（电路与系统专业论文）基于FPGA的烤烟自动控制系统的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 烟叶烘烤是烟叶生产中一个非常重要的环节，为保证烟叶烘烤的质量，需要有 效的控制温度和湿度让其按照“三段式 工艺曲线进行变化。本文通过对三段式工 艺的分析，构建了以f p g a 为控制核心，采用数字式温湿度传感器进行温湿度测量 的烤烟自动控制系统。 整个系统的实现是基于c y c l o n e i i 系列的f p g a 器件e p 2 c s q 2 0 8 c 8 进行的。 同时对系统的配置电路、驱动电路、显示控制电路、语音提示和温湿度测量电路进 行了设计，并给出了各个模块的电路原理图。由于温湿度测量是系统设计实现的重 要部分，所以本文重点讨论了温度传感器d s l 8 8 2 0 和湿度传感器h s l l 0 1 的性能特 点、工作原理、处理次序和设计流程。针对烟叶烘烤过程中烤房温湿度的测量和控 制中，存在的强时变、大时滞、非线性的问题，采用了模糊控制算法进行控制，并 给出了模糊控制器设计的方法。另外，为方便用户调用烟叶烘烤中经验曲线，提出 了使用e e p r o m 对烘烤经验曲线参数进行处理。而且讨论了如何通过 2 c 总线与 e e p r o m 进行读写操作进而实现参数的保存和读取。系统的测试结果表明烤烟自动 控制系统基本上达到了实际的要求，具有一定的先进性。 关键字：烟叶烘烤；三段式工艺；温度湿度测量：自动控制； 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s 仃a c t t h et o b a c c ob a k i n gi sav e r yi m p o r t a n tl i n ki nt h ep r o c e s so ft h ep r o d u c t i o no f t o b a c c o i no r d e rt oo b t a i n i n gh i 曲q u a l i t yo ft h et o b a c c o ，r e q u i r e de f f e c t i v ec o n t r o lt h e t e m p e r a t u r e a n dt h e h u m i d i t y s ow e l la st ol e tt h e mc h a n g ed e f e rt o t h e t h r e e p h a s e b a k i n gp a r a m e t e r sc h a r t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et h r e e p h a s e b a k i n g p r o c e s so ft o b a c c o ，c o n s t r u c t e d 、i t hf p g aa sc o n t r o lc o r eo ft o b a c c ob a k i n ga u t o m a t i c c o n t r o ls y s t e m ，u s i n gd i g i t a lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o r sf o rt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ym e a s u r e m e n t c y c l o n ei is e r i e sf p g ac o m p o n e n te p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 h a sb e e nu s e di nt h ei m p l e m e n t a t i o no f s y s t e m a tt h es l i m et i m e ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h ec i r c u i t ，t h ed r i v ec i r c u i t s ，t h ed i s p l a y c i r c u i t s ，v o i c ep r o m p t sc i r c u i ta n dt h ec i r c u i t sf o rm e a s u r e m e n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y h a sb e e nd e s i g n e d a n de a c hm o d u l e sc i r c u i td i a g r a m sh a sb e e ng i v e n t h em e a s u r eo f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ei m p l e m e n t a t i o no