烟叶烘烤系统设计.doc

摘要目前，烟叶的生产方式已由传统的零散型向集约型、农场型转化，烤房也由传统的土炕向大型烤房方向发展。烟叶成熟采摘后必须经过烘烤加工才能制成工业用烟。这个烘烤过程一般需要几十个小时，完全由人工控制烤房燃烧室的火车并监测烤房温度，所以烟农劳动强度很大；而且不能精确控制烤房内的温湿度，也不能对烤程精确计时，使烤出的烟叶工业利用率较低。现烟区已广泛推广烟叶初烤的“三段式烘烤工艺”，并且大多数炕房已加装热风循环装置。为了提高烟叶的初烤质量，烤房的温湿度的测量方法、控制方法和精度等诸多方面需要得到改善和提高。文中介绍了利用模糊控制技术研制的基于单片机的KF-1型烟叶烤房温湿度控制仪的软硬件设计。本控制仪使烤房内的温湿度按照烟叶最佳生化控制曲线而变化，从而提高了烤房内温湿度的控制精度和烤烟质量。关键词：单片机 模糊控制技术 温度控制 Abstract Currently, the mode of production of tobacco leaves already from tradition of zero spread a type a conversion toward the intensive type, farm type, roast building also from tradition of soil Kang to large roast a building direction development.The tobacco leaves is after ising mature to pick have to process bake to process then can make into industry use smoke.This bake the process be general to need several ten hours, complete from artificial control roast building combustion room of train combine the monitor roast building temperature, so smoke agriculture labor strength very big;And cant the precision control roast the degree of humidity in the building, also cant to roast a distance precision account, make tobacco leaves of roast industrial the utilization be lower.Now smoke area already extensive expansion tobacco leaves beginning roast ofthree type bake craft, and majority the Kang building have already add hot breeze circulation equip.For the sake of exaltation tobacco leaves of beginning roast quality, roast the degree of humidity of building of measure method, control the method and accuracy etc. be various various demand get improvement and exaltation.Introduction in text make use of misty control the technique develop of according to list slice the type KF-1 tobacco leaves of the machine roast building degree of humidity control instrument of soft hardware design.This control instrument make to roast the degree of humidity in the building the best bio-chemical control is according to the tobacco leaves curve but variety, thus exaltation roast the degree of humidity in the building of control accuracy with roast smoke quality. Keywords:List slice the machine be misty control technique temperature control系统总体设计 根据要实现的功能特点，本系统选用了MCS系列8051单片机，扩展了一片74LS273地址锁存器，两片2716EPROM程序存储器和一片A/D转化芯片ADC0809,构成基本系统，另外的功能键和LED显示与串行口扩展几片74LS164来实现，还有一些附加电路组成。 本系统为单片机烟叶烤房温湿度自动控制仪的设计，有效测控范围：2080；测量精度：0.5；控制精度：1.0；分辨率：0.1；电源：220V，50Hz。当温度高于或低于设定值1时，蜂鸣器报警。在三段式烟叶烘烤过程中，温度控制曲线要求第一、三段的升温按照每小时1的固定斜率均匀升温，第二段的升温按照每小时0.5的固定斜率均匀升温。如图所示：根据以上具体要求，本系统用单片机作为控制单元，热电阻作为传感器，完成了装置的设计。 硬件设计 硬件系统的设计KF-1型烟叶烤房温湿度自动控制仪是针对国家烟草局在闽南地区推广的烟叶烤房项目而设计的。这种类型的烟叶烤房前后均开设一个“门”，前门负责煤燃烧室的给风。需要增加火力升温时加大前门的开启量，从而使得烤房内温度升高；反之减小其开启时甚至关闭，使得烤房内温度降低。后门用于调整烤房的湿度，湿度过高时加大后门的开启量；反之减小其开启量甚至关闭。KF-1型烟叶烤房温湿度自动控制仪的硬件结构如图1所示硬件设计单片机系统总图MCS-51单片机的引脚引脚功能： MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照-单片机引脚图： l P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。 l P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。 l P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。 l P3.0P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。 P0口有三个功能： 1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0D7为数据总线接口） 2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0A7为地址总线接口） 3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。 