An Effective and Low Cost Dryer Equipment of Farming based on SCM
摘要: 现代食品加工技术的一个重要要求是同时保持食品的营养和色香味,而干燥时的测控系统的选择以及控制方法对食品产品的营养、色香味有很大影响。本系统的测控系统由上下位机实现,下位机采用MCS-51单片机,实现对设备环境参数的处理、控制和与上位机的通讯。上位机软件由VB6.0程序实现,完成环境数据的存储、图表显示、在线监测控制与最终数据的分析处理,建立知识库已供查询等功能。
关键字：干燥控制;上下位机测控系统;MCS-51

Abstract: As a part of a food process, drying must satisfy the fundamental requirements of food production. These includes nutritional and sensorial aspects, traceability and food safety, and also minimizing processes losses, saving energy and water, reducing risks of pollution, etc. The software of on-line measurement and intelligent prediction control of the drying process has functions of input of the initial parameters of the food, system setup, running and controlling, data inquiring, output and help, and so on. It makes use of a database to manage data measuring, displays all the mentioned parameters and their changing trend synchronously. It can trace back the history data inquired and print a report for manager.
Keywords: Drying Control; Single Chip and PC Controller; MCS-51
1 引言
在我国干燥加工在加工业中所占比例不断上升,特别是在农产品加工方面。由于农产品产后易腐烂变质,干制加工则能较好地解决了这个问题。本文对温度、湿度、重量等状态参数进行微机控制和在线数据分析,研制智能化干燥试验机。以期在节能和提高产品质量方面实现创新,并为各种农产品干制试验和分析提供多功能的试验装置。
2 系统功能设计
本系统共设4个检测点:2路温度(0-80℃ ), 1路湿度(0-100%), 1路重量,而且要求可扩展如增加键位,增加控制口。功能要求:
(1) 实时控制与检测每个参数;
(2) 允许用户进行多方位的设置,并存储设置值,交互性强;
(3) 要求具有自诊断实时检测各通道是否正常,并做数据纠错的自动处理的功能;
(4) 具有较快速平滑的控制能力
3 系统硬件设计
本系统由上位机PC和下位机MCS-51通过RS-232串行总线连接而成，如图1所示。考虑到干燥初始设置是一种较为依赖经验的过程，PC上位机采用三种方式确定干燥时间和干燥温度期望值：1.由用户自行设定，可供经验丰富的操作员和在特殊粮食干燥条件下使用；2.系统查询经验数据库，找出和粮食类型，重量等条件匹配的结果，经验数据库可自行扩充；3.根据环境数据，通过特定的干燥数学模型计算出所需时间和加热装置期望温度。这种方式必须配备温度传感器和湿度传感器，成本高，但自动化水平高，可酌情采用。
  上位机在完成干燥初始化后，将干燥时间和温度期望值传给单片机MCS-51，进入PID调节反馈环。采用PID模糊控制技术,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。增量式PID算法的输出量为 

            
式中  分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。偏差值由期望值和反馈值之差得到。单片机根据PID公式输出量决定PWM（脉冲宽度调制）方波的占空比，并将此结果传送给PWM信号发生电路。加热电路受到PWM信号控制确定其加热功率。现场与期望温度的偏差大则PWM占空比大，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与期望值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至实测值与期望值相等，达到闭环PID控制的目的。PID控制克服了惯性温度误差，提高了控制精度，同时起到了节能的作用。
 
图1带有PID反馈调节的干燥系统结构图
3.1 前端传感器输入通道
前端传感器输入通道实现将各路传感器信号通过数据采集卡传送至PC机，它由1路温度、1路湿度、1路氧含量、与1路重量转换电路组成。
1．温度转换电路
2路温度传感器采用MAX6610, MAX6610是一种全新的低功耗、精密型、模拟型温度传感器,带有集成的电压基准。该器件所提供的基准电压和温度斜率使ADC的输出编码非常简便直观。一个8位ADC的最低有效位(LSB)等于1℃,而一个10位ADC的LSB等于0. 25℃。这些器件采用小巧的SOT23封装。MAX6610采用一种专有设计实现了低温度偏差的基准源。工作于3V至5.5V,含有一个2.560V的电压基准。MAX6610输出线性关系好。
2 .湿度转换电路
相对湿度传感器采用HIH-3602-L。它具有6针T0-39金属封装、精度2%、200uA驱动电流、30秒快速反应的特点。可抵御氯气、氨水和其他有机溶剂的蒸汽和凝结液体,线性的电压输出可使传感器直接与控制器等相连,无需维修和标定。
3 重量转换电路
重量传感器量程为0-3000g。因为用串口8位AD无法满足系统的精度要求,而12位以上的A/D转换器的价格较昂贵,所以本系统用V/F变换器LM331来代替A/D转换器。LMx31系列器件是一种性能价格比较高的集成芯片,很适于用做A/D转换器、精密频率/电压转换器等其它功能电路。LM331外围电路简单、可单电源供电、低功耗的集成电路。其动态范围宽达100dB,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性度,数字分辨率达12位。LM331可工作在4.0V~40V之间,输出可高达40V,而且可以防止Vcc短路。

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