fs y s t e md e s i g n t h et e m p e r a t u r es e n s o rd s18 8 2 0a n dt h eh u m i d i t ys e n s o rh sl l01 sp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，d e a lw i t ht h eo r d e ra n dd e s i g nf l o wh a sb e e nd i s c u s s e d t os o l v et h ep r o b l e mc a u s e db yl a r g et i m e v a r i a t i o n ，b i gd e l a y , a n dn o n l i n e a ri nt h e m e a s u r ea n dc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ea n dt h eh u m i d i t yi nt h et h r e e p h a s e b a k i n gp r o c e s s ， af u z z yc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n t h em e t h o df o rt h ec o n t r o l l i n gh a sb e e n c o n s t r u c t i o n i na d d i t i o n ，f o rt h ec o n v e n i e n c eu s e ru s et o b a c c ob a k i n ge x p e r i e n c ec u r v e ， m a d eu s i n gt h ee e p r o mt r e a t m e n tt h eb a k i n ge x p e r i e n c ec u r v ep a r a m e t e r s a n d d i s c u s s e dt h r o u g h1 2 cb u sa n de e p r o mr e a da n dw r i t eo p e r a t i o nt oa c h i e v et h e p a r a m e t e r s p r e s e r v a t i o n a n dr e a d s y s t e m st e s tr e s u l ts h o wt h a tt o b a c c o b a k i n g a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mh a sa c h i e v e dt h ea c u t u a lr e q u i r e m e n tb a s i c a l l y , h a sc e r t a i n a d v a n c e m e n t k e y w o r d s ：t o b a c c ob a k i n g ；t h r e e - p h a s e d r y i n g ；t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e a s u r i n g ； a u t o m a t i cc o n t r o l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：旅走 日期：7 年二月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：劳搜 日期：产6 月2 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回壹途塞握童厦进卮! 旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：涨、瘦 日期：冲年多月日 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 烟叶是我国主要的出口农产品之一，是一种重要的经济农作物。在提高烟农的 收入、增加国家税收上有着不可小觑的作用。近年来，我国烟叶生产推行“计划种 植，落实政策、稳定面积、提高质量 的指导方针和“控制总量、提高质量、优化 布局、优化结构”的工作重点。烟叶生产上组织、政策、物质、科技和人才的投入 逐步加大，烟叶生产集中度逐渐提高，因地制宜的进行生产技术的研究和推广，同 时引进国外的先进生产技术为我所用，在栽培方面基本上解决了烟株营养不良，发 育不全的问题【l 】。经过多年的努力，我国烟叶生产水平得到了大幅度提高。与此同 时，随着我国农村产业结构的调整和烟叶生产可持续发展战略的实施，烤烟生产逐 步由传统的分散种植过度到规模化、标准化、专业化、商业化的种植上。这也为我 国烤烟系统的研究与推广应用提供了一个好的平台。 尽管通过多年的研究与实践，我国的烟叶在质量上得到了很大的提高。