基于MSP430的智能烤煙房控制系統(tǒng)

薛承佳 萬立浩 肖文俊 楊永超

【摘要】以MSP430單片機為控制核心，對烤煙房的溫濕度數(shù)據(jù)進行實時采集和處理，并采用帶有遺傳算法參數(shù)整定的PID算法對烤煙房的溫濕度進行控制，使其能夠快速地跟隨設定的科學烘烤曲線上。測試結果表明，可以提高烘烤質量，具有很好的實用參考價值。

【關鍵詞】MSP430；遺傳算法；PID；GSM；智能型烤煙房

引言

長期以來，煙草行業(yè)一直都是我國的納稅大戶，而且基本與國家財政稅收保持同步增長。所以，提高烘烤質量對國家經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定有著積極作用。

煙葉烘烤對煙草品質的影響最大。近幾年，我國幾個產煙省在技術引進、消化和吸收的基礎上結合實際生產情況，推出一系列成型烤房。如云南推出了QJ系列烤房。采用微型電腦控制進煤、升溫、穩(wěn)溫、排濕自控系統(tǒng)[1]。通過對烤煙房的不斷改進，提高了煙草品質，對推動國民經濟穩(wěn)步發(fā)展有著深刻的影響。

1.三段式烘烤工藝的基本要求

三段式煙葉烘烤烤技術在不同的階段對烤房的溫、濕度狀況以及溫濕度變化速率的要求都不一樣，而且要求比較嚴格，所以對系統(tǒng)要求較高。這些是很難人為把握的，需要有經驗的煙農蹲守、監(jiān)視烤房狀態(tài)。即使如此，烤房狀態(tài)也不一定滿足三段式烘烤曲要求。所以，研制智能型烤房系統(tǒng)有十分可觀的經濟意義。

2.控制系統(tǒng)的構成

系統(tǒng)以MSP430F149為控制核心，利用其優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理能力對采集的數(shù)據(jù)進行處理。通過采集奇數(shù)個傳感器反饋的信息由控制算法來控制電機來調節(jié)烤煙房的溫濕度，實現(xiàn)三段五步式烘烤過程，也避免傳感器故障的錯誤數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的影響?？緹煼康臓顟B(tài)信息可以通過GSM模塊來顯示和修改。用戶可以通過手機來獲得和修改烤房的烘烤參數(shù)，以應付一些特殊情況。

2.1 干濕球傳感器的干濕球系數(shù)校正

干濕球測濕法技術已很成熟， 具有性能穩(wěn)定可靠、維護性好、成本低的特點。被廣泛應用在生產實踐中。但存在在高溫環(huán)境下測量誤差大的缺點，系統(tǒng)采用校正干濕球系數(shù)的方法來提高了測量的精度[3]。校正后的空氣相對濕度為：

v為空氣流速，E為濕球溫度對應的飽和水氣壓（hPa）；P為大氣壓；t為干球溫度；tw為濕球溫度；ew為干球溫度下的飽和水氣壓（hPa）。

2.2 鉑熱電阻Pt100溫度數(shù)據(jù)的處理

由于鉑在溫度、物理、化學特性上的穩(wěn)定性，被廣泛應用在溫度測量領域。但在使用的過程中需要進行標定，否則會使鉑熱電阻測量的溫度數(shù)據(jù)不精確。

對于Pt100溫度傳感器，其電阻值和溫度在正溫度范圍內有以下關系：

R（t）=R（0）×（1+At+Bt2）

式中：t為溫度（℃）；R（0）為在溫度為0℃是的鉑熱電阻的電阻值（Ω）；A=1/3.9083× 10-3℃；B=1/（-5.775×10-7）2℃；C=1/（-4.183 ×10-12）4℃。

2.3 MSP430單片機外圍電路

MSP430單片機外圍電路如圖3所示：

串口通訊具有接線簡單、性能穩(wěn)定、傳輸數(shù)據(jù)速率較快的特點，所以該系統(tǒng)通過單片機串口與GSM模塊通信。采用11通道10位的AD采樣芯片TLC1542進行多路模擬信號的采集，在保證采樣精度的同時實現(xiàn)多路模擬信號的采集。

3.軟件設計

3.1 控制算法

由于烤煙房是一個非線性的、時變的系統(tǒng)，所以對烤房控制算法的設計相當重要。遺傳算法是一種模擬自然進化過程搜索最優(yōu)解的方法。遺傳算法的基本流程就是通過判斷適應度是否符合要求而對子代的不斷進行遺傳、變異和交叉操作，直到得到最優(yōu)的子代。PID算法是一種在工業(yè)生產中被廣泛應用的控制算法，具有原理簡單，適用面廣，參數(shù)相互獨立，易于實現(xiàn)的特點，但其參數(shù)較難整定。將遺傳算法與PID算法結合運用，解決了PID參數(shù)難整定的問題，使得系統(tǒng)具有良好的魯棒性[4]。

3.2 軟件流程

軟件操作流程如圖4所示。

通過遺傳算法對PID的三個參數(shù)進行整定，根據(jù)適應度函數(shù)來獲得最優(yōu)參數(shù)。

在實現(xiàn)GSM短信通訊的時候，應該注意短信消息中心的設置，通過命令"AT+CSCA= [，]"來進行短信中心的設置。通過單片機與模塊的串口通信來發(fā)送命令來實現(xiàn)GSM模塊的控制[5]。

4.實驗測試

通過實驗，繪制實際的煙葉烘烤曲線和科學曲線如圖5所示。

圖5 實際煙葉烘烤溫度曲線和科學溫度曲線

通過仿真曲線得知，改智能烤煙房系統(tǒng)能夠跟隨到設定的溫度曲線，在溫度變化緩慢的時間段能夠很好的跟隨到設定值，仿真誤差能控制在1℃～3℃之間。但在溫度要求變化較快的時間段響應有一定時間的滯后，滯后時間在30min～70min之間，這主要是由于系統(tǒng)控制系統(tǒng)的復雜性和滯后性決定的，這對于實際的烘烤沒有太大的影響，所以該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)預期的功能和效果。

5.結論

通過對智能烤房系統(tǒng)的測試，該系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)智能控制功能，各項技術參數(shù)均符合實際生產要求。新增的GSM模塊通信，實現(xiàn)了煙農與系統(tǒng)間的人機交互，解放了傳統(tǒng)的煙農值守式的煙葉烘烤模式。在提高煙葉烘烤質量的同時還解放了生產力，提高勞動效率。對推動國民經濟的健康持續(xù)發(fā)展以及科技興農戰(zhàn)略有很大的推動作用。

參考文獻

[1]徐秀紅，孫福山.我國密集烤房研究應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討[J].中國煙草科學，2008，04.

[2]胡大可，季燕飛.應用MSP430 微控制器時需注意的問題[J].電子產品世界.2000（3）：63.

[3]黃曉因，張連根.單片機干濕球法測量相對濕度的計算方法研究[J].云南民族大學學報，2003，12（3）：155-157.

[4]楊國軍，崔平遠，李琳琳.遺傳算法在神經網絡控制中的應用與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報.2001，13（5）：567-570.

[5]莫雷（Mouly，M），帕特（Pautet，M.B.）.GSM 數(shù)字移動通信系統(tǒng)[M].北京：電工業(yè)出版社，1996：20-24.

基金項目：湖北民族學院科技學院2013年大學生創(chuàng)新項目（K201328）。

作者簡介：薛承佳（1991—），男，現(xiàn)就讀于湖北民族學院科技學院。