基于AT89C52單片機和A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計智能紫菜烤箱干濕溫度控制裝置

1 、引言

紫菜又稱海苔，是味道鮮美營養(yǎng)豐富的食用海藻，一種天然的綠色保健食品。紫菜產(chǎn)品的生產(chǎn)過程主要包括3個階段：原藻生產(chǎn)、一次加工和二次加工（即調(diào)味紫菜加工）。調(diào)味紫菜加工的核心是將經(jīng)一次加工的干紫菜制成可直接食用的紫菜食品。因此，烤箱的干濕溫度控制是關(guān)鍵。

烤箱分前烤和后烤兩部分，前烤主要是將一次加工的干紫菜烤熟，后烤的目的是去除加味后紫菜表面的水分，使紫菜耐貯存。后烤的工藝要求是根據(jù)紫菜的品種確定并控制升溫段、保溫段的干濕溫度（干溫是指烤箱中的空氣溫度；濕溫是指烤箱內(nèi)的紫菜加調(diào)味后的水分溫度）。烤箱中，筆者采用石英電加熱管，在每根電加熱管上加裝了不銹鋼反射罩，以保證烤箱內(nèi)溫度場的均勻一致，避免使紫菜未烤或烤焦。為了達(dá)到去濕的目的，在每節(jié)烤箱上設(shè)計了排濕煙囪，通過風(fēng)門調(diào)節(jié)排濕量大小，啟閉回風(fēng)門（用于排濕，控制濕溫）、進(jìn)風(fēng)門（控制干溫）。由于紫菜在烘烤中影響烤箱內(nèi)干濕溫度的因素較多，并且隨機變化，無法建立數(shù)學(xué)模型，使常規(guī)的人工控制方法難以達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)，為此開發(fā)了調(diào)味紫菜智能干濕溫度控制裝置?；緦崿F(xiàn)了調(diào)味紫菜烘烤過程中干濕溫度的自動控制，烘烤工藝可隨機改變，有良好的推廣價值。

2 、設(shè)計方案

實際表明，在紫菜烘烤過程中，不論什么品種的紫菜，其溫升段的升溫速率以l℃/30 min為最佳，而保溫的溫度及時間要根據(jù)紫菜的具體情況來定。若能控制烤箱內(nèi)的干、濕溫度在其烘烤理想溫度的l℃以內(nèi)，烘烤質(zhì)量就有可靠保證。根據(jù)使用要求，紫菜烘烤升溫段設(shè)置其升溫速率為l℃/30 min，為了適應(yīng)不同紫菜的烘烤，設(shè)置干溫的理想曲線如圖1所示，由人工按鍵將溫度設(shè)定在37℃～70℃范圍內(nèi)控溫檔位設(shè)置為6檔，當(dāng)初始設(shè)為①檔時，則從起烤溫度到37℃的升溫速率為1℃/30 min，且在任意時刻的理想溫度就確定了，溫度升至37℃時，自動進(jìn)入保溫控制狀態(tài)，保溫時間到下次檔位設(shè)定；若第二次設(shè)定為④檔時，則從37℃“48℃以1℃/30min升溫，升到48℃時又自動進(jìn)入保溫狀態(tài)，其他檔位依次類推。當(dāng)使用時停電后再次來電時，由當(dāng)前烤箱中的實際溫度到設(shè)定檔位溫度按上述規(guī)律繼續(xù)工作。

控制濕溫是保證烘烤質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，為了適應(yīng)不同品種的紫菜，在37℃”42℃溫度范圍內(nèi)控溫檔位設(shè)為6檔，濕溫控制區(qū)曲線如圖2所示。檔位設(shè)定和控制規(guī)律與干濕類似。

3 、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的硬件部分由主機、傳感器和執(zhí)行部件組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂蒲b置精度要求為0.5級，根據(jù)控制功能需要，本系統(tǒng)選用AT89C52作為CPU。AT89C52是一款低功耗、高性能片內(nèi)8 KB快速可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器，與80C51的指令系統(tǒng)及引腳兼容，使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次。A/D轉(zhuǎn)換器選用美國TI公司的TLC1549 CMOS 10位A/D轉(zhuǎn)換器，該器件分辨率為8位，總的非調(diào)整誤差為l LSB，輸出電平與TTL兼容，單電源+5 V供電，模擬量輸入范圍為0V～5 V。