但与烤 烟发达国家相比我国烟叶的香、吃、味和外观质量都有较大的差距。这是因为除了 土壤、气候等自然环境因素以及品种、栽培管理等主要生产措施外，烘烤也是一个 及其重要的原因【2 】。烟叶烘烤是烤烟生产中决定品质和产量高低的重要环节，是体 现烟叶经济价值的关键。先进的烘烤工艺能够将生长成熟的烟叶优良性状充分显现 出来，实现其使用价值1 3 l 。随着国家政策的扶持，种植区域集中化、栽培管理规范 化、全面品种优良化等措施的实施和推广，我国鲜烟叶的质量明显上升，有些已经 接近或者达到国际先进水平。为提高烟叶的国际竞争力，烘烤技术成为关键。为改 善过去多分散在烟农住宅的屋前屋后进行烟叶的烘烤，烘烤作业操作不规范，没有 专人负责，经常离岗、技术到位率低，难以统一管理的状况，国家烟草专卖局烟叶 公司在全国范围内进行了三段式烘烤技术的推广，通过烘烤可以在一定程度上弥补 田间烟叶生长发育的不足，争取较高的生产收益。因此，通过改进烘烤技术来提高 和稳定烟叶质量，缩小与国外差距是提高我国烟叶国际竞争力的有效途径。 1 2 课题研究意义 烟叶烘烤的实质就是在一定条件下，使烟叶内有机物发生一系列的分解转化的 硕士学位论文 酝a s t e r st h e s i s 生理生化反应和烟叶水分蒸发和散失的物理反应的统二。在烟叶烘烤过程中，有两 个明显的变化：( 1 ) 单叶重的适当减轻和内在品质的改进提高；( 2 ) 外观色泽由绿 变黄，叶片卷缩干燥。烟叶烘烤就是利用适宜的温湿度条件，协调控制这两个方面 变化过程的速度，让其相互配合来促进外部色泽和内部化学成分向着人们所要求的 改善品质的方向发展【4 】。目前国外发达国家使用的密集烘烤设备有着强制通风，热 风循环，热能利用率高，烘烤能力大，自动化作业，操作简便，烘烤工艺到位率高 等特点。而且烘烤的原烟质量高且稳定，烘烤作业劳动强度也明显低于我国的普通 烤房。不过烤房的建盖成本高【5 j 。目前在我国使用的烤房绝大部分都是自然气流上 升式普通烤房。般都是依靠操作人员的烘烤经验来控制烤房燃烧室的火力并监测 烤房温湿度。这样不仅操作人员劳动强度大，而且有操作误差大、反应不灵敏、烤 出的烟叶工业利用率低等不足。因此，如何改变烘烤中温度、湿度的人工控制，准 确地控制烟叶烘烤过程，达到烤烟全过程的智能监控是十分必要的1 3 6 j 。因此研究经 济型的烤烟自动控制设备是提高我困烟叶整体水平的一项重要措施。 1 3 烟叶烘烤的国内外研究现状及发展趋势 1 9 6 0 年美国工程师研制和设计了适合于生产的烤烟设备并且提出了相应的烘 烤工艺。试验结果表明，该烘烤设备有利于叶片的变黄和干燥，并且能够节省劳动 力和燃料，具有推广的价值。从此烟叶烘烤设备的发展开始了新的历程，并且不断 取得突破。1 9 6 9 年，在日本鹿儿岛烟草试验场的实践中一个新的烘烤工艺方法被发 现将渝球温度控制在3 8 9 ，然后按照一定工艺的要求升干球温度。依照这个原 理，日本工程师山中弘久和川上嘉通两人成功研制了湿球温度自动控制系统，揭开 了烟叶烘烤自动化的篇章。1 9 7 4 年气流上升式密集烘烤装置在日本三洲产业株式会 诞生1 7 j 。1 9 7 6 年，鲍威尔公司研制出了用油或煤气做燃料，将烟叶直接堆积于大箱 进行烘烤，采用温湿度自动控制的7 7 1 型气流上升式堆积烘烤设备。实现了烟叶烘 烤的机械化和自动化岱j 。1 9 7 7 年北卡州立大学的石格斯( c w s u g g s ) 发表了大箱式 烘烤研究报告。同年约翰逊( w h j o h n s o n ) 发表了气流横吹式烤房的研究报告，使大 箱式烘烤得到迸一步改善f 9 】。在烤房不断应用发展的过程中，烘烤设备和工艺也得 到了巨大的改进和完善。显示了其节省劳动力、节约燃料、热能利用率高、烟叶烘 烤质量高且稳定的优势。因此，烤房在世界的高产烟国家和发达国家得到迅速推广 应用。目前津巴布韦、巴西、南非的应用面积达到或超过5 0 ，而日本、加拿大、 美国等发达国家的密集烘烤普及率己达到8 0 以上。这些生产烤烟的发达国家基本 上用自动化或半自动化烤房取代了普通烤房。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 我国烟叶烘烤技术的研究起步并不晚于国外，1 9 6 3 年河南省烟草甜菜工业科学 研究所就开始进行烤房试验的研究，结合我国实际情况，在借鉴国外自动化烤房的 基础上于1 9 7 3 年到1 9 7 4 年期间研制出了土木结构型的以煤为燃料的密集烤房并在 生产中进行了试验。但是由于种种条件的限制没有得到推广i m o l 。后来一些科研机 构也进行了尝试，并且取得了一定的成果。2 0 世纪8 0 年代中期，烟叶烘烤工艺从 国j , l , i j i 进，烟叶烘烤是烟叶生产过程中的一个重要的环节成为从事烟叶生产人员的 共识。2 0 世纪9 0 年代中后期，福建、云南、山东、河南等省借鉴国外的先进技术， 购置了国外烧柴油、煤燃烧锅炉供热、烧煤直接供热等形式的烤房，明显提高了烟 叶的品质，并且有着烘烤操作简单、省工等技术优势，但是一次性投资大，成本高， 能耗过大，不适合在我国大面积推广【1 , 1 1 。随着我国经济和科学技术的发展以及烤 烟的规模化生产，9 0 年代中后期，各地根据自己的实际情况，相继研制出了各种类 型的烤房 m 2 1 。