干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)設計

文永雙，王士軍，魏忠彩，程　琳，楊澤原，趙　達

(山東理工大學 a.機械工程學院;b.農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博　255091)

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干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)設計

文永雙a，王士軍a，魏忠彩b，程琳a，楊澤原a，趙達a

(山東理工大學 a.機械工程學院;b.農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博255091)

摘要：針對干燥箱溫濕度控制不均勻而易造成干制品品質下降、影響干燥速率等問題，分別基于單片機控制、PLC控制設計了兩種溫濕度自動控制系統(tǒng)。單片機或PLC可以實現(xiàn)對干燥箱中的加熱元件、加濕裝置及鼓風裝置的自動控制，以滿足物料干燥所需要求。這兩種自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對干燥箱的溫濕度的實時控制、智能控制，且工作可靠、反應靈敏、調試試驗效果較好。該研究為減輕干燥箱在溫度控制過程中存在的“熱慣性”現(xiàn)象提供了技術參考。

關鍵詞：干燥；溫濕度；單片機；PLC；自動控制系統(tǒng)

0引言

農產品干燥過程中，因干燥溫濕度控制不均勻導致干燥品質下降而影響干燥進程。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理及優(yōu)化改進干燥設備有著十分重要的意義。近年來，隨著農業(yè)機械化的發(fā)展，國內外很多高校和科研院所開始在干燥設備與技術方面展開研究，包括太陽能干燥、微波干燥、紅外干燥、氣體射流沖擊干燥，以及熱風干燥等干燥方式在農產品干燥中應用更加廣泛[1-6]。

在實際生產和試驗過程中，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行精確控制顯得至關重要。單片機與PLC技術在現(xiàn)代工業(yè)生產控制過程中已經得到了很好的應用[7-8]。

本文基于單片機控制及PLC的PID控制設計了兩種溫濕度自動控制系統(tǒng)，其操作簡單、控制可靠且易于調節(jié)，能夠使干燥箱滿足精細化干燥的要求。

1基于單片機的溫濕度自動控制系統(tǒng)

基于單片機的溫濕度自動控制系統(tǒng)在農業(yè)溫室大棚溫濕度控制[9]和農產品倉儲溫濕度控制[10]等農業(yè)生產領域已經有所應用。針對不同的控制對象，實現(xiàn)控制過程不同，硬件及軟件部分的設計思路和控制方案等均有著很大的區(qū)別。

1.1　硬件部分設計

1.1.1主要電路元件及電路設計

基于單片機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，以及其上下限設定鍵、發(fā)光二極管、系統(tǒng)復位、外部晶振(22.1184MHz)、系統(tǒng)供電及外部設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、性能穩(wěn)定的89C54RD-50I型單片機為核心。1602液晶顯示器用來滿足顯示溫濕度當前值、設定值及上下限設定值的要求。干燥箱中的溫濕度通過DHT11溫濕度傳感器來實時測量，其內部含有A/D轉換電路，使用單總線即可與控制器進行通信。控制器與DHT11溫濕度傳感器建立連接關系后，即可讀出干燥箱當前溫濕度值。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I/O口輸出低電平信號時，信號經限流電阻到達三極管(S8550)基極，三極管導通，從而驅動蜂鳴器(P3.7)及5VDC繼電器開始動作(P2.0~P2.2)。溫濕度設定鍵電路中使用了8個獨立按鈕(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。

當單片機輸出口(P3.0~P3.5)發(fā)出高電平信號時，電流經限流電阻來驅動發(fā)光二極管變亮。單片機振蕩頻率由選用的的晶振決定，晶振起振頻率在單片機可接受范圍內越高，則系統(tǒng)的運行速度越快。通過AC220V供電，經開關電源得到DC24V，然后經穩(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。

圖1　單片機溫濕度控制系統(tǒng)原理圖

圖2　基于單片機的溫濕度自動控制系統(tǒng)主電路圖

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定鍵來設定干燥物料所需的溫濕度及其上下限。單片機周期循環(huán)地將溫濕度實測值與設定值進行比較，比較結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)當實測溫度低于設定溫度下限時，KA1開始動作，KA1的常開觸點閉合，KA4線圈得電，KA4的常開觸點閉合，加熱元件開始加熱。當溫度達到設定溫度后停止加熱。

2)當實測溫度高于設定溫度上限時，KA2開始動作，KA2的常開觸點閉合，KA5線圈得電，KA5的常開觸點閉合，鼓風裝置開始工作。當溫度降到設定溫度后停止鼓風。

3)當實測濕度低于設定濕度下限時，KA3開始動作，KA3的常開觸點閉合，KA6線圈得電，KA6的常開觸點閉合，加濕裝置開始工作直到濕度達到設定濕度。

4)當實測濕度高于設定濕度上限時，KA2開始動作，鼓風裝置開始鼓風。為防止?jié)駸峥諝饬魇е赂稍锵渲械奈锪蠝囟认陆颠^快，加熱元件間歇進行加熱。

1.2　軟件部分設計

本系統(tǒng)單片機程序使用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。

基于單片機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，溫濕度設定鍵每接通一次，對應值就會作出相應的改變；溫濕度比較及處理程序將實測溫濕度與設定值進行比較，并根據比較結果做出相應的輸出處理。單片機main函數(shù)利用以上各程序來完成系統(tǒng)的各項控制過程。

溫度比較及相應控制語句：

if(T_H

{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，紅燈亮報警

else ((T_H>t-tc)&&( T_H

{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為設定溫度；s為設定濕度；tc為設定溫度誤差；sc為設定濕度誤差。

