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1、1 引言 湿度温度控制系统在国内外都有广泛的发展，比如空调温度湿度控制系统，冰箱保鲜冷藏系统，档案馆湿度温度控制系统。以上这些都是温度湿度控制的成熟应用，两个指标的控制同样在烟叶生产方面有了进一步的应用，温湿度控制一直是烟叶初烤过程中的控制难点，本文所介绍的内容就是怎样实现烟叶烘烤过程中各阶段温湿度的控制。温湿度控制可以有很多种控制策略，选择不同的手段都可以达到温湿度指标，而控制策略的优劣就在于是否能对这些处理手段进行有机结合，让烤房内能沿着一条最节能的路径达到温湿度要求。1.1 设计背景1.1.1本课题的意义温度与湿度是在日常生活中很常见的两个参数，在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门
2、，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生产制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要。传统的温度计显示，虽然结构简单、价格便宜，但是它的准确度不够。而采用单片机对温湿度进行控制不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高控制的技术指标。本课题研究在烟叶烘烤中的温湿度控制，在烟叶初次烘烤过程中温度、湿度直接影响烟叶烘干后的色泽和品质，直接决定了烤烟在销售过程中的单价。为了保证烤烟的质量，提高收入，在烘烤期间要重点监测烘烤房内的温度湿度。根据烘烤房中的实时温度、湿度，经过比较分别对当前的温度、湿度进行调整。控制对象为烘烤房内的温度和湿度，采用光电耦合器和可控硅进行控制。
3、根据实际需要用户可通过键盘自行设定烘烤给阶段的温度、湿度的上下限范围。将烘烤过程中不同阶段的温度、湿度的峰值和谷值进行存储，以供查询参考。本次设计的系统利用单片机对当前的温度、湿度进行测量，并通过LED显示当前的温度和湿度。采集到数据后分别与预设值进行比较，启动执行机构对当前温度、湿度进行实时调整。经实时调整后温度、湿度未能达到要求，报警系统提示管理员检测系统。研究涉及的内容包括单片机技术，自动控制原理以及传感器等领域。智能烤烟房是针对目前烟叶生产中的烟叶初烤过程而提出的，旨在改变以往完全依靠人工的落后工艺，避免人为失误，提高烘烤质量。温度控制一直是烟叶初烤过程中的控制难点，本文所介绍的智能烤
4、烟房其控制目标为整个烘烤过程中各工艺阶段的温度控制，而烘烤时间则按照不同的牛烟叶可人工自行设定并调整，大大提高了烟叶初烤过程的自动化程度。在农村烤烟生产过程中，绝大多数烤烟初次烘烤都是采用煤炭加热，现阶段煤炭资源紧缺，同时在烘烤的过程中排放大量烟雾造成空气污染。农村经过电网改造后，供电方便，电价普遍降低，传统的煤炭供型烘烤房转变电能供热的新型烘烤房，这样节能方便容易控制。同时电子技术和自动控制技术的不断发展，各种自动控制系统逐步进入生产生活，随着性价比的提高运用较为普遍。传统的方法都是采用湿度表、湿度试纸和温度计等测试器材进行人工进行检测，这样不紧浪费人力物力，而且测量不准确，测试时容易导致通
5、风影响湿度。采用温湿度监控系统后用户在烤烟烘烤阶段不必要看守查看。当烘烤房内温度和湿度不符合要求时采取通风、降温等措施。因此设计这样一套自动的温度、湿度将测系统很有必要。用于单片机来控制温湿度可以完成温湿度的自动控制。通过单片机的串口与计算机相连，把采集到的参数送到计算机。让计算机对采集到的参数进行处理，再向单片机发送指令，从而完成对温湿度的自动控制。本次设计的系统就是为了实现工业中烟叶烘烤过程的自动控制，较以前普通烤房相比，烤后烟叶色泽饱满，鲜艳，叶片颜色均匀，上等烟比例提高。并且大幅度降低烘烤劳动强度，减少用工提高了烟叶综合效益。1.1.2国内外发展现状及前景展望 涉及到烟叶的烘烤问题，包