1 9 9 9 年宫长荣乔万成分别研制出了热泵型烟叶自控烘烤设备和燃煤 的砖砌式热风循环烟叶烘烤机l l 引。这些烤房都达到了良好的试验效果，并有相应的 推广应用。2 0 0 1 年黑龙江省将巴西的散叶烘烤设备引入本省，开发研究了适合黑龙 江条件的散叶烤房以及配套的烘烤技术。2 0 0 0 至2 0 0 3 年安徽省成功研制出悬浮式 蜂窝煤炉烤房。2 0 0 4 年开始全国示范应用板块结构或砖混结构形式、烧散煤或蜂窝 煤、气流上升式或下降式密集烤房，取得了良好的应用效果 1 4 1 。由于烧散煤的烤房 成本低，根据我国的国情，其渐渐取代了国外烧油的烤房成为我国现在的主流设备。 目前我国在广大烟区已广泛推广了烟叶的“三段式”烘烤工艺，如何在目前的烤房设 备下使烘烤技术自动化控制程度得到提高成为我们需要面对的问题。 1 4 本文的主要研究内容 在深入了解“三段式”烟叶烘烤工艺的基础上，根据河南驻马店铜山一带烤房 的具体实际情况，设计和实现了基于f p g a 的烤烟自动控制系统，对烤房的温度湿 度进行控制并且使其尽可能的按照实际工艺要求的温度湿度曲线进行变化。本文主 要研究了烟叶烘烤的三段式工艺，湿度测量的改进，整个控制系统的硬件设计软件 实现等。具体章节安排如下： 第一章，绪论。介绍烤烟控制系统研究的背景和意义，国内外研究现状和发展 趋势以及论文的研究内容。 第二章，烟叶烘烤三段式工艺及控制。阐述了烟叶烘烤的变黄、定色、干筋三 个阶段以及在工艺控制中湿度测量的一些改进。 第三章，烤烟控制系统的主要硬件功能模块。本章主要研究和分析了本系统设 3 硕士学位论文 m a s 1 e r st h e s i s 计中所使用的重要芯片以及其连接电路。 第四章，单总线与温湿度传感器。为了便于理解本系统设计中温度湿度的测量 过程，本章主要对单总线技术以及温度湿度传感器的特性、工作原理、时序等进行 了研究和分析。 第五章，模糊控制算法的选择及设计，主要设计了本系统所采用的模糊控制器。 第六章，烟叶烘烤中经验曲线的保存和选取。主要是采用e e p r o m 存储器来 保存常用的经验曲线，方便用户使用。 第七章，系统软件实现及调试。通过软件来实现温度的设定、选择、显示、按 键的弹跳消除等。 第八章，总结。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章烟叶烘烤三段式工艺 烟叶烘烤是优质烟生产技术中的关键环节，而烟叶烘烤必需的基本设施就是烤 房。烤房中包括挂烟系统、加热系统、排湿系统等。挂烟系统主要是用来放需要烘 烤的烟叶，分上棚和下棚。由于整个烘烤过程中需要温度高且均匀。所以通过鼓风 机向加热系统的炉膛内吹入空气使煤在炉膛内燃烧产生热量，然后鼓风机将煤燃烧 产生的热量带入整个烤房，以提高烤房的温度。通过控制鼓风机向炉膛吹入空气的 程度来控制煤燃烧的旺盛度，这样可以控制温度的变化。当上棚温度和下棚温度不 一致时烤房中的循环风机将进行工作，使整个温度达到要求。在烘烤的过程中由于 有大量的水蒸气蒸发，因此需要排湿系统。排湿系统包括烤房上部的天窗、底部的 地洞以及侧边的排湿百叶窗。一般通过合理设置天窗和地洞的面积和高度来协调烤 房排湿，根据烘烤过程中烤房中的湿度变化调节排湿百叶窗，使之排湿顺畅，又便 于保温【15 1 。 从生产实际的角度去理解，可以认为烟叶烘烤是一个“黄干协调，保黄防黑 的过程。鲜烟叶在烤房中，通过烧火、控水排湿等工艺措施，在适当的时间内把烟 叶烤干、烤黄、烤香、烤鲜。不同的工艺措施可以产生不同的烘烤结果，没有经济 价值的青片是由于烘烤过程中快速干燥造成的，而过慢干燥会导致烟叶烤黑而失去 使用价值，较快的干燥速度很导致烟叶青筋微青甚至青黄劣质，而较慢速的干燥会 产生色暗、挂灰、光泽差的烟叶甚至低价值的花片。只有掌握好适宜的变黄干燥进 程，根据鲜烟烘烤的特性采用适当的烘烤技术，才能烤出好的烟叶。 三段式烘烤是世界上烤烟生产国家通用的烘烤技术模式。2 0 世纪9 0 年代中期 引入我国，通过多年研究、试验和示范，目前已经形成了一套适合我国烟叶生产现 状的烤烟三段式烘烤理论和技术体系。生产实践证明，该模式技术简便，可操作性 强，可以有效地提高烟叶的香气、吸味及上等烟叶比例，减少或避免烤青烟，有 很大的增质增效潜力【1 6 1 。 依摒烟叶在烘烤中外观形态的变化规律和失水干燥程度，将烟叶烘烤过程分为 变黄、定色和干筋三个阶段，每个阶段又分为升温阶段和稳温阶段。其基本模式如 图2 1 所示【1 5 l7 1 。根据简化后的三段式烘烤工艺，我们可以用三句话来概括整个烘 烤的过程：点火后以每小时上升1 升至干球3 8 。c ，湿球3 6 。c 变黄；当烟叶黄片青 筋，凋萎发软时，以每两三小时升l 达到干球5 4 。c ，湿球3 8 。c - 4 0 c 定色：叶片 全黄全干时，每小时上升l 升至干球6 5 “8 ，湿球4 2 4 3 干筋。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 温 度 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 0 时间l l 图2 1 三段式烘烤工艺模式图 2 1 变黄阶段 变黄阶段主要有两个基本任务：主要任务是变黄后熟。