基于51单片机的烤烟机温湿度自动控制系统设计.docx
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基于51单片机的烤烟机温湿度自动控制系统设计
本科毕业论文
论文题目基于51单片机的烤烟机温湿度
自动控制系统设计
摘要
单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到了温湿度检测和温湿度控制。
随着温湿度控制器应用范围的日益广泛和多样性,各种适用于不同场合的智能温湿度控制器应运而生。
介绍了基于89C51单片机的烤烟房温湿度测控系统软硬件的设计,整个系统由数据采集、数据调理、单片机和控制部分组成,模拟烤烟房的温度曲线进行控制。
本设计使用SHT11温湿度控制器检测温度和湿度,经过单片机处理后,驱动继电器及喇叭,并作出相关显示,采用该测控系统准确地检测烤烟房内的温湿度数有效地自动控制烤烟房内的温湿度,提高了烤烟房内的控制水平和烟叶的烘烤质量。
说明书分硬件部分和软件部分进行阐述,并附以原理图和流程图。
关键词:
单片机;仓库;SHT11
ABSTRACT
MCUintheapplicationofelectronicproductshasbecomeincreasinglywidespreadinmanyelectronicproductsarealsousedfordetectionandcontroloftemperatureandhumidity.withthetemperatureandhumiditycontrolleroftheincreasinglywiderangeofapplicationsanddiversityofallkindsfordifferentoccasionscomeintobeingintelligenttemperaturecontroller.
Thispaperpresentsasystemformeasuringandcontrolthetemperatureandhumidityintheflue—curingbarn.thesystemiscomposedofasinglechipmicrocomputer89C51,thetemperatureandthehumiditysensorSHT11.thisdesignasathermistortemperatureandhumiditymeasurementdevices,andthenconvertedthroughSHT11,aftersingle-chipprocessing,relayandhorn-driven,andtomaketherelevantshow.Itimprovetheleveloftobaccoandtobaccocontrolroomofthebakingquality.Manualhardwareandsoftwaresub-partof,togetherwithaschematicdiagramandflowchart.
Keywords:
Single-chip;Flue-curedTobacco;SHT11
1绪论
11.本课题研究背景及目的
研究背景:
烟草行业是一个高税收行业,06年国的税收为2900亿元;人们将它称之为“暴利行业”,因为是国家垄断。
同时又是国家管制很严的行业,截至2006年底,全国具有法人资格的卷烟工业企业已调整减少为31家,全行业17家省级公司中的11家已完成与所属卷烟企业的合并重组。
90年代初期,国家烟草专卖局烟叶公司在着力解决烟叶营养不良、发育不全取得明显成效的基础上,开始重点解决烟叶烘烤制约烟叶内在品质和外观质量这一技术瓶颈。
1992年,中国烟叶生产购销公司在郑州市组织召开了全国烟叶烘烤技术研讨会,之后,组织开展了烤烟三段式烘烤应用理论与技术研究,在一定范围内进行了三段式烘烤技术示范,取得了很好的效果,1997年国家烟草专卖局烟叶公司把烤烟三段式烘烤及配套技术作为重点新技术应用推广项目在全国组织推广。