6、括烘烤工艺和烘烤设备两方面的因素，我国尤其是烘烤设备相对落后，已经不能适应现代烟草农业发展的要求。现代烟草农业发展的重要目标就是降低烟叶烘烤过程中的劳动强度，而耗工最大的则是烘烤阶段，只有使用自动化或半自动化的先进烤房才能降低烟农的烘烤用工，烟叶烘烤的基本规律是其依据的基本原理，将通常控制时间与烘烤的温湿度写入芯片当中，强调温度升高的速度和需要稳定温度的几个关键点，并有在线调节功能的设定，来符合不同品种烟叶烘烤过程中对温度和湿度的标准要求。烤房温湿度控制系统由温湿度传感器、控制装置、风门控制和风机、鼓风机等构成。测量温湿度等关键是温湿度传感器。过去测量温度与湿度是分开的，随着科技的进步和生产生
7、活的需要出现了温湿度共测的传感器。温度传感器经过了三个发展阶段：独立式传感器，模拟集成感器，智能集成传感器。目前新的传感器正从集成化向网络化，智能化;模拟式到数字式发展方向。湿度传感器也是经历了这样一个阶段逐渐走向数字智能化。目前在工业生产过程控制系统中， PID控制算法是最为被广泛应用的控制方法。PID算法具有非常重要的地位在工业生产过程控制中，美国、西欧、日本这些工业发达的国家PID控制算法有过程控制中有高达80以上的使用率。PID控制比较常见的与神经网络控制、分段积分控制、模糊控制等控制算法组合在一起，组合PID控制算法就是这样产生的，在没有准确的数学模型的控制过程中广泛应用着这种算法。
8、本设计以传统PID控制算法为起点，研究组合PID控制算法在烟叶烘烤过程中的应用1。由于现在网络化、信息化、智能化的发展，工业控制、交通管理、信息家电等行业中大面积应用了嵌入式系统技术，计算机技术作为嵌入式系统的基础，以应用为关键，软件和硬件均可调整，嵌入式系统适应应用于系统对可靠性、功能、体积、成本、功耗都严格要求地计算机系统中。现在己经大量应用是8位、16位嵌入式系统，32位嵌入式系统已经成为主流的发展趋势，高速的、复杂的嵌入式系统目前开始采用64位嵌入式系统1。1.2 设计任务 设计的烟叶烤房温湿度控制系统以单片机为控制核心，能够满足三段式烘烤过程中的温湿度变化的工艺要求，实现人工工作量的
9、减轻和烟叶烘烤质量方面提升的目的。1、 了解烟叶烘烤工艺要求；2、 单片机及其它设备的选型，总体方案的设计；3、 系统硬件设计；4、 系统软件设计；5、 按照学校有关文件的要求完成毕业设计及前期材料。烤烟的烘烤调制是烤烟生产过程中的重要环节，烘烤结果的优劣直接关系到烟叶的品质和烟农的收益。烤房是烟叶烘烤重要的基础设备，先进的烘烤工艺只有通过性能良好的烤房才能产生其应有的效果。所以烤房的温度与湿度是关系到烟叶生产成功与否的关键所在，所以，工业生产中，厂房得温度和湿度有很高的要求，目前温度湿度控制主要是使用空调自控系统，但是根据现场观察，现有空调自控系统大量存在三阀同时开启的现象，且同开幅度甚至高
10、达50以上，造成冷、热能量互相抵消，能源大幅度浪费。所以，我们应该从经济，节能的角度出发，设计出一种能有效控制温度和湿度的系统，而且控制精度应该满足厂房的需求。1.3 总体设计方案单片机温度控制系统是以AT89S52单片机为控制核心。整个系统硬件部分包括温湿度检测系统、信号放大系统、D/A转换、单片机、控制执行系统等。温度控制采用调节晶闸管的导通角来调节加热电阻丝的加热功率和调节风扇的转速，从而调节温度，湿度控制通过调节比例调节阀的导通角来调节水分的加入量和调节除湿剂的比例调节阀，从而调节湿度。 软件是系统的灵魂，是系统最终是否可以工作的关键，系统软件主要由主程序、中断服务程序和各种子程序组成