通过低温慢变软，慢变 黄，促进烟叶叶内的物质充分分解转化，形成丰富的香气前体物，为烟叶的质量打 好基础；另外适量的失水变黄，确保烟叶变黄程度和失水程度的协调。在变黄的进 程中烟叶逐渐凋萎变软，方便顺利定色，为烟叶的外观质量打好基础。经过变黄阶 段烟叶要有如下的变化：中、上部烟叶变黄程度接近十成黄，下部烟变黄程度达到 9 0 左右，并且凋萎塌架、勾尖卷边，主脉变软【l 引。 变黄阶段中烟叶的变黄和二f 燥程度主要是靠干湿差大小控制，时间的长短调 节，所以要稳干球，调湿球。变黄阶段通常分两步进行：首先是升温，烟叶装炕前 要打开炕门、天窗、地洞，使烤房内温度接近室外温度。装满炕后，封严天窗、地 洞，点火后稳烧小火。以每一两个小时升1 的速度升温到3 8 。保持干球温度为 3 8 ，同时调整湿球温度，保持湿球温度比干球温度低2 左右。此时烟叶的变化 开始在自动控制下加速进行【1 9 1 。为防止上下棚之问温差过大造成底青，在此阶段升 温不宜过快；为防止烟叶失水不够、变黄过慢、消耗较多养分，此阶段升温也不能 太慢。第二步稳温，需要将干球温度稳定在3 8 * ( 2 左右，维持干湿差2 。通过烧火 来控制温度的高低，靠进热空气和出湿空气调节湿球温度差大小。该阶段是烟叶主 要变黄阶段，香气前体物或底物大量形成，烟叶完成后熟过程，烟叶变化达到目标 要求。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 在耐心等待烟叶变黄与凋萎的过程中，要注意检查烟叶的变化情况。要充分发 挥天窗、地洞的作用，适时排湿，增加通风，扩大干湿温度差，保证黄干协调。通 常情况下不宜过早、过大地打开地洞，以防温度忽高忽低避免造成平面温度不均匀 和底青1 2 j 5 】。转火的时机不能过早也不能过迟。烟叶在转火之前应达到基本全黄， 即除叶脉青白色，叶基部带青外，其余全黄。烟叶的变黄程度与失水程度协调一致， 两项指标中有一项达不到要求，都不宣转火。 2 2 定色阶段 定色阶段主要有四个任务：( 1 ) 主攻叶脉变黄，实现全黄定色；( 2 ) 加速烟叶 脱水干燥，及时干片安全定色，保证外观质量；( 3 ) 增进烟叶色泽，多出色度饱满 的橘黄烟叶：( 4 ) 促进烟叶香气物质的形成和积累，提高烟叶的内在质量。为了较 好的完成任务，一般遵循“稳定湿球温度、升高干球温度、逐步加大火力、加快排 湿、黄烟等青烟、干烟等湿烟 的操作原n t b j 。 定色阶段也分为升温和稳温两个阶段。决定烟叶外观质量的关键阶段在定色升 温阶段，这也是决定烟叶内在质量的重要阶段。因为在此阶段要实现烟叶的最终变 黄和部分干燥，同时还要防止烤青或烤黑，而且在这个阶段会出现回青、烤青、挂 灰、蒸片、糟片等不良现象，同时升温干燥过程中会有部分香气物质生成。因此定 色升温段在很大程度上决定了烘烤作业的成败，必须用心操作，不能掉以轻心。 由于定色升温阶段升温需热多，排湿耗热多，干球温度的高低主要靠烧火控制， 而不是关天窗、地洞的方法来实现保温或升温。所以对烧火的要求较高，操作任务 也很重。同时要保持进j x l 的均匀和排湿的顺畅，使烟叶顺利脱水、均衡干燥，确保 烟叶黄干协调。在此阶段，还有要实现叶片的进一步变黄和叶脉完全变黄，同时也 要防止烤青或烤黑。而且，鉴于鲜叶的不尽一致和配炕的不尽合理，在这以阶段还 要完成“黄烟等青烟，干烟等湿烟”的任务和目标。所以，升温定色并不是越快越 好，在操作上要以确保烟叶黄干协调为原则，严格落实。尽管在此阶段变黄非常重 要，但是其最主要的任务还是加速己变黄的烟叶脱水定色。因此在严格按要求控制 干球温度和湿球温度的同时，还要根据烟叶脱水干燥程度来灵活控制通风量的大 小。确保烟叶的失水速度和烤房的排湿能力相适应，完成变黄和安全定色的任务。 为了把握好定色升温阶段的黄干进程，提高烘烤的质量，根据我国实际和烟农烘烤 的经验，对定色升温的不同温度阶段烟叶的变化指标进行了优化细化，如表2 一l 所 示。 7 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i $ 表2 - 1 定色升温阶段烟叶变化指标【1 5 1 烟1 1位置 4 2 4 6 5 0 底棚变黄大部黄片黄筋黄片黄筋 黄片黄筋 干燥勾尖卷边部分小打筒小打筒 二棚变黄黄片黄筋大部黄片黄筋黄片黄筋 干燥充分踏架勾尖卷边部分小打筒 三棚变黄较多黄片青筋黄片黄筋 大部黄片黄筋 以上干燥凋萎发软充分踏架部分小打筒 转火后稳步升温至5 4 ，进入定色稳温阶段。由于致香物质主要在这个阶段形 成，而且烟叶能否顺利定色和安全转入干筋阶段也全靠在此阶段打好基础，因此定 色稳温阶段是决定烟叶内在质量和外观质量的关键阶段。此时湿球温度相对保持稳 定，在干球温度3 8 4 2 时，干湿差保持3 4 ，当干球温度为4 2 5 0 时， 湿球温度稳定在3 9 左右，当干球温度为5 0 5 4 时段和5 4 温度段时，稳定在 4 0 左右。5 4 。c 温度必须充分的延长时间，确保致香物质的大量形成以及全炕烟叶 叶片全干定色。防止在部分烟叶没有完全干叶时过早进入干筋阶段出现叶基部烤 黑，以及操作不当造成尚未真正定色的烟叶出现种种损伤。