利用單面噴錫萬能板將單片機及各元件焊接并調試，其實物圖如圖3所示。

1.24VDC繼電器　2.5VDC繼電器　3.穩(wěn)壓IC　4.液晶顯示屏

在從環(huán)境溫度升溫至設定溫度的過程中，干燥箱內往往會產生“熱慣性”現(xiàn)象，即干燥箱內的實際溫度大于設定溫度上限的現(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，可以實現(xiàn)干燥箱溫度在初期迅速升高，而接近設定溫度時能夠較平滑的過渡。當干燥箱溫度實測值與設定值相差較大時，系統(tǒng)采用連續(xù)加熱方式；當實測溫度接近設定溫度時，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設計的溫濕度自動控制系統(tǒng)在農田環(huán)境溫濕度與光照檢測過程中展開應用。吳曉強等人[12]利用PLC實現(xiàn)了茶葉加工生產過程中的溫濕度控制，大大提高了茶葉加工車間的生產效率。以下是本文基于PLC設計的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)。

2.1　硬件部分設計

2.1.1主要電路元件及電路設計

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。

圖4　PLC的I/O接線圖

2.1.2溫濕度自動控制過程

物料干燥之前，通過觸摸屏設置干燥箱溫濕度及其上下限，觸摸屏與PLC之間實時通信、數(shù)據更新、即時顯示溫濕度數(shù)值及曲線，溫濕度一體化傳感器用來測定干燥箱中的溫濕度。溫濕度達到設定的上限值時，蜂鳴器報警，與此同時PLC控制直流繼電器接通、交流接觸器工作，實現(xiàn)對干燥箱中的加熱元件、加濕裝置及鼓風裝置的控制。

電源經斷路器Q1和熔斷器FU1給干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)供電，紅色電源指示燈變亮；啟動按鈕SB1按下后，接觸器KM1產生自鎖，綠色指示燈變亮，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)當干燥箱溫度高于、低于設定溫度時，與之相對應的溫度報警燈變亮，蜂鳴器報警。與此同時，PLC分別發(fā)出鼓風或加熱指令，鼓風裝置或加熱元件開始工作，使干燥溫度逐漸達到干燥要求。

2)干燥時干燥箱中的濕度低于設定濕度下限時，與之相對應的濕度報警燈變亮，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到要求。

3)干燥時，干燥箱中的濕度高于設定濕度上限時，相應濕度報警燈亮、蜂鳴器報警；PLC同時發(fā)出鼓風和加熱指令，鼓風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定溫度。

圖5　基于PLC控制的溫濕度自動控制系統(tǒng)電氣原理圖

2.2　軟件部分設計

2.2.1觸摸屏人機界面設計

按照MCGSE組態(tài)環(huán)境來進行觸摸屏界面的設計環(huán)節(jié)，其主界面主要包括：溫濕度實測值、溫濕度設定輸入框、溫濕度及其上下限設定輸入框、溫濕度實時變化曲線圖、自動控制開關及溫濕度上下限指示燈。當自動控制開關接通時，溫濕度自動控制系統(tǒng)可根據傳感器采集信息、設定參數(shù)利用PID算法自動調節(jié)干燥箱中溫濕度；當自動控制開關斷開時，主界面則只能顯示溫濕度值及其變化曲線。設計的觸摸屏界面如圖6所示。

圖6　觸摸屏人機界面

2.2.2PLC程序設計

溫濕度自動控制系統(tǒng)是在STEP7 MicroWIN開發(fā)環(huán)境下進行PLC程序的編寫環(huán)節(jié)，使用PID控制指令來調整干燥箱中的溫濕度。PLC利用溫濕度實測值、溫濕度設定值及PID參數(shù)，周期性執(zhí)行PID運算及相關程序，來實現(xiàn)對干燥箱中溫濕度的PID控制和其他功能?；赑LC的溫度濕度自動控制系統(tǒng)的PID控制回路參數(shù)表如表1所示。

表1　PLC溫濕度PID控制參數(shù)表

Mn=Kc(SPn-PVn)+KcTs/Ti(SPn-PVn)+Mx+KcTd/Ts(PVn-1-PVn)。

通過編寫PLC控制程序，利用設計的程序指令也可以減輕干燥箱初始升溫過程中存在的“熱慣性”現(xiàn)象。

3結論

1)基于單片機的干燥箱溫濕度自動控制系統(tǒng)以單片機為核心，硬件結構簡單，擴展方便，經濟性好。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，完全達到設計要求，具有很高的實用價值。

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的溫濕度變化，能夠滿足干燥箱的溫濕度均勻性要求。

3)設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)象提供了技術參考。

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Design of Automatic Control System of Temperature and Humidity in Dryer

Wen Yongshuanga, Wang Shijuna, Wei Zhongcaib, Cheng Lina, Yang Zeyuana, Zhao Daa

(a.School of Mechanical Engineering；b.School Agricultural and Food Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091, China)

Abstract：The reduction in dry product quality and drying rate were easy to be controlled by the temperature and humidity of the dryer. Two kinds of temperature and humidity automatic control system based on single chip microcomputer control and PLC were designed. Single chip microcomputer or PLC could realize the automatic control of the heating element, the humidifying device and the blower device to meet the requirements of the material drying. These could realize the real-time control and the intelligent control of the temperature and humidity, and having the characteristics of work reliability, response sensitivity and the debugging test results being better. Meanwhile, it also provided the technical reference for reducing the "thermal inertia" phenomenon in the process of temperature control.

Key words：dry; temperature and humidity; single chip microcomputer; PLC; automatic control system

中圖分類號：S226.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0250-05

作者簡介：文永雙(1987-)，男，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail)535698663@qq.com。通訊作者：王士軍(1969-)，男，山東菏澤人，副教授，(E-mail) Wsjwang2008@126.com。

基金項目：山東省技術創(chuàng)新項目(201320113013)

收稿日期：2015-08-21