11、。本设计针对设计要求并结合硬件电路包括键盘输入处理、温湿度检测和电磁阀控制、计算处理、定时更新显示等。系统方框简图如图1.1 所示。图1.1烟叶烤房温湿度自动控制硬件结构前风门执行机构电机驱动后风门执行机构键盘及预设值报警电路 AT89C52 CPU LED显示电路采样保持采样保持温度采集湿度采集2 温湿度控制算法烟叶烤房温湿度控制系统中既要完成减轻和消灭温度和湿度两参数存在的强耦合的现象，还需要完成在两参数干扰下的单回路控制。常见PID控制系统有很高的控制精度比较高，但主要用于线性过程的确切模型，控制对象的变化时它的PID参数如果确定后就不能再随着变化来调整了，在本设计中的温湿度控制系统问题
12、中，满意的控制效果很难达到。一种新型的组合PID控制算法是根据模糊控制、数字PID控制等PID控制理论提出来的。本文利用了不同的控制算法处理温湿度，是因为参考误差变化大小的不同。如果是比较小的系统误差时，模糊自适应PID控制算法则运用到温湿度检测当中；如果是比较大的系统误差时候，积分分离式PID控制则运用到温湿度检测当中，系统响应的速度加快了，积分作用同时得到保留，如果结合其它的控制算法需要有误差较小时。这中组合控制算法控制效果可以更好，并且算法计算量中等，结构很简单，有很强的更好的自适应性与鲁棒性在和模糊自适应PID、单PID算法比较中。因为风门是否开启可以调节烟叶烤房的湿度，引入风来使湿球
13、温度降低，但风门打开后，整个烤房的检测系数将会发生改变，风门开关的动作幅度是使得适应风门关闭时的PID控制参数是否能满足系统改变后的控制要求的关键。烟叶烤房内的温度调节主要靠的是鼓风机和加煤机，加煤机是用来控制进煤量的多少，鼓风机则是通过鼓风来调节火势来达到控制温度的目的。如果鼓风开起时间太长是会造成湿球温度的大幅度提高。本设计使用的方法是湿度与温度分离控制，当开启幅度很大的风门时，会使温度难以调节；在鼓风机和加煤电机工作时间较长时，有可能造成湿度难以调节。21 积分分离式PID控制连续系统中应用最为广泛的一种调节器是按照偏差比例、积分和微分进行控制的调节。这种调节器具有简单的结构，参数又易于
14、整定，根据现有理论分析和实际的运行经验可知，在大多数工业对象控制中PID调节器可以取得理想的结果。PID控制软件系统容易修改的优点随着计算机技术的发展得到了很好的发展，运用计算机系统完成PID的控制，使PID数字控制器可以得到更多大范围的应用。在模拟调节系统中，PID控制算法的模拟表达式为 上式中，u（t）为调节器的输出信号；e（t）为偏差信号，该信号是给定量和输出量的差；Kp是比例系数； 是积分时间常数； 是微分时间常数。控制简化示意图如2.1所示.PID控制对象C(s)U(t)e(t)r(t)+-图2.1 PID控制简化示意图普通PID控制在的启动、结束和大幅度的增减设定时，短时间间系统的
15、输出会产生很大的偏差，从而造成PID算法积分的累加，导致控制量超出执行机构对应的最大控制量所能允许的最大的动作范围，造成系统很大超调，还有可能造成系统很大的振荡，在烟叶烤房温湿度控制系统中，当被控量和设定值存在较大偏差时，希望系统有较快的反馈，当被控量接近设定值时，静差需要消除，确保一定的精度，受此启发，本文在控制系统产生了较大的偏差时，使用积分分离的PID控制算法1。积分PID控制算法实现的步骤如下： （1） 根据实际情况，人为设定阈值01；（2） 当error（k）,采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应1；（3） error（k）时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。积分分离控制算法可以用下式表示1：u（k）= kperror（k）+ki+ kd（error(k）-error（k-1）)/T式中，T为采样时间，项为积分项的开关系统1 =3 硬件设计本系统主要是由单片机AT89S52、温湿度采集模块SHT11、电机控制回路、LED显示单元、键盘模块单元、报警单元、起振电路单元以及电源电路等多个部分组成。这些单元都是统一由单片机AT89S52来控制，形成完整的温湿度控制系统，应用于烟
