高精度数字温度传感器在烟叶烤房温度控制系统中的应用

　　摘要：基于高精度DSl820型数字温度传感器的烟叶烤房温度控制仪，在单片机平台下，使用温度模糊控制。本控制
　　仪使烤房内的温度精确地按照烟叶最佳生化控制曲线而变化，从而提高了烤房内温湿度的控制精度和烤烟质量。
　　关键词：数字温度传感器；温度控制；模糊控制；单片机；烟叶烤房
　　中图分类号：TP212　文献标识码：A　文章编号：1009－2374(2009)12－0042－02
　　
　　近年来，随着我国烟叶生产水平的提高，烟叶烘烤过程成为制约烟叶质量的关键因素。传统的人工长期监守、利用干湿球玻璃温度计采集数据的方式，劳动强度大，操作规程复杂，与现代化的烤房设施不相适应。目前推广应用的许多智能烟叶烤房监测仪多采用电阻式温度传感器，测量精度低，需要MD转换，电路复杂，离散性大，温度反应缓慢，即使之后的控制方法设计的非常科学和严密，也会受到传感器的影响。为此，设计的烟叶烤房控制仪采用DSl820型数字式温度传感器作为温度采集单元，较好地解决了上述问题。
　　
　　一、烘烤工艺温度控制要求
　　
　　烟叶成熟采摘后必须经过烘烤加工才能制成工业用烟。这个烘烤过程一般需要几十个小时，完全由人工控制烤房燃烧室的火候并监测烤房温度，所以烟农劳动强度很大，而且不能精确控制烤房内的温湿度，也不能对烤程精确计时，使烤出的烟叶工业利用率较低。烟叶初烤过程中，烤房内温度的准确测量和有效控制是烘烤的核心和烟叶质量的根本保证。目前，广大烟区已广泛推广烟叶初烤的“三段式烘烤工艺”，该工艺分为变黄阶段，定色阶段，干筋阶段。
　　
　　在本温度控制系统中采用DS1820型数字式温度传感器作为采集温度的装置。根据三段式烟叶烘烤曲线，把35％到43％定为烘烤变黄阶段，三段式烟叶烘烤过程的第一阶段为变黄期，第二阶段为定色期，第三阶段为烘干期。各阶段中对烤房的温度要求如图1所示。第一阶段，烤房从环境温度开始以每小时1℃的速率升温，当温度升至36℃—38℃时转为恒温，直至80％左右数量的烟叶达到变黄要求；第二阶段缓慢升温定色，前半段温度每小时上升0.5℃，升至42℃。
　　
　　二、DS1820的结构、测量原理与精度
　　
　　(一)DS1820的结构
　　DS1820是由Dallas半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，DS1820的测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃的范围内，精度为±0.5℃，现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DSl820适合于恶劣环境的现场温度测量，非常合适在烟叶烤房中使用。它工作在3V～5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。其全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性：
　　1　独特的单线接口方式，DS1820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。
　　2　DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。
　　3　DS1820在使用中不需要任何外围元件。
　　4　温范围-55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。
　　5　测量结果以9位数字量方式串行传送。
　　
　　(二)DS1820测温原理
　　低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55％所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。在正常测温情况下，DS1820的测温分辩率为0.5℃以9位数据格式表示，其中最低有效位(LSB)由比较器进行0.25％比较，当计数器1中的余值转化成温度后低于0.25％时，清除温度寄存器的最低位(LSB)，当计数器1中的余值转化成温度后高于0.25％，置位温度寄存器的最低位(LSB)。
　　
　　(三)DS1820的精度
　　DSl820内部暂存寄存器的其中第7字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值，第8字节存放的是每度所对应的计数值，这样，我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果。首先，用DSl820提供的读暂存寄存器指令(BEH)读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(LSB)，得到所测实际温度整数部分T整数，然后，再用BEH指令读取计数器1的计数剩余值M剩余和每度计数值M每度，考虑到DSl820测量温度的整数部分以0.25％、0.75％为进位界限的关系，实际温度T实际可用下式计算得到：T实际＝(T整数-0.25％)+(M每度-M剩余)，M每度。
　　
　　三、模糊控制器的设计
　　
　　为了提高模糊控制器的适应能力，本系统的设计采用了一种带有修正因子的控制算法，可描述为：u=[aE+(1－a)×c]，a∈(0，1)，其中a称作修正因子，调整修正因子a，相当于改变了控制规则的特性。结合模糊映射算法，就可产生多层控制规则。对控制规则进行分级管理，就形成了自适应分层模糊控制器。由于模糊控制器的硬件结构采用单片机来实现，为了节约内存和运行时间，实际控制过程中不进行实时推理，而是离线计算出输入、输出的对应关系，并以表格的形式存储于单片机的内存中，单片机根据实测输入值查询表格，得到相应的输出值。根据烟叶烘烤中变黄、定色和干筋的需要，本系统设计了多层控制规则，以细化烘烤工艺流程，便于单片机对烘烤过程进行高效及时的对应管理和控制，从而保证烘烤效果的最佳实现。
　　
　　四、系统组成及工作原理
　　
　　烤房控制系统主要有4部分组成：微处理器、温湿度检测电路、控制输出电路和人机接口电路。由温湿度传感器检测烤房上下棚温湿度传送至微处理器，处理器根据实际温湿度与设定温湿度比较经过智能PID运算得到相应输出量，由步进电机A控制控火门的开度来控制温度(也可以使用鼓风机控制温度，该情况通过调解鼓风机转速实现温度控制)；由步进电机B控制风门的开度来控制湿度，同时根据上下棚温差决定是否开启循环风机。LCD用来显示运行状态及实时温度

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