高精度數(shù)字溫度傳感器在煙葉烤房溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　摘要：基于高精度DSl820型數(shù)字溫度傳感器的煙葉烤房溫度控制儀，在單片機(jī)平臺(tái)下，使用溫度模糊控制。本控制
　　儀使烤房?jī)?nèi)的溫度精確地按照煙葉最佳生化控制曲線而變化，從而提高了烤房?jī)?nèi)溫濕度的控制精度和烤煙質(zhì)量。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)字溫度傳感器；溫度控制；模糊控制；單片機(jī)；煙葉烤房
　　中圖分類號(hào)：TP212　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　文章編號(hào)：1009－2374(2009)12－0042－02
　　
　　近年來，隨著我國(guó)煙葉生產(chǎn)水平的提高，煙葉烘烤過程成為制約煙葉質(zhì)量的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的人工長(zhǎng)期監(jiān)守、利用干濕球玻璃溫度計(jì)采集數(shù)據(jù)的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作規(guī)程復(fù)雜，與現(xiàn)代化的烤房設(shè)施不相適應(yīng)。目前推廣應(yīng)用的許多智能煙葉烤房監(jiān)測(cè)儀多采用電阻式溫度傳感器，測(cè)量精度低，需要MD轉(zhuǎn)換，電路復(fù)雜，離散性大，溫度反應(yīng)緩慢，即使之后的控制方法設(shè)計(jì)的非常科學(xué)和嚴(yán)密，也會(huì)受到傳感器的影響。為此，設(shè)計(jì)的煙葉烤房控制儀采用DSl820型數(shù)字式溫度傳感器作為溫度采集單元，較好地解決了上述問題。
　　
　　一、烘烤工藝溫度控制要求
　　
　　煙葉成熟采摘后必須經(jīng)過烘烤加工才能制成工業(yè)用煙。這個(gè)烘烤過程一般需要幾十個(gè)小時(shí)，完全由人工控制烤房燃燒室的火候并監(jiān)測(cè)烤房溫度，所以煙農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度很大，而且不能精確控制烤房?jī)?nèi)的溫濕度，也不能對(duì)烤程精確計(jì)時(shí)，使烤出的煙葉工業(yè)利用率較低。煙葉初烤過程中，烤房?jī)?nèi)溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和有效控制是烘烤的核心和煙葉質(zhì)量的根本保證。目前，廣大煙區(qū)已廣泛推廣煙葉初烤的“三段式烘烤工藝”，該工藝分為變黃階段，定色階段，干筋階段。
　　
　　在本溫度控制系統(tǒng)中采用DS1820型數(shù)字式溫度傳感器作為采集溫度的裝置。根據(jù)三段式煙葉烘烤曲線，把35％到43％定為烘烤變黃階段，三段式煙葉烘烤過程的第一階段為變黃期，第二階段為定色期，第三階段為烘干期。各階段中對(duì)烤房的溫度要求如圖1所示。第一階段，烤房從環(huán)境溫度開始以每小時(shí)1℃的速率升溫，當(dāng)溫度升至36℃—38℃時(shí)轉(zhuǎn)為恒溫，直至80％左右數(shù)量的煙葉達(dá)到變黃要求；第二階段緩慢升溫定色，前半段溫度每小時(shí)上升0.5℃，升至42℃。
　　
　　二、DS1820的結(jié)構(gòu)、測(cè)量原理與精度
　　
　　(一)DS1820的結(jié)構(gòu)
　　DS1820是由Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)潔且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可使用戶輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，DS1820的測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃的范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度可直接通過“一線總線”以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DSl820適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，非常合適在煙葉烤房中使用。它工作在3V～5.5V的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。其全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。與其它溫度傳感器相比，DS1820具有以下特性：
　　1　獨(dú)特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS1820的雙向通訊。
　　2　DS1820支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS1820可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。
　　3　DS1820在使用中不需要任何外圍元件。
　　4　溫范圍-55℃～+125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃。
　　5　測(cè)量結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送。
　　
　　(二)DS1820測(cè)溫原理
　　低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55％所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。在正常測(cè)溫情況下，DS1820的測(cè)溫分辯率為0.5℃以9位數(shù)據(jù)格式表示，其中最低有效位(LSB)由比較器進(jìn)行0.25％比較，當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于0.25％時(shí)，清除溫度寄存器的最低位(LSB)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后高于0.25％，置位溫度寄存器的最低位(LSB)。
　　
　　(三)DS1820的精度
　　DSl820內(nèi)部暫存寄存器的其中第7字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時(shí)計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值，第8字節(jié)存放的是每度所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，這樣，我們就可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果。首先，用DSl820提供的讀暫存寄存器指令(BEH)讀出以0.5℃為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位(LSB)，得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分T整數(shù)，然后，再用BEH指令讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值M剩余和每度計(jì)數(shù)值M每度，考慮到DSl820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以0.25％、0.75％為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度T實(shí)際可用下式計(jì)算得到：T實(shí)際＝(T整數(shù)-0.25％)+(M每度-M剩余)，M每度。
　　
　　三、模糊控制器的設(shè)計(jì)
　　
　　為了提高模糊控制器的適應(yīng)能力，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了一種帶有修正因子的控制算法，可描述為：u=[aE+(1－a)×c]，a∈(0，1)，其中a稱作修正因子，調(diào)整修正因子a，相當(dāng)于改變了控制規(guī)則的特性。結(jié)合模糊映射算法，就可產(chǎn)生多層控制規(guī)則。對(duì)控制規(guī)則進(jìn)行分級(jí)管理，就形成了自適應(yīng)分層模糊控制器。由于模糊控制器的硬件結(jié)構(gòu)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，為了節(jié)約內(nèi)存和運(yùn)行時(shí)間，實(shí)際控制過程中不進(jìn)行實(shí)時(shí)推理，而是離線計(jì)算出輸入、輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并以表格的形式存儲(chǔ)于單片機(jī)的內(nèi)存中，單片機(jī)根據(jù)實(shí)測(cè)輸入值查詢表格，得到相應(yīng)的輸出值。根據(jù)煙葉烘烤中變黃、定色和干筋的需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多層控制規(guī)則，以細(xì)化烘烤工藝流程，便于單片機(jī)對(duì)烘烤過程進(jìn)行高效及時(shí)的對(duì)應(yīng)管理和控制，從而保證烘烤效果的最佳實(shí)現(xiàn)。
　　
　　四、系統(tǒng)組成及工作原理
　　
　　烤房控制系統(tǒng)主要有4部分組成：微處理器、溫濕度檢測(cè)電路、控制輸出電路和人機(jī)接口電路。由溫濕度傳感器檢測(cè)烤房上下棚溫濕度傳送至微處理器，處理器根據(jù)實(shí)際溫濕度與設(shè)定溫濕度比較經(jīng)過智能PID運(yùn)算得到相應(yīng)輸出量，由步進(jìn)電機(jī)A控制控火門的開度來控制溫度(也可以使用鼓風(fēng)機(jī)控制溫度，該情況通過調(diào)解鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)溫度控制)；由步進(jìn)電機(jī)B控制風(fēng)門的開度來控制濕度，同時(shí)根據(jù)上下棚溫差決定是否開啟循環(huán)風(fēng)機(jī)。LCD用來顯示運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)時(shí)溫度

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