三段式烘烤的应用技术基础
多年来,对我国烟叶香吃味和外观质量同津巴布韦、巴西等国家相比有较大差异的分析认为,除了土壤、气候等环境因素,以及品种、栽培管理等主要生产措施外,烘烤有着十分重要的作用。
而且,烟叶成熟度、烘烤工艺技术、烘烤设备等烘烤因素存在问题极其普遍,在一些烟区还比较严重,无一不制约烟叶品质和效益。
研究目的:
设计一个应用于三段式烤烟工艺的具有低成本、工作可靠和操作方便等特点的智能温湿度控制系统,为企业提供一个温湿度控制解决方案,增强我国烟草行业在国际上的竞争,促进我国烟草行业的发展。
1.2三段式烘烤技术要求
成熟度是烟叶质量的基础和中心。
研究和生产实践认为,烟叶成熟度有两个含义:
一个是采收烟叶成熟度,即田间生长发育和物质转化达到的成熟度;一个是烤后烟叶成熟度,即烘烤过程的物质转化达到分级要求的成熟度。
所以,烟叶成熟度的本质都是紧紧围绕着最终烟叶品质和可用性进行充分而完善的物质转化。
烟叶成熟度问题具体表现在下部叶轻飘,单叶重小,上部叶和较厚的烟叶背面偏白和正面与背面反差大的突出。
需要更新烟叶成熟度的观念,尽快扭转下部叶过熟、中部叶采生、上部叶采青的局面,做到下部叶适时早收,中部叶成熟稳收,上部叶充分成熟采收,顶叶4~6片集中一次采收。
要坚持把成熟度作为烤烟生产全过程的技术中心,烟叶生产的全部操作过程都要紧紧围绕和满足烟叶最终真正长熟、养熟。
烟叶成熟的标志,除了一般的外观特征外,以烟叶烘烤变黄时间确认。
下部成熟叶变黄时间为60~72h,中部叶为48~60h,上部叶为36~48h。
只有首先扭转烟叶成熟度的观念,才可能保证烤后烟叶内在品质得到明显改善,达到内在品质与外观质量统一。
根据附录A“烤烟采收烘烤技术规范”,工艺要求如下:
1.变黄期:
关闭天地窗,点火以后以1℃/h的速度升到起点34~36℃封火,保证干湿差1~2℃,留10厘米左右的火眼;1小时后进行第二次封火,留有3厘米的火眼,做到有火无苗,使底棚烟叶烟尖烟缘变黄,叶片出汗,再按每小时升1℃至38~40℃,干湿差1~4℃充分延长时间,使烟叶进一步变黄。
充分凋萎,这是主要变黄期,待烟叶柔软塌膀,变黄九成以后,升至42~43℃保温保湿。
当二棚烟叶达到基本全黄充分塌架,烟筋变软,再按每小时1℃升至45℃,干湿差为6~7℃逐开天地窗,适当通风排湿转入定色期。
此期应注意的问题:
(1)36~38℃变黄时间不宜太长,防止烟叶养分消耗过多形成挂灰。
(2)上部烟含水量少,干物质多,此期多注意烤房内温度,当房内温度够时,应往房内洒水补湿(火炉、火管上面不能洒水)。
(3)排湿要循序渐进,不盲目排湿,排湿中应加大火力,防止掉温形成挂灰。
2.定色期:
加大火力,保持温度不下降,且升温不宜太快,保持湿球稳定,天窗开完后,现逐步开大地洞,以1℃/h升至46℃,湿球37~39℃,必要时从46~48℃顿火延长时间,使烟筋变黄,烟叶勾尖卷边至小卷筒50℃时,叶片干燥三分之二小卷筒黄叶黄筋之后以1℃/2h左右升至54℃湿球39~40℃维持16小时以后,使二棚烟叶全干至大卷筒,全房黄筋黄叶顶棚亮行(小卷筒以上)转入干筋期。
此期应注意的问题:
(1)烟叶干燥达不到2/3以上,干球不能赶过50℃,干球达到52~53℃要及时稳温、湿球不能过早升至41℃,否则致香物质难以形成;
(2)防止出现高温高湿出现蒸片;(3)在45~50℃之间防止湿球温度过低(少于37℃)导致回青;(4)不能急升温或掉温形成挂灰。
3.干筋期:
升温速度1℃/h左右,至68℃,最高不能超过70℃,湿球42~43℃。
湿球若偏低,先关风洞,关完后再关天窗,当中间棚次少数烟叶主脉2-3厘米未干时,可停火。
此期注意的问题:
(1)升温不宜过快,60℃前顶棚必须大卷筒。
(2)干球超过68℃,湿球不超过43℃防止香气受损,但湿温低于41℃,烟叶色淡,不鲜亮。
(3)不能降温以防洇筋洇片。
