烟叶烘干窑自动控制系统的分析与设计
朱国权
摘 要：长期以来，由于我国制烟过程中烘烤设备较为落后，导致烟农的劳动负担较大但生产效率低下，经济效益较差。针对我国制烟过程中烘烤设备存在的问题，同时根据对烟农等需求的实地调研，笔者设计了一套基于模糊控制理论的烟叶烘干窑自动控制系统，其能够通过温湿度传感器实时监测烘干窑内的温度与湿度，并根据预设的逻辑通过对电机和天窗的控制，实现烘干窑内温湿度的实时智能控制，同时将温湿度显示在液晶屏上，便于工作人员的操作。
关键词：烟叶烘干窑；模糊控制；温湿度值；智能控制
1 引言
传统的烟草烘干方式，是将待烘干的鲜烟叶放入相应的烘干设备，之后通过人工控制调节的方式实现设备温度湿度保持在一定范围内，以保证烟草的烘干质量。随着人们对制烟流程认识的不断加深，人们认识到烟叶烘干过程中温湿度的控制精度对烟草的质量有着重要的影响，同时随着信息技术的不断发展，人们开始利用自动控制方式代替传统的人工控制方式，大大提高了烟草烘干的质量。近年来，基于对烟草烘干过程的长期研究，研究人员已经得到了烟草烘烤的专家曲线，即烟草烘烤过程中的温湿度随时间变化的最佳曲线，因此为了进一步提高烟草烘干质量，设计一套烟叶烘干窑自动控制系统十分必要。
2 系统的总体结构设计
该烟叶烘干窑的自动控制系统的总体设计主要从硬件设计和软件设计这样两大部分来进行的。具体的总体设计结构框图如图1所示。
从总体结构框图我们可以看出整个系统是由微控制器模块、数据采集模块、执行机构模块以及外围电路模块这样几大部分所组成的。其中，根据系统所需完成的功能，外围电路模块主要包括电源模块、按键输入模块以及显示模块；数据采集模块主要包括温度采集和湿度采集这样两大部分；执行机构模块主要是由风机控制、发热管控制、换风挡板控制以及喷湿阀控制这样几大部分所组成。
3 控制系统硬件结构设计
本系統主要基于模糊控制理论，根据用户对温湿度的设定，实现烤烟窖内的温湿度的精确控制。通过对发热丝及喷湿阀的控制可以实现对温度与湿度的调节，同时通过对换气挡板和风机的控制，可以通过对窖内空气流动的调节，实现温湿度更精确的控制。在本系统的控制电路中，喷湿阀和风机采用继电器实现开关式的控制方式，发热丝采用IR2130驱动IGBT实现不同加热电流的控制，而换气挡板通过步进电机转到角度的控制实现挡板位置的调整。具体的总的硬件结构框图如图2所示。
3.1 微控制器模块设计
本系统中选用美国TI公司生产的超低功耗16位微处理芯片MSP430F250，MSP430系列的单片机将大量外设模块整合到片内，非常适合单片系统的设计与开发。MSP430F250是该系列中一款较常用的产品，它的工作电压典型值为3.3V，最低电压可以低至1.8V。
3.2 外围电路模块设计
在实际烟叶的烘烤过程中，操作人员需要对烤窖内的温湿度信息进行设备，因此本系统还需要设计人机交互模块，主要可以分为电源模块、按键模块以及液晶显示模块三大部分。
3.3 数据采集模块设计
精确的温湿度控制是建立在精准的温湿度测量的基础上，因此提高烤窑内温湿度的测量精度至关重要。本系统采用美国模拟器件公司的AD590作为烤窑内的温度传感器，其作为IC化的温度感测器，能够将环境温度转换为数字电流。本系统中将AD590与一个5～30V的直流电源相连，并在输出端串接了一个1kΩ的恒值电阻，此时电阻上流过的电流将和环境温度成正比，环境温度每增加1℃，电阻两端电压增加1mV，即AD590输出电流增加1μA。
湿度的测量采用线性电压输出式集成湿度传感器HM1500，该传感器可靠性高、长期稳定性好，适用于3V～7V电压供电。采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造，带防护棒式封装，线性电压输出湿度传感器HM1500是用HS1101做成的电压输出模块，高可靠性与长期稳定性，在5VDC供电时，0～100%RH对应输出1～4VDC线性电压，温度依赖性非常低，采用三线制的连接，电路非常简单，引线的不同颜色分别为：白色为地线，蓝色为电源线，黄色为输出线。
3.4 执行机构模块设计
当烤烟窖内的湿度低于设定值时，需打开喷湿阀门，当湿度高于设定值时，则必须关闭喷湿阀门，此外，当需要加快窖内的气体流动时，要打开风机。这些操作需要控制继电器的闭合与断开。本系统采用电磁继电器作为喷湿阀门和风机的控制元件。由于控制节点上的微控制器MSP430的I/O口的输出电流较小，不能直接驱动继电器电路，需要加驱动电路。考虑到继电器可能会出现反向电压的现象，采用能耐高反向电压的三极管作为驱动元件，继电器选用12V的JZX-18F小型电磁继电器，最大工作电流为3A，具有体积小、动作迅速等特点。
