烟叶烘烤是生产优质烟叶的重要环节。烟叶烘烤过程中温度随时间不断变化, 传统的烘烤过程中由人工完成对温度的调节, 人工调温存在着劳动强度高, 效率低, 烘烤技术不易掌握, 无法精确控制升温, 恒温等缺点, 因此产品质量得不到保证。因此, 本文研究了基于LPC2132的烟叶烘烤温度控制系统, 提出以LPC2132单片机为控制核心, 采用数字式温度传感器DS18B20为温度检测模块, 集成了人机对话界面, 报警电路和执行机构组成智能烟叶烘烤温度控制系统。烟叶烤房属于典型的大延迟系统, 被控对象机理复杂, 针对这一特点, 本系统采用模糊控制算法, 大大提高了系统的响应速度和控制精度。
目前通常采用的烟叶烘烤工艺是三段式烘烤, 按照该工艺的要求, 烟草烘烤过程可分成3个阶段, 第一阶段为变黄期, 第二阶段为定色期, 第三阶段为烘干期[1]。由图可知, 烘烤过程中, 不同的阶段对烤房温度变化的要求也不一样。因此, 需严格按照升温曲线来控制烤房的温度。
按照烟叶三段式烘烤工艺曲线的要求, 第一阶段, 以烤房环境温度为初始温度, 按1℃/h的速率升温, 直到升至36℃～38℃时保持恒温, 直到变黄期结束;第二阶段以较慢升温速度定色, 每小时升温0.5℃。第三阶段持续升温烘干, 升温速率为1℃/h, 直至烟叶烘烤全部符合要求[2]。各个阶段中保持恒温的时间是根据烟叶质量和各烘烤阶段烟叶变化情况设定的。烟叶烤房具有延迟性大、模型不确定、非线性参数时变性等特点, 因此对于此系统而言, 模糊控制的控制效果比传统PID控制方法更好, 采用模糊控制方法响应快、动态性能好、抗干扰能力强, 能使温度更快的达到设定值且稳态温度波动小[3]。
模糊控制器无需知道系统的数学模型, 具有系统响应快、超调量小、动态性能好、过渡时间短等优点。
系统的模糊控制器作为模糊控制的核心, 需进行详细规划。本系统的模糊控制器主要含有模糊化接口、模糊控制规则表、反模糊化、模糊推理等四个部分。其实现方式如下: (1) 将烟叶烤房温度控制系统设计为二维单输出模糊控制系统, 此模糊控制系统有两个输入变量:第一个输入变量是温度实际测量值与设定值之间的偏差e (k) , 即yr-yi (k) (yr为温度设定值, yi为实际温度测量值, k为采样周期) ;第二个输入变量是温度偏差的变化率ec (k) 。输出变量为控制燃料阀开度及排风机转速的控制量u。 (2) 将上述精确的输入变量模糊化处理为相应的模糊变量, 采用模糊集合理论将模糊集合分为7档:NB (负大) , NM (负中) , NS (负小) , Z (零) , PS (正小) , PM (正中) , PB (正大) 模糊控制规则如表1。程序设计时, 通常将模糊变量用数字来代替。本模糊控制器将e (k) 和ec (k) 和u都量化为13个等级{一6, 一5, 一4, 一3, 一2, 一1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}, 输入精确变量与模糊量之间以三角形分布隶属函数关系联系在一起。 (3) 根据专家和熟练操作工的知识经验, 总结归纳设计出对应的模糊规则表, 具体如表1所示。以温度偏差为NM (负中) 为例, 当偏差的变化也为负 (NS、NM、NB) 或零时, 控制量应使偏差尽量减小, 故u取PB (正大) ;当偏差的变化为正时, 应减小控制量。 (4) 根据模糊化后的模糊输入变量和所建立的模糊规则计算出相应的模糊输出控制量。 (5) 通过前面的步骤得到的输出控制量是一个模糊集合, 利用加权平均法将模糊输出控制量解模糊, 并对计算值进行圆整优化, 得到精确的输出控制量, 表2所示为总结出的模糊控制表。
基于LPC2132的烟叶烘烤温度控制系统, 框图如图1所示。本系统以LPC2132为控制核心, DS18B20为温度参数检测模块, 步进电机作为执行机构控制控温门的开度, 拨码盘和LCD显示构成人机交换界面, 开关电源为控制电路板提供工作电压。系统工作的整体思路如下:单片机通过拨码盘输入温度的设定值 (恒温值) , 温度传感器DS18B20通过数据总线把所测得的温度数据传输到单片机中, 单片机比较计算出测量值与设定值的偏差, 利用模糊控制算法, 计算出相应的控制量, 然后控制步进电机做出相应的动作, 调节控温门的开度以减小温度的偏差直至误差范围内, LCD显示器则实时显示温度的测量值与设定值以及烤程计时, 当烤房温度与设定温度的偏差超过误差范围时, 报警电路自动报警。
主控芯片选用飞利浦公司的32位机LPC2132。其功耗低, 数据处理能力强, 片上资源丰富, 集成了AD转换器, 实时时钟等元器件[4]。选用LPC2132作为主控芯片为本系统的开发节约了大量的外围元件, 使得系统更加精细化[5]。
温度检测模块选择用集成数字温度传感器DS18B20。DS18B20是具有独特的单线接口, 使得DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现传感器与处理器两者的双向通讯。监测得出的结果通过9～12位数字量的方式串行传送。