(4)停火时,天窗稍留缝隙,以防闷红。
(5)注意安全生产防落叶、防发生火灾。
烟叶烘烤是十分复杂的过程,虽然基本原理相同,但因烟叶品种、性质不同,烟叶烘烤特性就不同,再加上外界环境及烘烤设备上的差异,这就需要在生产实践中灵活运用。
(
通过对烘烤环境温度、湿度、时间调控,实现对烟叶水分动态和物质转化的协调,达到最终将烟叶烤黄、烤干、烤香的统一,这就是三段式烘烤技术的核心,也是烟叶烘烤的根本目的。
根据对烟叶在烘烤中变黄、变香和非正常情况下发生棕色化反应变褐的化学和生物化学过程及其与水分动态、烤房温湿度关系的研究结果,认为三段式烘烤技术的关键点如下。
1、低温变黄,黄干协调
即要求烟叶在比较低的温度下达到比较高的变黄程度。
烟叶变黄阶段起始温度32~34℃,大量变黄温度35~38℃,完成变黄温度38~42℃。
烟叶在变黄阶段失水量为30%左右,达到叶片发软。
若烟叶黄变和干燥其中之一达不到要求即必须采取保温保湿变黄或排湿脱水的措施并延长时间。
2、适速升温定色
在46~48℃以前以平均1℃/3h的速度升温,之后以平均1℃/2h的速度升温边升温边排湿定色。
当烤房温度达到54℃后需稳定较长时间(12h以上),使淀粉彻底水解,糖分和致香物大量形成和积累。
我国不少上部叶和较厚的叶片,正面呈黄色,背面黄白色明显,其叶内淀粉含量较高,若在54℃左右给予比较多的时间,这种现象会得到改善,烟叶香吃味也会因此得到增进提高。
3、重视湿球温度
即依鲜烟叶的素质状况确定和控制烘烤各阶段的湿球温度指标,并以湿球温度高低作为烧火和通风排湿的主要技术依据。
一般变黄阶段控制干湿球温度差1~4℃,定色阶段控制湿球温度37~40℃,干筋阶段控制湿球温度40~43℃以下。
4、允许烘烤技术指标必要时作调整
由于我国烟叶生长的气候、土壤等环境条件的多样性,以及不同品种、部位等,鲜烟叶素质存在人为不能抗御的差异,烘烤技术也必须服从于具体鲜烟叶的质量潜能,才可能最大限度地反映其品质和可用性本质。
因此,在实施三段式烘烤中,允许对上述主要指标在一定范围内作某些必要的调整。
(
1.3本课题研究方法与内容
本课题涉及到实际生产工艺过程,由于条件所限制及时间紧迫,未能够到生产现场进行实地考查与研究,因此,在本次课题的研究方法上,尚欠一定的科学性与实用性。
但通过阅读一些专业的相关数据资料,结合本专业知识,尽量做到对产有指导性的作用。
本课题的研究内容主要是包括三段式烤烟工艺技术要求、温湿度测控理论以及智能温湿度控制系统设计。
通过对三段式烤烟工艺的充分认识,了解常用温湿度测控技术方法,结合本专业的控制理论知识,设计出一个应用于三段式烤烟工艺的具有成本低、工作可靠和操作方便的智能温度控制系统,实现对烤烟工艺中干球温湿度曲线的测控[1]。
2温度测控理论
2.1温度和湿度的定义
温度:
度量物体冷热的物理量,是国际单位制中7个基本物理量之一。
在生产和科学研究中,许多物理现象和化学过程都是在一定的温度下进行的人们的生活也和他密切相关。
湿度:
湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。
对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等。
日常生活中最常用的表示湿度的物理量使空气的相对湿度。
用%RH表示。
在物理量的导出上相对湿度与温度有着密切的关系。
一定体积的密闭气体,其温度越高相对湿度越低,温度越低,其相对湿度越高。
其中涉及到复杂的热力工程学知识。
有关湿度的一些定义:
相对湿度:
在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”。
日常生活中所指的适度为相对湿度,用RH%表示。
总之,即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸汽压)的百分比。
什么叫传感器[3]?
