给定曲线的远红外烘干微机控制系统研究

qimingxing

摘要：研制了远红外烘干微机控制系统。该系统采用PC 机作为上位机，运用可视化编程语言VB6.0设计出友好的人机操作环境，整个系统能按照操作人员在PC 机上绘制出的干燥工艺曲线进行干燥作业,实现干燥过程的自动控制，从而可减少寻找最佳干燥工艺曲线的时间及人力与物力。系统还具有数据动态显示和自动存储等功能。经现场使用表明，该系统工作稳定可靠、操作简单方便，确保了物质烘干质量的提高。
    关键词：远红外线；温度控制；微机控制系统

引言
    众所周知，干燥技术是食品储藏和改善品质不可缺少的单元操作之一，是人类有史以来一直利用的食品加工技术。干燥方法包括最原始的自然干燥法以及利用外来热量的热风干燥法、喷雾干燥法、薄膜干燥法及冷冻干燥法等多种方法。远红外线加热干燥法是一种以辐射为主的新型干燥方法，它利用加热元件所发出的红外线照射到被加热物体上，其热能以电磁波的形式被物体分子均匀吸收，从而引起物质分子的激烈振动，达到加热干燥的目的。与传统的干燥方法相比，具有热效率高、控温简便、干燥质量好、节约能源、环境污染小等突出优点，因而被广泛应用于食品、医药、轻工和化工等行业。
    远红外烘干微机控制系统由上位机PC 和下位机（单片机）PIC 两大部分构成，系统结构如图1 所示。铂电阻测温采用恒流源电路，单片机主要完成数据采集、串行通信、远红外管和排热风机控制四大功能，上位机负责数据处理（如PID 调节）、数据存储（包括数据查询、数据管理和数据显示等）、系统故障或事故报警以及现场动态图形显示等。
1 干燥箱结构
    干燥箱分三层，各层之间敷设筛网，用于放置物料。为了使物料吸收热量一致、干燥均匀，左右两侧对称安放远红外管。箱体背面下方设一进风口，排热风机通电时便可以形成气流，降低箱内温度。铂电阻温度传感器放置于箱顶，并避开进风口，以保证在A/D 采样时减小气流对采样的影响。同时，箱体顶部配置风机，在烘干过程中进一步均匀箱内的温度。单片机的I/O 口通过光耦和驱动电路连接到可控硅的控制端，由可控硅控制远红外管和风机的启停。
2 下位机设计
2.1 系统硬件设计
    控制系统硬件由测温电路、微处理器及接口、执行元件等组成。该系统是一个闭环控制系统，其核心是铂电阻测温电路的设计。铂电阻温度传感器是一种利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，具有测量精度高、测量范围宽、复现性和稳定性好等优点。本系统测温采用恒流源电路，如图2 所示。为了提高A/D 转换精度，+5V 电源由精密基准电源提供，电路工作时由于流经铂电阻Pt 和电阻R3 的电流I 大小恒定，因此通过单片机模拟输入通道检测铂电阻两端电压U 0 便可求出其阻值的大小，进而求出该时刻的温度值。改变R1 和R2的阻值可调节测温范围。为了消除铂电阻阻值和温度之间的非线性特性，进一步提高温度测量的精度，本系统引入与检测技术直接相关的数据处理算法，即采用软件查表的方法对铂电阻进行分阶段线性化处理，得出各温度点对应的A/D 转换值，实现了电路中各参数的自适应调整选取，在尽可能提高分辨率的情况下使设计的电路在给定的温度范围各点的分辨率近似相等，同时减小了铂电阻测温电路的非线性误差。
   

                               
登录/注册后可看大图

   

