干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)產(chǎn)品干燥過程中，因干燥溫濕度控制不均勻?qū)е赂稍锲焚|(zhì)下降而影響干燥進(jìn)程。保證物料恒溫、恒
 
濕地完成干燥過程，對深入研究物料脫水機(jī)理及優(yōu)化改進(jìn)干燥設(shè)備有著十分重要的意義。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，G內(nèi)外很多高校和科研院所開始在干燥設(shè)備與技術(shù)方面展開研究，包括太陽能干燥、微
 
波干燥、紅外干燥、氣體射流沖擊干燥，以及熱風(fēng)干燥等干燥方式在農(nóng)產(chǎn)品干燥中應(yīng)用更加廣泛^{［1 － 6］}。
 
在實(shí)際生產(chǎn)和試驗過程中，普通干燥箱常常會遇到溫濕度不均勻的狀況，難以保證被干燥物料加熱過程中溫濕度的均勻性。為此，對干燥箱干燥過程中的溫濕度進(jìn)行精確控制顯得**關(guān)重要。單片機(jī)與 PLC
 
技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制過程中已經(jīng)得到了很好的_{應(yīng)用}［7 － 8］_。
 
本文基于單片機(jī)控制及 PLC 的 PID 控制設(shè)計了兩種溫濕度自動控制系統(tǒng)，其操作簡單、控制可靠且易于調(diào)節(jié)，能夠使干燥箱滿足精細(xì)化干燥的要求。
 
1 基于單片機(jī)的溫濕度自動控制系統(tǒng)
 
基于單片機(jī)的溫濕度自動控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度控制^［9］和農(nóng)產(chǎn)品倉儲溫濕度控制^［10］ 等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)*域已經(jīng)有所應(yīng)用。針對不同的控制對象，實(shí)現(xiàn)控制過程不同，硬件及軟件部分的設(shè)計思路和控制方案等均有著很大的區(qū)別。
1． 1 硬件部分設(shè)計
 
1． 1． 1 主要電路元件及電路設(shè)計
 
基于單片機(jī)的溫濕度自動控制系統(tǒng)主要由 1602
 
液晶顯示、溫濕度檢測、繼電器控制、蜂鳴器報警、溫
 
濕度，以及其上下限設(shè)定鍵、發(fā)光二極管、系統(tǒng)復(fù)位、外部晶振 ( 22． 1184MHz) 、系統(tǒng)供電及外部設(shè)備主電路等電路部分組成。其系統(tǒng)原理圖，如圖 1 所示。
 
控制系統(tǒng)以抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的 89C54ＲD
 
－ 50I 型單片機(jī)為核心。1602 液晶顯示器用來滿足顯示溫濕度當(dāng)前值、設(shè)定值及上下限設(shè)定值的要求。干
 
燥箱中的溫濕度通過 DHT11 溫濕度傳感器來實(shí)時測量，其內(nèi)部含有 A /D 轉(zhuǎn)換電路，使用單總線即可與控制器進(jìn)行通信?？刂破髋c DHT11 溫濕度傳感器建立連接關(guān)系后，即可讀出干燥箱當(dāng)前溫濕度值。選用有源蜂鳴器( B1) 和發(fā)光二極管( D1 － D6) 來完成干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)的報警工作環(huán)節(jié)。KA1、KA2、 KA3 為 5VDC 繼電器，KA4、KA5、KA6 為 24VDC 繼電器，實(shí)現(xiàn)用小電流來控制大電流。
 
為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，單片機(jī) I /O 口均添加了上拉電阻。在繼電器控制以及蜂鳴器報警電路中，單片機(jī) I /O 口輸出低電平信號時，信號經(jīng)限流電阻到達(dá)三極管( S8550) 基極，三極管導(dǎo)通，從而驅(qū)動蜂鳴器 ( P3． 7) 及 5VDC 繼電器開始動作( P2． 0 ～ P2． 2) 。溫
 
濕度設(shè)定鍵電路中使用了 8 個獨(dú)立按鈕( K1 ～ K8 ) 來滿足系統(tǒng)的控制要求。為方便及時了解干燥箱干燥過程中溫濕度情況，系統(tǒng)設(shè)有 4 個紅色的 LED 燈和 2
 