从广义上讲,传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置;简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。
温度传感器是最早开发,应用最广的一类传感器。
温度传感器,使用范围广,数量多,居各种传感器之首。
2.2温度传感器
智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU);并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
2.3湿度传感器
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境湿度进行测量及控制。
但在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。
用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。
这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多,温度是个独立的被测量,而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。
此外,湿度的标准也是一个难题。
国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。
近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件,也将湿度测量技术提高到新的水平。
单片智能化温度/温度传感器
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器,其外形尺寸仅为7.6(mm)×5(mm)×2.5(mm),体积与火柴头相近。
出厂前,每只传感器都在温度室中做过精密标准,标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。
它们不仅能准确测量相对温度,还能测量温度和露点。
测量相对温度的范围是0~100%,分辨力达0.03%RH,最高精度为±2%RH。
测量温度的范围是-40℃~123.8℃,分辨力为0.01℃。
测量露点的精度
3温湿度控制系统的设计
3.1系统分析
据“烤烟采收烘烤技术规范”(见附录A),结合本专业的知识设计,分析设计一个温湿度控制系统,拟对烤烟加工过程中对温湿度进行控制,另据不同时段、不同状态对过程实施实时监控。
3.1.1生产工艺要求
据对“烤烟采收烘烤技术规范”(见附录A)的分析,对温控系统达到的技术要求如下:
1、可在任一工艺曲线中工作;
2、温度控制精度与显示均为0.5度;
3、鼓风机作为执行机构,当温度低于设定温度时,开鼓风机;否则,关闭;
4、通风机作为执行机构,当湿度高于设定湿度时,开通风机;否则,关闭;
5、当温度超设定上限警戒温度时,报警与处理。
3.1.2智能温度控制系统功能需求分析
该智能温控系统应具以下功能:
1、实时输出控制功能;
2、具有实时温湿度显示功能;
3、具有超温报警功能和处理功能。
3.2系统方案设计
由上一节的功能需求分析,该系统包括几个功能模块;
主控制器、键盘输入、显示、温度检测、数据转换、控制输出驱动以及报警
处理。
系统的原理框图:
图3.1系统结构框图
3.3硬件部分的选用
3.3.1主控制器
由于本系统工作计算量不大,实时控制要求的速度不高,该系统的输入输出线也不过,程序也不是很大,可以选用MCS-51系统常用的AT89C51单片机[2][4][6]作为主控制器。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的电压、高性能CMOS8位单片机,片内集成4KB的可反复擦写的只读程序存储器(EEPROM)和128bytes随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCSE-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51主要性能参数:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
图3.2AT89C51实体图及引脚图
AT89C51端口引脚功能如下表:
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
3.3.2温湿度检测元件
1、SHT11简介
SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。
该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域[3][7][8][9]。
共主要特点如下:
高度集成,将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上;
提供二线数字串行接口SCK和DATA,接口简单,支持CRC传输校验,传输可靠性高;
测量精度可编程调节,内置A/D转换器(分辨率为8~12位,可以通过对芯片内部寄存器编程米选择);
测量精确度高,由于同时集成温湿度传感器,可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能;
封装尺寸超小(7.62mm×5.08mm×2.5mm),测量和通信结束后,自动转入低功耗模式;
高可靠性,采用CMOSens工艺,测量时可将感测头完全浸于水中。
2、SHT11的引脚功能
SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式,接口非常简单,引脚名称及排列顺序如图1所示。
各引脚的功能如下:
脚1和4——信号地和电源,其工作电压范围是2.4~5.5V;
脚2和脚3——二线串行数字接口,其中DA-TA为数据线,SCK为时钟线;
脚5~8——未连接。
3、SHT11的内部结构和工作原理
温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上,其内部结构如图2所示。