另外还应该注意，干球 温度不能过高，这样会导致烟叶局部挂灰、蒸片。湿球温度也不可偏高或偏低，偏 高会导致烟叶色深色暗，偏低会使烟叶定色后显得二f 燥欠油分、色淡欠光泽。 2 3 干筋阶段 干筋阶段的主要任务有两个：加速主筋干燥，使全炕内所有烟叶全部烤干，防 止出炕时还要湿筋湿片，圆满结束炕内调制过程；确保烟叶质量，防止出现烟叶烤 红，汹筋汹片，香气大量损失等不良现象。为达到预期目标，在这个阶段要控制干 球温度不过高，限制湿球保证其温度不过低，减少通风，适时停止烧火，充分延长 时间使全炕所有烟叶主筋全干。 在定色阶段达到要求后，干球温度以每小时l 的速度从5 4 升至6 8 。c 并且保 持稳定，湿球温度很快升至4 2 。c 左右，保持稳定，稳温时间以全烤房烟叶主脉充分干 燥为准，确保全炕所有烟叶主筋全干，结束坑内调制。干筋阶段就是在高温低湿条 件下加速主筋干燥。在操作时要注意以下方面：( 1 ) 干球温度不能过高，以防止烟叶 烤红香气物质过多挥发。( 2 ) 升温速度不能过快，升温要稳，不可忽高忽低，防止没 有真正完成定色的烟叶受损和突然降温引起的洇筋。( 3 ) 湿球温度不能超过4 3 * ( 2 ， 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 以防止烟叶烤红和焖色。湿球温度不宜低于4 1 c ，以防烟叶烤后色谈、干燥、欠鲜 亮和油润。( 4 ) 通风量不宜过大，适当控制天窗和地洞。主要是靠较高温度强制主 脉中的水分汽化，靠天窗排湿促进主筋干燥。( 5 ) 注意及时关火，防止过度延长时 间浪费燃料。关火时，天窗应该留点缝隙防止关闭过严而焖红烟叶。这个阶段温度 高，风险大，一定要注意安全，随时观察炕内烟叶与火龙，防止火灾发生。 9 硕士学位论文 m a s 1 e r st h e s i s 3 1 概述 第三章烤烟控制系统的结构框架与硬件设计 由于烤烟自动控制系统主要的使用对象是烟农，所以在设计系统时必须满足以 下要求： ( 1 ) 成本低，适应农村的经济特点。在保证质量和科技含量较高的条件下，尽 可能的降低成本，适应大多数烟农的经济承受能力。 ( 2 ) 展大程度的实现自动控制降低劳动程度，提高烟叶烘烤质量和稳定性。体 现自动控制的先进性和科学性，避免人工对烘烤判断不当而影响烟叶烘烤的质量。 ( 3 ) 安装方便，操作简单，易学易懂。在设计自动控制系统时应该尽可能的提 高系统的适配性，降低使用成本，以便于安装和推广。同时要保证系统在农村环境 运行的稳定性。操作上要充分考虑烟农的接受能力，简单易学，让系统的使用价值 充分体现。 ( 4 ) 较好的适用性。农村电力不稳定，系统的设计要满足实际的需要能在宽电 压下正常工作，停电后能够恢复正常的手工操作，以达到烘烤效果。 系统设计的技术要求为： ( 1 ) 测试点：上棚温度、上棚湿度、下棚温度、下棚湿度； ( 2 ) 电源：2 2 0 v ，误差：1 5 l o ( 3 ) 测温范围：0 0 o 9 9 9 ，湿度范围：1 0 r h - 9 9 0 r h ( 4 ) 测量精度：温度士o 5 ，湿度+ i r h ( 5 ) 排湿百叶窗开度：0 9 0 0 本系统采用以f p g a 为核心的控制芯片对系统的上棚温度、下棚温度、上棚湿 度、下棚湿度、风机、显示等主要参量进行实时监测和控制。系统框图如图3 1 所 示。硬件电路主要包括f p g a 及其配置电路、电源电路、驱动电路、语音提示报警 电路、温度湿度测量电路、控制按键和显示单元。框图如图3 2 所示。 本系统设计使用的f p g a 芯片是由美国a l t e r a 公司生产的c y c l o n e i i 系列的 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 ，并且采用了a l t e r a 提供的专用配置芯片e p c s l 对其进行数据配置； 外部2 0 m h z 的石英晶振为f p g a 提供时钟信号；系统所需的3 3 v 和5 v 电压由外 部2 2 0 v 电源通过电源电路获得；控制面板由指拨开关和控制按钮组成，指拨开关 用来控制数码管的显示，控制按钮用来向f p g a 输入设定的温度：语音提示报警电 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 路为烘烤阶段转变和温湿度超限提供提示；采用可控硅驱动电路对鼓风机、循环风 机以及百叶窗进行驱动。 i 温湿度显示 驱动电路 i i i f 上 p j 风机i ii g 土 l 控制面板 i - a ij。 _ - l 温度、湿度测量卜一 烤房 图3 1 烤烟控制系统整体框图 图3 2 硬件整体结构框图 3 2f p g a 器件的特点及配置电路设计 3 2 1c y c l o n ei i 系列的f p g a 器件的特点 本设计使用的是a l t e r a 公司c y c l o n e i i 系列的e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 。c y c l o n e i i 系列是 a l t e r a 公司于2 0 0 4 年6 月2 9 日推出的新款f p g a ，是c y c l o n e 系列的第二代产品， 是目前业界成本最低的f p g a t 2 。