在整个系统中，对电热丝进行控制是最为重要的部分，因为该部分设计的好坏与控制直接影响和关系到烟叶烘干的质量。电热丝的控制，笔者采取的是利用脉宽调制的方式通过对IGBT的通断进行控制，从而来对电热丝进行相应的通断控制的，经实验证明，通过借助于模糊PID模块的控制，从而可以达到对烘干窑内的温度能够起到一个非常控制好的效果。
4 模糊PID控制
模糊-PID控制是一种将PID控制以及模糊控制两种优点进行相互结合而成的控制器，通过对温度控制系统的具体研究，笔者发现，如果是在温度变化速度比较快的情况下可以直接利用PID来进行相应的控制，当温度进入到较为稳定的状态时，也就是指当实际的温度和先前所设定的温度值比较接近时，此时模糊控制便才起作用。
根据前面的介绍我们可以知道模糊PID控制比较适合温度控制的过程。模糊PID控制器是建立在常规的PIS控制器的基础上，根据反馈的偏差e和偏差的变化率ec对PID控制器进行实时修正，从而实现更优秀的控制。作为典型的温度控制系统，本系统也具有较大的滞后性和非线性等特点，因此采用模糊PID控制这种具有互补特性的控制机制可以很好的兼顾模糊控制和PID控制两者的优点，从而实现对系统的更好的控制。
5 总结
笔者通过对烟叶烘干技术的学习以及烟厂的实地调研，得到了烟叶烘干的相关技术资料，并针对温湿度对烟叶烘烤的影响进行了分析。结合实际的烟叶烘干工艺与设备，本文设计了一套基于MSP430F250单片机的烟叶烘干窑自动控制系统，利用模糊PID控制实现了烟叶烘干窑内温湿度的精准控制，大大提高了烟叶烘干的工艺水平。
参考文献
[1] 方平，张晓力.烟叶烤房温湿度自动控制仪的设计[J].电子技术应用，2014，30（7）：11-15.
[2] 刘涣军，刘向群.基于多片MSP430单片机数据采集系统的设计与开发[J].自动化技术与应用，2014（7）.
[3] 方爱平.基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现[D].杭州：浙江工业大学，2013.
[4] 韩俊峰，李玉惠等.模糊控制技术.重庆：重庆大学出版社，2013.
摘 要：长期以来，由于我国制烟过程中烘烤设备较为落后，导致烟农的劳动负担较大但生产效率低下，经济效益较差。针对我国制烟过程中烘烤设备存在的问题，同时根据对烟农等需求的实地调研，笔者设计了一套基于模糊控制理论的烟叶烘干窑自动控制系统，其能够通过温湿度传感器实时监测烘干窑内的温度与湿度，并根据预设的逻辑通过对电机和天窗的控制，实现烘干窑内温湿度的实时智能控制，同时将温湿度显示在液晶屏上，便于工作人员的操作。
关键词：烟叶烘干窑；模糊控制；温湿度值；智能控制
1 引言
传统的烟草烘干方式，是将待烘干的鲜烟叶放入相应的烘干设备，之后通过人工控制调节的方式实现设备温度湿度保持在一定范围内，以保证烟草的烘干质量。随着人们对制烟流程认识的不断加深，人们认识到烟叶烘干过程中温湿度的控制精度对烟草的质量有着重要的影响，同时随着信息技术的不断发展，人们开始利用自动控制方式代替传统的人工控制方式，大大提高了烟草烘干的质量。近年来，基于对烟草烘干过程的长期研究，研究人员已经得到了烟草烘烤的专家曲线，即烟草烘烤过程中的温湿度随时间变化的最佳曲线，因此为了进一步提高烟草烘干质量，设计一套烟叶烘干窑自动控制系统十分必要。
2 系统的总体结构设计
该烟叶烘干窑的自动控制系统的总体设计主要从硬件设计和软件设计这样两大部分来进行的。具体的总体设计结构框图如图1所示。
从总体结构框图我们可以看出整个系统是由微控制器模块、数据采集模块、执行机构模块以及外围电路模块这样几大部分所组成的。其中，根据系统所需完成的功能，外围电路模块主要包括电源模块、按键输入模块以及显示模块；数据采集模块主要包括温度采集和湿度采集这样两大部分；执行机构模块主要是由风机控制、发热管控制、换风挡板控制以及喷湿阀控制这样几大部分所组成。
3 控制系统硬件结构设计
本系統主要基于模糊控制理论，根据用户对温湿度的设定，实现烤烟窖内的温湿度的精确控制。通过对发热丝及喷湿阀的控制可以实现对温度与湿度的调节，同时通过对换气挡板和风机的控制，可以通过对窖内空气流动的调节，实现温湿度更精确的控制。在本系统的控制电路中，喷湿阀和风机采用继电器实现开关式的控制方式，发热丝采用IR2130驱动IGBT实现不同加热电流的控制，而换气挡板通过步进电机转到角度的控制实现挡板位置的调整。具体的总的硬件结构框图如图2所示。