人机对话界面由按键和LCD输出显示器组成, 按键主要用来输入各烤程温度设定值 (恒温值) , 本系统的输入设备选用BCD拨码盘, BCD拨码盘具有操作方便、工作可靠, 输入值掉电保持、设定值随时读取等优点。LCD显示器选用SG12864, 可直接利用单片机I/O口驱动。
执行机构由步进电机及其驱动电路和控温门组成, 通过步进电机控燃料阀的开度来调控温度, 控温门开度增大, 则温度上升, 反之则温度降低。报警电路选用蜂鸣器, 当测量温度与设定温度的偏差超出变化范围时, 蜂鸣器报警。
本文研究的系统软件中主要包括系统主程序[5]、温度监测主程序、温度测量子程序、按键子程序、系统模糊控制程序[6]、LCD显示子程序和步进电机驱动程序等多个程序。系统主程序流程如图3所示。系统首先按照烟叶三段式烘烤工艺曲线的要求, 通过拨码盘输入各烤程温度设定值 (恒温值) , 单片机调用拨码盘读取子程序读取温度设定值并计算出各烤程升温部分的升温斜率v和对应的定时间隔T。将测量得到的烤房环境温度作为起始温度t0, 并按照对应烤程的升温斜率v和定时间隔T连续均匀提升, 将提升后的值作为新设定值[7][8]。然后单片机调用模糊控制程序, 根据这一按三段式烘烤工艺曲线变化的设定值, 对烤房温度进行控制[9]。当烤房温度达到恒温值时, 停止升温, 进入恒温控制过程, ku相当于系统的放大倍数, 放大倍数与执行机构的灵敏度有关[10]。
Fig.2 Structure diagram of the temperature control system
本文研究设计的烟叶烘烤温度自动控制系统采用LPC2132单片机为核心处理器, 选用DS18B20温度传感器为感知元件, 通过LCD数据显示, 以及按键、步进电机、报警电路等一系列外围元件, 形成了基于模糊控制技术的烟叶烘烤温度控制系统。通过试验验证, 该系统工作稳定、操作简单、大大减轻了烟农的负担, 同时极大提高了温度控制精度。采用人工进行温度控制, 温度波动最大可达±10℃, 采用本系统进行温度控制, 温度波动最大为±2.5℃, 很大程度上提高了烟叶烘烤质量, 实现了自动化。
烟叶, 一年生或有限多年生草本, 茄科植物。植株被腺毛, 茎高0.7-2米。叶柄不明显或成翅状柄。圆锥花序顶生。花萼筒状或筒状钟形, 花冠漏斗状, 末端粉红色。
摘要：针对烟叶烘烤中温度随时间不断变化的特性, 本文设计研究了一种烟叶烘烤温度自动控制系统。本系统以LPC2132单片机作为控制核心, 利用DS18B20温度传感器作为烘烤温度检测参数的采集单元, 由LCD显示和按键组成人机对话界面, 实现了集成数据采集、传输和控制于一体, 并采用模糊控制技术达到自动控制研究目的。实验运行表明, 本系统实现了根据三段式烘烤工艺曲线要求对烟叶烘烤实时温度进行自动控制的目标, 同时本系统温度波动最大为±2.5℃, 很大程度上提高了烟叶烘烤质量, 实现了自动化。
关键词：烤烟,温度控制,LPC2132,传感器,模糊控制
[1] 方平.烟叶三段式烘烤工艺中温湿度自动控制的实现[J].北京工商大学学报, 2004, 22 (4) :51-53.
[2] 路康, 冯建勤, 等.烟叶烘烤过程智能控制系统设计[J].设备与仪器, 2008 (5) :21-24.
[3] 雷建龙.基于模糊控制的水温调节器[J].单片机及嵌入式系统应用, 2003 (8) :53-55.
[4] 周立功, 张华.深入浅出ARM7-LPC213x/214x (上册) [M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[5] 邱恒浪, 谢守勇, 等.基于LPC2132和GSM的智能温室远程控制系统的研究[J].设备与仪器, 2012, 34 (3) :138-141.
[6] 曾光奇.模糊控制理论与工程应用[M].武汉:华中科技大学出版社, 2006.
[7] 赵丽.基于单片机AT89S51烟叶烘烤温度控制系统的研究[J].测控技术, 2009, 28 (Z1) :247-249.
[8] 谢守勇, 李锡文, 杨叔子等.基于PLC的模糊控制灌溉系统的研制[J].农业工程学报, 2007 (6) :208-210.
[9] 谭伟, 徐玲.智能温室温湿度控制系统设计及其仿真[J].东北林业大学学报, 2008 (8) :88-89.
[10] 侯建华.智能温室远程控制系统的设计与实现--基于LPC2132[J].农机化研究, 2010 (12) :150-153+159.
推荐阅读：
基于dm广告的研究06-01
基于Matpower的电力系统潮流计算06-28
混合式课例研究是基于对问题的研究06-03
基于产业链的战略管理研究论文06-29
基于差异化定价的快递包装纸箱回收策略研究06-13
基于本体理论的档案学及其应用研究论文06-13
基于互联网的探究式课堂教学策略研究06-02