c y c l o n e i i 采用了与高端器件s t r a t i x 相同的9 0 n m l o w k 工艺，保证了c y c l o n ei i 的强大性能。c y c l o n ei if p g a 比上一代成本低近三 成，但是逻辑容量却多三倍。另外，根据大量的测试结果显示，c y c l o n ei if p g a 的 成本大约是相竞争的低成本f p g a 的一半，而速度快5 0 以上。并且c y c l o n ei i 系 列带来了新的特性和增强特性：片内的逻辑单元的数量大幅增加，最多可以达6 8 4 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 个逻辑单元；内部含有1 5 0 个1 8 1 8 硬件乘法器，这些乘法器能运行至2 5 0 m h z ， 可以高速地完成乘法操作，使得c y c l o n ei i 系列f p g a 具有较强的数字信号处理能 力；内部存储器以m 4 k 存储器块的形式存在，每个m 4 k 存储器块的大小为4 6 0 8 b i t 。 片内存储器的容量最大达1 1 m b i t ，支持多种配置模式如单口模式、简单双口模式、 完全双口模式、移位寄存器模式、只读存储器模式和先入先出( f i f o ) 存储器模式 【2 1 捌。表3 1 所示为c y c l o n ei if p g a 系列的特性 2 3 1 。 表3 - 1c y c l o n ei if p g a 系列的特性 特性 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元( l e )4 6 0 8 8 2 5 6 1 8 7 5 2 3 3 2 1 65 0 5 8 26 8 4 1 6 m 4 k 存储器块 2 63 65 21 0 51 2 92 5 0 总的r a m 位b i t 1 1 9 8 0 81 6 5 8 8 82 3 9 6 1 64 8 3 8 4 05 9 4 4 3 21 1 5 2 0 0 锁相环224 444 乘法器1 31 82 6 3 58 61 5 0 用户可用引脚 1 5 81 8 23 1 54 7 54 5 06 2 2 3 2 2 配置电路设计 由于c y c l o n ei i 系列f p g a 是基于s r a m 工艺制造的，并且s r a m 属于易失 性的存储媒质，因此f p g a 在每次上电时必须重新配置。通常在系统上电时可以通 过存储于a l t e r a 串行配置器件中的配置数据或由系统控制器提供的配置数据来完 成。c y c l o n ei i 系列f p g a 支持三种配置方式：主动串行( a s ) 、被动串行( p s ) 和j a t g 模式。用户可以通过设置m s e l 的状态选取使用的配置方式。本设计中采 用了a l i e m 公司提供的专用配置芯片e p c s l 对e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 进行配置。 e p c s i 配置芯片属于闪存( f l a s hm e m o r y ) 器件，具有可擦写功能。e p c s l 芯 片的容量为l m b ，工作电压是3 3 v 。本设计中使用一片e p c s l 来配置 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 。e p c s l 本身的编程由j t a g 接口完成。e p c s l 的引脚如图3 3 所示， e p c s l 配置c y c l o n ei i 的电路原理图如图3 4 所示【2 4 1 ，各引脚功能说明如下： v c c ：电源引脚( 3 、7 8 ) ，接3 3 v ； g n d - 电源地( 4 ) ； n c s ：片选输入信号( 1 ) ，低电平有效。该信号高电平时，器件未被选中，数据 信号为高阻状态。该信号低电平时，器件被选中并被激活。上电后，串行配置器件 要求在该信号的上升沿出现后才可进行操作。 d a t a ：串行数据输出引脚( 2 ) 。 1 2 硕士学位论文 m a s l e r st h e s i s a s d i ：主动串行数据输入引脚( 5 ) 。用来传输串行数据到串行配置设备中。接 收向串行配置设备编程的数据，在d c l k 上升沿给寄存器赋值。 d c l k ：d c l k 信号( 6 ) 由c y c l o n ei if p g a 芯片提供。该信号提供串行接口的 时钟。在d c l k 的上升沿，a s d i 上传送过来的数据被锁存到串行配置器件里。在 d c l k 的下降沿来后，引脚d a t a 上的数据会发生变换。 l n c s 2d a t a 3v 4g n d v e t 8 v c e7 d c l k6 a s d i 5 图3 3e p c s l 引脚图 图3 4e p c s l 配置c y c l o n ei i 的电路原理图 整个配置过程如下：在系统上电后，f p g a 和配置器件e p c s l 都进入到上电复 位状态( p o r ) 。