本系統(tǒng)具有3個輸出通道，1個報警電路，利用蜂鳴器報警；2個驅(qū)動電路分別控制電動執(zhí)行器的正、反轉(zhuǎn)。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，驅(qū)動電路采用交流固態(tài)繼電器。溫度檔位設(shè)定采用BCD碼撥盤，利用P1.O～P1.3作為數(shù)值輸入，操作方便。溫度顯示采用LCD顯示。為了不再擴(kuò)展并行接口，利用串行口的移位寄存器功能，擴(kuò)展三位靜態(tài)顯示LCD接口電路。P1.7作為輸出控制，當(dāng)P1.7=1時允許串行口輸出數(shù)據(jù)給移位寄存器，否則，顯示內(nèi)容不變。

根據(jù)測量和控制精度要求，本系統(tǒng)選擇了PtlO熱電阻作為溫度傳感器。Ptl0測溫范圍O℃～100℃，具有精度高、線性度好、靈敏度高等特性，且價格適中，能滿足系統(tǒng)的技術(shù)要求。

為了提高溫度測量精度，在設(shè)計硬件時，采取3方面的措施：

（1）測量中傳感器的連接采用新的三線制方法，補償由導(dǎo)線引起的誤差；

（2）選用0P07作為運算放大電路；

（3）測量電路采用恒流源供電。執(zhí)行部件由電動執(zhí)行器、進(jìn)風(fēng)門和回風(fēng)門組成。兩個電動執(zhí)行器分別驅(qū)動進(jìn)風(fēng)門、回風(fēng)門，實現(xiàn)烤箱內(nèi)干、濕溫度的調(diào)節(jié)。電動執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速很低（90/90 s），能正反轉(zhuǎn)并能在任意角度停止，最大轉(zhuǎn)角為90，其輸出可與風(fēng)門的轉(zhuǎn)軸直接相連，安裝使用方便。

4 、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由溫度檢測模塊、溫度顯示模塊、溫度設(shè)定模塊和溫度控制模塊組成。系統(tǒng)主程序和主控程序如圖4和圖5所示。

溫度檢測程序的功能是連續(xù)7次A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在3BH開始的單元中，然后進(jìn)行數(shù)字濾波，得到的終值存于33H單元。A/D轉(zhuǎn)換采用查詢方式。溫度設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)保溫溫度的設(shè)定和任意時刻理想溫度的計算。例如設(shè)設(shè)定溫度為To，任意時刻理想溫度為T01。對于干溫，若第一次設(shè)定為①檔，若第二次設(shè)定為②檔，設(shè)定②檔時到當(dāng)前的時間是t，則To=40℃，當(dāng)前的理想溫度T0l=37℃+t/l800℃。保溫控制程序流程如圖6所示。

溫度控制模塊實現(xiàn)對烘烤過程中干、濕溫度的控制及超限報警。溫度的高低受進(jìn)風(fēng)門（干溫）、回風(fēng)門（濕溫）打開的角度控制，由于影響烤箱內(nèi)溫度變化因素的復(fù)雜性以及溫度反應(yīng)的滯后，系統(tǒng)采用了智能程序設(shè)計，由計算機自動記錄滯后時間△t，使由升溫段進(jìn)入保溫段之前執(zhí)行器提前△t時間開始動作，保證了溫度過沖不超過To0.5℃，從而保證了1℃的控制精度。升溫控制程序流程如圖7所示，電動執(zhí)行器每次動作時間為5 s，風(fēng)門每次開或關(guān)5并自動停在理想位置，最大限度地減小了烤箱內(nèi)的溫度波動。當(dāng)自動控制失效時，系統(tǒng)報警。

5 、結(jié)束語

根據(jù)上述設(shè)計方案，筆者已經(jīng)研制出調(diào)味紫菜干濕溫度控制裝置，并在江蘇省連云港恒福食品有限公司進(jìn)行調(diào)味紫菜加工運行試驗，運行情況良好。同時，在硬件上增加了手動/自動轉(zhuǎn)換功能，軟件上增添了抗干擾措施，使裝置工作更可靠、穩(wěn)定。具有較好的推廣應(yīng)用價值。