是干燥温度不易控制，并且明火容易将烟草烧坏。热风管处理法是将收获的烟草放置于密闭容器内，通过加热装置进行加热，利用热空气对流使烟草达到干燥的效果。这样可以控制烟草干燥时的温度，使烟草能够更好更快地干燥。因此，热风管处理法在烟草干燥领域得到了大范围的推广，它可以在烟草干燥过程中保证烟草的质量，并且能更快速地进行干燥处理。

烟草干燥过程中重要的部分就是温度检测和温度控制。通过烟草干燥曲线可以找到烟草干燥的最佳温度区间，在此区间内烟草干燥的速度最快，所用时间最短，并且干燥后的烟草质量也较好。基于此，本文设计了一个温度检测和温度控制系统，可以实现对干燥过程中的温度进行实时检测和显示；并可以对干燥温度进行设定，控制加热装置的加热状态，使干燥温度保持在最佳温度区间内。

1 烟草干燥加温测试装置整体设计

烟草干燥加温测试装置系统是基于单片机MSP430F149的闭环控制系统来对电加热炉进行温度控制的。系统总体设计框图如图1所示。通过外部键盘输入设定要达到的目标温度；通过铂电阻PT100对温度进行实时检测，并对当前的检测温度和目标温度进行比较，得到偏差，再对其进行PID算法修正。本设计的温度控制部分由三极管和固态继电器组成，修正的结果决定单片机PWM输出口输出高电平还是低电平，进而决定三极管导通与否，并确定固态继电器的工作状态，达到对电炉丝加热状态的控制，从而实现对干燥温度的控制。

图1 系统总体设计框图

2 烟草干燥加温测试装置的硬件设计

2.1 温度检测模块的硬件电路设计

本设计中温度检测模块使用铂电阻PT100进行检测，通过电桥得到差动值，然后再经过AD进行数据采集，将采集的数据送入单片机MSP430F149，最后通过液晶OCM12864进行温度显示。其中由TL431组成的部分电路相当于一个10 V的稳压电源，为供桥电源。电桥的输出电压可由下面的计算公式得出：

铂电阻PT100在0 ℃时电阻值为100 Ω，电阻变化率为0.385 1 Ω/℃，由此可以得到的值，进而可以得到某温度范围内的电桥输出电压变化范围。

2.2 数据采集模块的硬件电路设计

本设计中数据采集模块所用的主要器件为AD7705，它可以通过编程设定增益和数据输出更新频率，还可以选择输入模拟缓冲器以及自校准和系统校准的方式，其中电源电压为5 V，基准电压由LM336精密2.5 V稳压器提供。

2.3 温度控制模块的硬件电路设计

温度控制部分利用三级管9012通断控制继电器工作，三极管9012为低电平导通。当控制器输出信号0时，9012导通，从而使继电器导通，电炉丝加热进行升温；而当控制器输出信号1时，9012不导通，继电器断开，电炉丝停止加热。

3 温度检测控制系统中的软件设计

3.1 温度检测和温度控制部分程序设计

温度检测部分采用铂电阻PT100对温度进行实时检测。通过AD进行数据采集转换可以得到AD7705的7脚（AIN1+）、8脚（AIN1-）的电压。根据公式（1）计算出温度检测部分的电桥输出电压并且可以得出的值。此值不可能是PT100铂电阻分度特性对照表中的一个准确的电阻值，需要通过如下公式计算得到当前阻值对应的温度。

式中：是由电桥输出电压公式计算得到的电阻值；、为在PT100铂电阻分度特性对照表中与最接近的阻值（设定＜）；、分别是对应阻值、的温度值；为当前温度值。

温度检测和控制部分的程序流程如图2所示。

图2 温度检测和控制程序流程

3.2 PID控制部分

本设计中定义三个变量：为设定的目标温度，为当前检测到的温度，为目标温度与检测到的温度的差值，即=-。PID运算表达式为：PWM=+++；其中，、、分别表示为：

其中：K是比例系数；K是积分系数；K是微分系数。

3.3 键盘中断程序设计

本设计采用外部键盘输入对目标温度进行设定，键盘中断程序流程如图3所示。

图3 键盘中断程序流程

4 测试方法及结果

4.1 测试方法

首先将整个电路接通电源，此时液晶屏显示当前温度为室温，当按下键盘上的B键，液晶显示屏第二行显示出“设置”，然后通过数字键0～9设定所要达到的目标温度，按下确认键F。当输入目标温度高于当前检测到的温度时，单片机P5.7输出低电平，三极管导通，固态继电器工作，控制系统工作，液晶显示屏上显示“升温” 状态；当加热温度达到目标温度时，单片机P5.7输出高电平，加热电路断开，液晶显示屏上显示“降温”状态。这样就完成了温度的检测和控制。

4.2 测试结果

本设计的加温测试装置的温度测量范围为10～80 ℃。本设计最终实现了闭环的温度控制系统，并且对温度能够进行实时检测和显示。表1给出了测得实验数据中的一组。

表1 目标温度与检测温度对比

通过表1可以看到，目标温度与实际检测温度的差值在0.3～0.5 ℃之间，在误差允许范围内。

5 结 语

烟草干燥是一个复杂的传热传质过程， 同时伴随有复杂的物理、化学变化，因此烟草干燥过程中的温度控制尤为重要。本文以单片机MSP430F149作为电路的核心控制器件，设计了烟草干燥加温测试装置，整个系统由温度检测、温度控制、液晶显示、数据采集、键盘输入五个部分组成。通过温度控制和检测系统的闭环反馈控制系统，使温度控制更为精确。通过测试可以发现，目标温度与检测温度误差在较小范围内，实现了烟草干燥加热温度的精确控制。