3.1 微控制器模块设计
本系统中选用美国TI公司生产的超低功耗16位微处理芯片MSP430F250，MSP430系列的单片机将大量外设模块整合到片内，非常适合单片系统的设计与开发。MSP430F250是该系列中一款较常用的产品，它的工作电压典型值为3.3V，最低电压可以低至1.8V。
3.2 外围电路模块设计
在实际烟叶的烘烤过程中，操作人员需要对烤窖内的温湿度信息进行设备，因此本系统还需要设计人机交互模块，主要可以分为电源模块、按键模块以及液晶显示模块三大部分。
3.3 数据采集模块设计
精确的温湿度控制是建立在精准的温湿度测量的基础上，因此提高烤窑内温湿度的测量精度至关重要。本系统采用美国模拟器件公司的AD590作为烤窑内的温度传感器，其作为IC化的温度感测器，能够将环境温度转换为数字电流。本系统中将AD590与一个5～30V的直流电源相连，并在输出端串接了一个1kΩ的恒值电阻，此时电阻上流过的电流将和环境温度成正比，环境温度每增加1℃，电阻两端电压增加1mV，即AD590输出电流增加1μA。
湿度的测量采用线性电压输出式集成湿度传感器HM1500，该传感器可靠性高、长期稳定性好，适用于3V～7V电压供电。采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造，带防护棒式封装，线性电压输出湿度传感器HM1500是用HS1101做成的电压输出模块，高可靠性与长期稳定性，在5VDC供电时，0～100%RH对应输出1～4VDC线性电压，温度依赖性非常低，采用三线制的连接，电路非常简单，引线的不同颜色分别为：白色为地线，蓝色为电源线，黄色为输出线。
3.4 执行机构模块设计
当烤烟窖内的湿度低于设定值时，需打开喷湿阀门，当湿度高于设定值时，则必须关闭喷湿阀门，此外，当需要加快窖内的气体流动时，要打开风机。这些操作需要控制继电器的闭合与断开。本系统采用电磁继电器作为喷湿阀门和风机的控制元件。由于控制节点上的微控制器MSP430的I/O口的输出电流较小，不能直接驱动继电器电路，需要加驱动电路。考虑到继电器可能会出现反向电压的现象，采用能耐高反向电压的三极管作为驱动元件，继电器选用12V的JZX-18F小型电磁继电器，最大工作电流为3A，具有体积小、动作迅速等特点。
在整个系统中，对电热丝进行控制是最为重要的部分，因为该部分设计的好坏与控制直接影响和关系到烟叶烘干的质量。电热丝的控制，笔者采取的是利用脉宽调制的方式通过对IGBT的通断进行控制，从而来对电热丝进行相应的通断控制的，经实验证明，通过借助于模糊PID模块的控制，从而可以达到对烘干窑内的温度能够起到一个非常控制好的效果。
4 模糊PID控制
模糊-PID控制是一种将PID控制以及模糊控制两种优点进行相互结合而成的控制器，通过对温度控制系统的具体研究，笔者发现，如果是在温度变化速度比较快的情况下可以直接利用PID来进行相应的控制，当温度进入到较为稳定的状态时，也就是指当实际的温度和先前所设定的温度值比较接近时，此时模糊控制便才起作用。
根据前面的介绍我们可以知道模糊PID控制比较适合温度控制的过程。模糊PID控制器是建立在常规的PIS控制器的基础上，根据反馈的偏差e和偏差的变化率ec对PID控制器进行实时修正，从而实现更优秀的控制。作为典型的温度控制系统，本系统也具有较大的滞后性和非线性等特点，因此采用模糊PID控制这种具有互补特性的控制机制可以很好的兼顾模糊控制和PID控制两者的优点，从而实现对系统的更好的控制。
5 总结
笔者通过对烟叶烘干技术的学习以及烟厂的实地调研，得到了烟叶烘干的相关技术资料，并针对温湿度对烟叶烘烤的影响进行了分析。结合实际的烟叶烘干工艺与设备，本文设计了一套基于MSP430F250单片机的烟叶烘干窑自动控制系统，利用模糊PID控制实现了烟叶烘干窑内温湿度的精准控制，大大提高了烟叶烘干的工艺水平。
参考文献
[1] 方平，张晓力.烟叶烤房温湿度自动控制仪的设计[J].电子技术应用，2014，30（7）：11-15.
[2] 刘涣军，刘向群.基于多片MSP430单片机数据采集系统的设计与开发[J].自动化技术与应用，2014（7）.
[3] 方爱平.基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现[D].杭州：浙江工业大学，2013.
[4] 韩俊峰，李玉惠等.模糊控制技术.重庆：重庆大学出版社，2013.