個綠色 LED 燈，紅色指示燈在溫濕度超越溫濕度上下

限范圍時變亮，干燥箱正常工作狀態(tài)下綠色指示燈始
終亮。
當(dāng)單片機(jī)輸出口( P3． 0 ～ P3． 5) 發(fā)出高電平信號
時，電流經(jīng)限流電阻來驅(qū)動發(fā)光二極管變亮。單片機(jī)
振蕩頻率由選用的的晶振決定，晶振起振頻率在單片
機(jī)可接受范圍內(nèi)越高，則系統(tǒng)的運(yùn)行速度越快。通過 AC220V 供電，經(jīng)開關(guān)電源得到 DC24V，然后經(jīng)穩(wěn)壓 IC( L7805 穩(wěn)壓集成電路) 及濾波電容來得到穩(wěn)定的 5VDC 電壓，以滿足單片機(jī)溫濕度自動控制系統(tǒng)的供 電需求。系統(tǒng)主電路如圖 2 所示。   該干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)的溫度、濕度的控 制精度分別為 ± 1℃ 和 ± 1% ＲH。

1． 1． 2  溫濕度自動控制過程

通過溫濕度及溫濕度上下限設(shè)定鍵來設(shè)定干燥物

料所需的溫濕度及其上下限。單片機(jī)周期循環(huán)地將

溫濕度實(shí)測值與設(shè)定值進(jìn)行比較，比較結(jié)果用來決定

輸出口的狀態(tài)。溫濕度控制過程存在有以下情況:

1) 當(dāng)實(shí)測溫度低于設(shè)定溫度下限時，KA1 開始動

作，KA1 的常開觸點(diǎn)閉合，KA4 線圈得電，KA4 的常開

觸點(diǎn)閉合，加熱元件開始加熱。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度

后停止加熱。

2) 當(dāng)實(shí)測溫度高于設(shè)定溫度上限時，KA2 開始動 作，KA2 的常開觸點(diǎn)閉合，KA5 線圈得電，KA5 的常開 觸點(diǎn)閉合，鼓風(fēng)裝置開始工作。當(dāng)溫度降到設(shè)定溫度 后停止鼓風(fēng)。 3) 當(dāng)實(shí)測濕度低于設(shè)定濕度下限時，KA3 開始動 作，KA3 的常開觸點(diǎn)閉合，KA6 線圈得電，KA6 的常開 觸點(diǎn)閉合，加濕裝置開始工作直到濕度達(dá)到設(shè)定濕 度。 4) 當(dāng)實(shí)測濕度高于設(shè)定濕度上限時，KA2 開始動 作，鼓風(fēng)裝置開始鼓風(fēng)。為防止?jié)駸峥諝饬魇?dǎo)致干 燥箱中的物料溫度下降過快，加熱元件間歇進(jìn)行加熱。   1． 2 軟件部分設(shè)計   本系統(tǒng)單片機(jī)程序使用 Keil uVision2 開發(fā)環(huán)境開發(fā)。程序采用 C 語言編寫。在開發(fā)環(huán)境中，程序設(shè)計完成后得到 HEX 文件，然后可通過下載軟件 STC_ISP _V480 將該 HEX 文件下載到單片機(jī)。   基于單片機(jī)干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)的程序主要有初始化程序、自定義 1602 液晶顯示系列函數(shù)、鍵   盤掃描處理程序、握手協(xié)議和單總線讀字節(jié)程序、溫   濕度比較與處理程序等組成。其中，溫濕度設(shè)定鍵每接通一次，對應(yīng)值就會作出相應(yīng)的改變; 溫濕度比較及處理程序?qū)?shí)測溫濕度與設(shè)定值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果做出相應(yīng)的輸出處理。單片機(jī) main 函數(shù)利   用以上各程序來完成系統(tǒng)的各項控制過程。溫度比較及相應(yīng)控制語句: if( T_H ＜ t － tc)   { P2_0 =1; P2_1 =1; P2_2 =0; P3_0 =0; P3_1 =0; P3_ 2 =1; P3_7 =0; } / / 加熱，紅燈亮報警   else if( T_H ＞ t + tc)   { P2_0 =1; P2_1 =0; P2_2 =1; P3_0 =1; P3_1 =0;   P3_2 =0; P3_7 =0; } / / 鼓風(fēng)，紅燈亮報警 else ( ( T_H ＞ t － tc) ＆＆( T_H ＜ t + tc) )   { P2_0 =1; P2_1 =1; P2_2 =1; P3_0 =0; P3_1 =1;   P3_2 =0; P3_7 =1; } / / 正常工作，綠燈亮其中，t 為設(shè)定溫度; s 為設(shè)定濕度; tc 為設(shè)定溫度誤差; sc 為設(shè)定濕度誤差。   利用單面噴錫**板將單片機(jī)及各元件焊接并調(diào)試，其實(shí)物圖如圖 3 所示。在從環(huán)境溫度升溫**設(shè)定溫度的過程中，干燥箱內(nèi)往往會產(chǎn)生“熱慣性”現(xiàn)象，即干燥箱內(nèi)的實(shí)際溫度大于設(shè)定溫度上限的現(xiàn)象。為減輕干燥箱的“熱慣性”現(xiàn)象對干燥過程產(chǎn)生的不利影響，系統(tǒng)可利用偏差信號作為反饋信號來控制加熱元件的加熱過程，可以實(shí)現(xiàn)干燥箱溫度在初期迅速升高，而接近設(shè)定溫度時能夠較平滑的過渡。當(dāng)干燥箱溫度實(shí)測值與設(shè)定值相差較大時，系統(tǒng)采用連續(xù)加熱方式; 當(dāng)實(shí)測溫度接近設(shè)定溫度時，采用間歇加熱方式。   2 基于 PLC 的溫濕度自動控制系統(tǒng)   鄒楊等人［11］將基于 PLC 設(shè)計的溫濕度自動控制系統(tǒng)在農(nóng)田環(huán)境溫濕度與光照檢測過程中展開應(yīng)用。吳曉強(qiáng)等人［12］利用 PLC 實(shí)現(xiàn)了茶葉加工生產(chǎn)過程中的溫濕度控制，大大提高了茶葉加工車間的生產(chǎn)效率。以下是本文基于 PLC 設(shè)計的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)。 2． 1 硬件部分設(shè)計   2． 1． 1 主要電路元件及電路設(shè)計   基于 PLC 的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)主要由   PLC、觸摸屏、溫濕度一體化傳感器、24VDC 開關(guān)電源及直流繼電器等元器件組成，其 I /O 接線圖如圖 4 所   示。選用可采集模擬信號的西門子 S7 － 200 系列   224XPCN 型 PLC、MCGS 系統(tǒng)觸摸屏。 溫濕度自動控制系統(tǒng)開始工作。圖 5 是基于 PLC 控 制的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)電氣原理圖。溫濕 度控制過程存在以下情況:   1) 當(dāng)干燥箱溫度高于、低于設(shè)定溫度時，與之相 對應(yīng)的溫度報警燈變亮，蜂鳴器報警。與此同時，PLC 分別發(fā)出鼓風(fēng)或加熱指令，鼓風(fēng)裝置或加熱元件開始 工作，使干燥溫度逐漸達(dá)到干燥要求。   2) 干燥時干燥箱中的濕度低于設(shè)定濕度下限時， 與之相對應(yīng)的濕度報警燈變亮，蜂鳴器開始報警; PLC 發(fā)出加濕指令，加濕裝置開始工作，使干燥過程中濕 度逐漸達(dá)到要求。   3) 干燥時，干燥箱中的濕度高于設(shè)定濕度上限 時，相應(yīng)濕度報警燈亮、蜂鳴器報警; PLC 同時發(fā)出鼓 風(fēng)和加熱指令，鼓風(fēng)裝置將高濕度的熱空氣帶走，同 時加熱元件間歇加熱，以盡可能接近于干燥過程中的 設(shè)定溫度。

單片機(jī)為核心，硬件結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展方便，經(jīng)濟(jì)性好。
試驗表明: 該控制系統(tǒng)具有靈敏度高、工作性能穩(wěn)定、
自動化程度高及熱慣性小等特點(diǎn)，完全達(dá)到設(shè)計要
求，具有很高的實(shí)用價值。
2) 基于 PLC 的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)，利用
PLC 的 PID 控制來消除干燥箱中溫濕度的穩(wěn)態(tài)誤差且
具有溫濕度調(diào)節(jié)的超前性，觸摸屏溫濕度曲線可以直
觀了解到干燥箱內(nèi)的溫濕度變化，能夠滿足干燥箱的
溫濕度均勻性要求。
3) 設(shè)計的兩種干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)為減
輕干燥箱在溫度控制過程中存在的  熱慣性  現(xiàn)象提
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供了技術(shù)參考。