                               
登录/注册后可看大图

2.2 系统软件
    下位机的控制芯片采用Microchip 公司的中档产品Pic16F877A 单片机，该芯片采用14 位RISC指令系统，内部集成了10 位多通道模数转换器（A/D）、I2C 和SPI 串行总线接口、异步串行通信（USART）接口等丰富的外围功能模块，被广泛用于工业控制、智能化仪器仪表、汽车电子等领域[1]。在本系统中，单片机先进行片内相关模块的初始化，在接收到上位机的启动命令后便能使数据接收中断，并按照上位机设定的采样时间间隔循环进行数据采集。数字滤波采用算术平均值滤波法，每个循环A/D 转换8 次，取其平均值作为某一时刻的输出，然后通过RS485 总线以异步串行通信方式将数据传输至PC 机。在中断处理程序中，单片机接收PC 机发送的控制参数，通过实时改变远红外管和排热风机的通电和断电时间来调整其平均功率的大小，从而实现对温度的自动控制。
3 上位机设计
3.1 PID 控制算法的建立
    由于温度是大惯性对象，信号滞后性较大，因此必须对温度实行一定的控制。温度控制是一种反馈控制，根据温度传感器检测到的控制现场的温度值，与目标值进行比较，通过一定的算法，自动修正并控制各执行机构的动作。目前，自动控制理论中除常规的PID 控制算法外，又出现了诸如模糊控制、神经网络控制和灰色控制等，本系统采用数字PID 调节控制。其算法为[2]：
   

                               
登录/注册后可看大图

    要实现对温度的PID 控制，首先要根据控制对象找出合适的控制参数，即比例系数KP、积分时间常数Ti、微分时间常数Td 和采样周期T 的值。系统参数整定采用暂态响应法，该方法是根据系统在单位阶跃响应时，升温的最陡斜率N 和系统延迟时间Tc 与PID 各参数的简化关系得到的，参数关系如下：Kp=1.2Tc/N ，Ti=2Tc ，Td=0.5Tc
    以上参数的经验值为：Kp=160～500，Ti= 180～600，Td= 30～180。本系统的采样时间间隔设定为20 s，即单片机每隔20 s 向PC 机发送一次数据，PC机根据PID 计算得到的控制量确定控制参数并将此参数通过串行口发送至单片机。
3.2 基于VB6.0 的上位机监控系统设计
    本系统采用PC 机作为上位机监控系统。由于计算机对数据处理简便快捷，因此，系统的大部分数据处理都在上位机完成。然后将控制参数经串口发送至控制单片机。同时运用Microsoft 公司开发的可视化编程语言Visual Basic6.0 设计出良好的人机操作环境，建立了基于VB6.0 的PC 机实时监控系统，系统主界面如图3 所示。
   

                               
登录/注册后可看大图

    系统启动后，首先由用户选择干燥方式，可调用已有的干燥曲线，也可采用手工绘制干燥曲线或输入表格数据的方式，将物质干燥各个阶段需要维持的温度和时间输入计算机自控系统，存入相关的数据库。同时绘制出控制目标曲线，以便用户将此曲线与实时曲线进行对比。在干燥过程中，通过对温度传感器的检测，经过数字滤波得到温度值，并与用户设定的温度值进行PID 调节控制，得到控制量，控制远红外管和排热风机的通电和断电时间。干燥工艺程序全部结束后，由PC 机自动发送停止信号，切断远红外管和排热风机电源，并通过扬声器通知用户。在整个烘干过程中，计算机自动存储和实时显示当前的工作参数，并绘制出“时间—温
度”动态曲线。
4 实验结果分析
    基于给定干燥曲线的远红外烘干微机控制系统分别以稻谷和红薯等为对象进行实验。温度跟踪误差如图4 所示。实验测量表明，采用远红外烘干方式，干燥室内温度场均匀，干制品质量好，有效的提高了经济效益，而且操作方便，省工省时，具有一定的应用价值。
   

                               
登录/注册后可看大图

参考文献：
[1] 李学海.PIC 单片机使用教程[M].北京：航空航天大学出版社，2002.
[2] 苗秀敏，朱金均.计算机控制系统及应用[M].北京：科学技术出版社，1995：92～104.
[3] 胥芳, 张立彬, 王俊.全自动远红外烘干机微机控制系统的研究[J].农业工程学报，1997，13（2）：177～180.