同时，f p g a 驱动n s t a t u s 为低电平，即处于“忙 状态，驱动 c o n f d o n e 为低电平，表示器件未被配置。当p o r 过程完成后，f p g a 即刻释 放n s t a t u s 信号，当这个信号被外接的上拉电阻拉为高电平后，f p g a 就进入了配 置模式。在a s 配置中，所有的操作均由f p g a 发起，整个配置过程中完全处于主 动状态。在该配置模式下，f p g a 输出由其内部的振荡器产生的有效时钟配置信号 d c l k ，在配置完成后关掉该振荡器。然后f p g a 驱动n c s o 信号为低电平，使能 串行配置器件e p c s l 。f p a g 使用a s d o 到a s d i 的信号控制e p c s l ，d a t a 管脚 读出配置数据，将其配置到f p g a 中1 2 5 】。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 3 电源模块 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 芯片所需的3 3 v 电源电压由5 v 电压通过电源电路获得，但在 工业应用中使用的是2 2 0 v 的交流电。所以需要将2 2 0 v 的市电转为5 v 的直流电压。 电源电路如图3 5 所示。其工作原理为：变压器先把2 2 0 v 的交流电压变为9 v 的交 流电压，然后经过桥式整流、电容滤波、l 7 8 0 5 集成稳压器输出5 v 的直流电压。 5 v 的直流电压经过a m s l l l 7 3 3 电压转换芯片得到3 3 v 的t 艋 2 6 , 2 7 1 。 3 4 驱动电路 鼍 图3 5 电源电路原理 烤烟炕房中温湿度的控制主要是由鼓风机、循环风机、排湿百页窗三者结合控 制来实现的。通过控制鼓风机的转速调节吹入炉膛的空气来控制炉膛内煤燃烧的旺 盛度从而控制烤房内的温度。通过调节循环风机开关来实现上棚温度和下棚温度温 度差的控制。通过控制排湿百页窗的开度来调节烤房内的湿度。由于f p g a 直接输 出的负载能力非常低，所以需要驱动电路来控制鼓风机、循环风机、排湿百页窗。 可控硅( 简称s c r ) ，是一种大功率半导体器件，可以用较小的电流电压控制大电 流高电压，而且没有机械触点，所以本系统设计时采用了可控硅接口电路的驱动电 路来控制鼓风机、循环风机、排湿百页窗。电路原理图如图3 6 所示。 该驱动电路中使用的主要芯片是m o c 3 0 6 3 和b t a 0 6 。m o c 3 0 6 3 为双向晶闸 管输出型光耦合器。输入端( 1 、2 脚) 的控制电流为5 m a ，输出端( 4 、6 脚) 额定电压 为6 0 0 v ，最大重复浪涌电流为l a ，输入、输出间隔离电压为7 5 0 0 v 。而b t a 0 6 是p h i l i p s 公司推出的t 0 2 2 0 a b 封装三端双向可控硅，耐压，稳态导通电流为6 a ， 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 具有双向导通响应快的特性，能达到2 0 0 w | is 2 8 - - 3 例。电路的工作原理为：当与 m o c 3 0 6 3 的2 脚相连的f p g a 的i o 口( p 1 0 、p 1 1 、p 1 2 ) 为低电平时，m o c 3 0 6 3 中的二极管有电流通过，发光二极管亮，光电三极管把光能转变为电能，可控硅 b t a 0 6 导通，j b j i l2 2 0 v 交流电通过负载，鼓风机( j 1 ) 、循环风机( j 2 ) 、排湿百 页窗( j 3 ) 打开。当与m o c 3 0 6 3 的2 脚相连的f p g a 的i o 口为高电平时，m o c 3 0 6 3 中的二极管没有电流通过，发光二极管灭，可控硅b t a 0 6 截止，负载上没有电流 通过，鼓风机、循环风机、排湿百页窗关闭。这样b t a 0 6 就起到了交流大功率开 关的作用，控制风机的开关。另外通过对2 2 0 v 交流电压的过零信号的检测，得到 一个与交流电过零的同步信号输入f p g a ，通过软件控制可以实现对可控硅的导通 角的控制，使负载上的交流电压从0 2 2 0 v 的无级调压。这样就可以控制风机的转 速和开度，最终实现对鼓风机、循环风机、排湿百页窗的自动控制。 3 5 显示控制模块 图3 6 可控硅控制原理图 通过对本系统中要显示的值以及成本上的考虑，设计中主要使用数码管来显示 设定的温度值、湿度值和测量的温度值、湿度值。本系统共用了1 6 个8 段数码管 来显示这些值。用4 个数码管分别显示需要显示值的十位、个位、十分位和百分位。 其硬件连接电路如图3 7 所示。具体的实现方式将在后面软件实现部分介绍。 1 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 6 语音提示模块 图3 7 数码管硬件连接图 本系统中语音提示部分使用的语音：芯片是i