P2口有两个功能： 1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻； P3口有两个功能： 除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。 有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的， 即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG） 编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp） 在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”是一个电阻啦，当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。 ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展 EEPROM电路，在图中ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。 在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。 单片机的内部结构及其组成中，在8051单片机内部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。 PSEN 外部程序存储器读选通信号：在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。 1、内部ROM读取时，PSEN不动作； 2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； 3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出； 4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。 EA/VPP 访问和序存储器控制信号 1、接高电平时： CPU读取内部程序存储器（ROM） 扩展外部ROM：当读取内部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。 2、接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。 在前面的学习中我们已知道，8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。 3、8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。 RST 复位信号：当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。 XTAL1和XTAL2 ：外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 VCC：电源+5V输入 VSS：GND接地。 测量电路温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证测量精度，测量电路中采取了三方面的措施：(1)测量中传感器的连接采用新的三线制方法，完全补偿了由导线引起的误差。 (2)选用低漂移、精度高的OP07作为运算放大的电路。(3)测量电路采用恒流源供电。A/D转换器A/D转换器选用常用的ADC0809即可满足技术要求。该芯片分辨率为8 b，总的非调整误差为1LSB，输出电平与TTL电平兼容，单电源5V供电，模拟量输入范围为05V。ADC0809与MCS-51的连接 如图所示模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H0FEFFH.。. ADC0809的内部结构ADC0809的内部逻辑结构图如图所示。ADC0809内部逻辑结构 图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表为通道选择表。 通道选择表74LS273是8位数据/地址锁存器74LS273是一种带清除功能的8D触发器， 1D8D为数据输入端，1Q8Q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。1.管脚图D0D7：出入；Q0Q7：输出；第一脚WR：主清除端，低电平触发，即当为低电平时，芯片被清除，输出全为0（低电平）；CP（CLK）：触发端，上升沿触发，即当CP从低到高电平时，D0D7的数据通过芯片，为0时将数据锁存，D0D7的数据不变。74LS164引脚图串行输入带锁存时钟输入,串行输入带缓冲异步清除最高时钟频率可高达36Mhz功耗：10mW/bit74系列工作温度： 0C to 70CVcc最高电压：7V输入最高电压：7V最大输出驱动能力：高电平：0.4mA低电平：8mA根据本系统的测量精度和控制精度要求，本装置选择了热电阻式传感器Cu50作为测温传感器3。Cu50测温范围-50+150，工作范围20-80，线性度好，灵敏度高，价格适中，满足了该系统的技术要求。温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证精度，从硬件采用了三个方面的措施：第一，测量中传感器的连接采用新的三线制方法1，补偿由导线引起的误差；第二，选用高精度低漂移运算放大器OP07作为运算放大的电路，第三，测量电路采用恒流源供电。如图2所示。该电路完全消除了最常用的三线制接法2中导线电阻的影响。图中R62、R63、R64的电阻值相等，其输出电压仅与热电阻Rt有关，且呈线性关系。测量精度主要取决于恒流源电流。为保证该电流的稳定性，在恒流源电路的设计中，选用了稳压管（LM-336）,高精度低漂移运算放大器（OP-07）,晶体三极管（BC157B）。其它电路则选用了四通用单电源运算放大器（LM324）。使用这种补偿方法的热电阻测温电路，测量精度大大提高，实现了高精度的温度测量和控制。同时，该装置在硬件上增加了手动/自动转换功能，软件上增添了抗干扰措施，使其工作更可靠、稳定，使用方便。软件设计在烟叶烤房温度控制这样的强时变、大时滞、非线性系统中，模糊控制的控制效果比传统的PID等控制方法有着明显的优势，它具有达到设定温度时间短、稳态温度波动小、反应灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。单片机技术已是目前常用的控制技术，把模糊控制的方法和单片机控制技术结合起来，可使本控制仪的性能指标达到最优。国家烟草局推广的烟叶三段式烘烤工艺使烟叶的工业成品率有了很大的提高。该工艺将烟叶的烘烤过程分为三个阶段，第一阶段为变黄期，第二阶段为定色期，第三阶段为烘干期。各阶段中对烤房的温度要求如图6所示。KF-1型烟叶烤房温湿度自动控制仪的软件控制方式是为实现该工艺的温度控制曲线而设计的。 在三段式烟叶烘烤过程中，温度控制曲线要求第一、三段的升温按照每小时1的固定斜