该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。
这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号,该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大;然后进入一个14位的A/D转换器;最后经过二线串行数字接口输出数字信号。
SHT11在出厂前,都会在恒湿或恒温环境中进行校准,校准系数存储在校准寄存器中;在测量过程中,校准系数会自动校准来自传感器的信号。
此外,SHT11内部还集成了一个加热元件,加热元件接通后可以将SHT11的温度升高5℃左右,同时功耗也会有所增加。
此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值,可以综合验证两个传感器元件的性能。
在高湿(#gt;95%RH)环境中,加热传感器可预防传感器结露,同时缩短响应时间,提高精度。
加热后SHT11温度升高、相对湿度降低,较加热前,测量值会略有差异。
微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。
通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的,因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。
微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的,命令代码的含义如表1所列。
4、SHT11应用设计[10]
微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信,所以硬件接门设计非常简单;然而,通信协议是芯片厂家自己定义的,所以在软件设计中,需要用微处理器通用I/O口模拟通信协议。
4.1硬件设计
SHT11通过二线数字串行接口来访问,所以硬件接口电路非常简单。
需要注意的地方是:
DATA数据线需要外接上拉电阻,时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步,由于接口包含了完全静态逻辑,所以对SCK最低频率没有要求;当工作电压高于4.5V时,SCK频率最高为10MHz,而当工作电压低于4.5V时,SCK最高频率则为1MHz。
硬件连接如图3所示。
4.2软件设计
微处理器和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA,其中SCK为时钟线,DATA为数据线。
该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。
在程序开始,微处理器需要用一组“启动传输”时序表示数据传输的启动,如图4所示。
当SCK时钟为高电平时,DATA翻转为低电平;紧接着SCK变为低电平,随后又变为高电平;在SCK时钟为高电平时,DATA再次翻转为高电平。
SHT11湿度测试时序如图5所示。
其中,阴影部分为SHT11控制总线。
主机发出启动命令,随后发出一个后续8位命令码,该命令码包含3个地址位(芯片设定地址为000)和5个命令位;发送完该命令码,将DATA总线设为输入状态等待SHT11的响应;SHT11接收到上述地址和命令码后,在第8个时钟下降沿,将DATA下拉为低电平作为从机的ACK;在第9个时钟下降沿之后,从机释放DATA(恢复高电平)总线;释放总线后,从机开始测量当前湿度,测量结束后,再次将DATA总线拉为低电平;主机检测到DATA总线被拉低后,得知湿度测量已经结束,给出SCK时钟信号;从机在第8个时钟下降沿,先输出高字节数据;在第9个时钟下降沿,主机将DATA总线拉低作为ACK信号。
然后释放总线DATA;在随后8个SCK周期下降沿,从机发出低字节数据;接下来的SCK下降沿,主机再次将DATA总线拉低作为接收数据的ACK信号;最后8个SCK下降沿从机发出CRC校验数据,主机不予应答(NACK)则表示测量结束。
由于微处理器通过二线串行数字接口访问湿度传感器SHT11,而访问协议是芯片生产商白定义的,所以需要用通用I/O口模拟该通信协议。
我们选用Atmel公司的微处理器ATmega128。
通过对I/O口寄存器的编程,该处理器的I/O口可以根据需要设置成输入、输出、高阻等状态。
这为模拟该通信协议提供了条件。
在软件实现过程巾,通过宏定义来实现I/O口状态的改变。
通过以上宏定义,可以实现SCK和DATA总线的各种输入和输出状态。
为了模拟该二线串行数字协议,还需要一个延时函数。
WINAVR库函数提供了一个延时函数_delay_loop_2(unsignedchars),该延时函数运行用4个时钟周期,所以自定义延时1μs函数可以定义如下:
基于以上宏定义和延时函数,可以方便地使SCK和DATA总线输出持续一定时间的高电平或低电平,从而可以模拟图5所示的温湿度传感器SHT11的读写协议。
4.3温度和湿度值的计算
4.3.1湿度线性补偿和温度补偿
SHT11可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。
该湿度值称为“相对湿度”,需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。
由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性,因此为了补偿湿度传感器的非线性,可按下式修正湿度值:
式中:
RHlinear为经过线性补偿后的湿度值,SORH为相对湿度测量值,C1、C2、C3为线性补偿系数,取值如表2所列。
由于温度对湿度的影响十分明显,而实际温度和测试参考温度25℃有所不同,所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。
补偿公式如下:
式中:
RHtrue为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值,T为测试湿度值时的温度(℃
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