基于PWM調(diào)速的多功能低溫烘干箱的設(shè)計(jì)

摘?要：當(dāng)人們對(duì)高質(zhì)量生活的追求，對(duì)此保證食物的溫濕度也有了一定的要求，為了保證烘干食物的溫濕度控制線性、互換性、重復(fù)進(jìn)行，本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為控制電路的核心，使用DHT11對(duì)溫濕進(jìn)行測量，采用基于PID算法的PWM調(diào)速控制風(fēng)力。本設(shè)計(jì)電路采用多模塊化組成，這樣設(shè)計(jì)不僅穩(wěn)定性增強(qiáng)，并且故障的排除與發(fā)現(xiàn)更加容易，編寫程序簡潔、系統(tǒng)可靠性高、操作簡便。

關(guān)鍵詞：AT89S51;DHT11溫濕度傳感器;PWM調(diào)速

食品干燥是提高食品貯存、保質(zhì)的重要措施與手段，烘干機(jī)的性能直接影響到烘干食品的質(zhì)量與市場價(jià)值。傳統(tǒng)的干燥方法是在太陽下曝曬或者陰涼處通風(fēng)干燥，這樣的過程不僅緩慢，而且通常會(huì)伴隨著食品變質(zhì)，大面積破活食物的營養(yǎng)價(jià)值，從而使干燥后食品的品質(zhì)也有所下降。傳統(tǒng)的干燥過程不僅不衛(wèi)生，而且干燥對(duì)象品種局限，因此選擇合適的干燥方法是現(xiàn)代食品干燥加工過程中的客觀的要求。高能耗和食品品質(zhì)破壞是目前食品干燥中的兩個(gè)最主要問題。干燥是一種高能耗的操作，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，法國、英國、瑞典等發(fā)達(dá)國家，高達(dá)12%的工業(yè)能耗用于干燥工藝，在各種工業(yè)干燥能耗中，農(nóng)產(chǎn)品、食品的干燥能耗僅次于造紙工業(yè)，位居第二位，由此開發(fā)出一種高效低功耗烘干機(jī)。

1 設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)構(gòu)圖

本系統(tǒng)目的是設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)控制的全自動(dòng)智能烘干機(jī)，采用PID控制的干燥風(fēng)速，盡可能在保持食物原本的營養(yǎng)價(jià)值的同時(shí)快速干燥。儀器對(duì)放入系統(tǒng)內(nèi)的物體檢測其溫濕度數(shù)據(jù)之后并進(jìn)行干操作。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強(qiáng)，設(shè)計(jì)由一個(gè)單片機(jī)作為控制核心，利用DHT11作為溫濕度檢測模塊，具有實(shí)時(shí)顯示溫濕度功能和鍵盤模塊實(shí)現(xiàn)可調(diào)溫濕度輸入控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件主要由六個(gè)模塊構(gòu)成：單片機(jī)控制模塊、溫濕度檢測模塊、PWM調(diào)速模塊、鍵盤輸入模塊、加熱電路模塊以及數(shù)碼管顯示模塊。系統(tǒng)硬件電路如圖2。

在PWM電路中使用光耦隔離和三極管驅(qū)動(dòng)，目的是防止外接電機(jī)電源和外接電機(jī)的干擾傳導(dǎo)到單片機(jī)對(duì)單片機(jī)造成致命破壞。

加熱模塊同樣使用光耦隔離驅(qū)動(dòng)三極管使外部220V電壓加到加熱絲中。溫濕度檢測模塊對(duì)物體周圍環(huán)境實(shí)時(shí)檢測，單片機(jī)對(duì)其檢測出的溫濕度數(shù)值判斷做出適應(yīng)動(dòng)作，加熱電路模塊是單片機(jī)通過光電耦合間接控制高壓對(duì)加熱絲通電達(dá)到加熱效果，為了防止高溫對(duì)物體進(jìn)行直接灼燒，加熱絲應(yīng)安裝在PWM調(diào)速模塊的出風(fēng)口。因?yàn)閷?duì)物料溫濕度控制，系統(tǒng)針對(duì)的目標(biāo)熱存儲(chǔ)能力大且物料的溫濕度系統(tǒng)的具體性質(zhì)沒有傳遞函數(shù)因此無法精確的得到，為此本次設(shè)計(jì)采用的是比例積分加微分（PID）控制，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和控制精度等控制品質(zhì)的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始運(yùn)行，主程序開始執(zhí)行，對(duì)單片機(jī)的初始化和各串口初始化等。程序接收DHT11模塊測量的溫濕度，然后等待溫濕度設(shè)定，當(dāng)溫濕度已經(jīng)設(shè)定完畢，系統(tǒng)開始運(yùn)行，判斷溫濕度數(shù)值調(diào)用各個(gè)相關(guān)模塊，循環(huán)控制系統(tǒng)運(yùn)行直到溫濕度數(shù)值符合用戶設(shè)定的大小系統(tǒng)停止運(yùn)行。主程序的程序流程圖如圖3所示。

主控模塊以AT89S51單片機(jī)為控制核心，DHT11模塊對(duì)系統(tǒng)的溫濕度進(jìn)行判斷，根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)PWM調(diào)速模塊和加熱模塊分別判斷作出不同的工作情況。具體判斷規(guī)則如下：

（1）溫度偏低，濕度偏高。單片機(jī)控制加熱模塊和無極調(diào)速模塊進(jìn)行工作，對(duì)其加熱和干燥。

（2）溫度偏低，濕度偏低。單片機(jī)停止工作，烘干完成。

（3）溫度偏高，濕度偏高。單片機(jī)控制無極調(diào)速模塊進(jìn)行工作，對(duì)其進(jìn)行干燥。

（4）溫度偏高，濕度偏低。單片機(jī)控制無極調(diào)速模塊進(jìn)行工作，對(duì)其進(jìn)行降溫。

用戶也可以通過鍵盤設(shè)定自身需要控制烘干機(jī)的烘干溫度，烘干時(shí)間和物體保存剩余濕度，同時(shí)將經(jīng)過AD處理的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的I/O口輸送到LCD上進(jìn)行顯示，供用戶實(shí)時(shí)參考。

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過程：當(dāng)需要被干燥的物體放入系統(tǒng)中，單片機(jī)首先控制PWM調(diào)速模塊全力工作，使物體的溫濕度等信息可以傳達(dá)到DHT11模塊，DHT11模塊對(duì)系統(tǒng)的溫濕度測量出數(shù)值，單片機(jī)根據(jù)溫濕度控制電熱絲與PWM調(diào)速模塊的工作。

系統(tǒng)非自動(dòng)運(yùn)行過程：用戶使用鍵盤輸入想要的物體溫濕度數(shù)值時(shí)，單片機(jī)首先控制PWM調(diào)速模塊全力工作，使物體的溫濕度等信息可以傳達(dá)到DHT11模塊，DHT11模塊對(duì)系統(tǒng)的溫濕度測量出數(shù)值，當(dāng)用戶數(shù)據(jù)與物體數(shù)據(jù)屬于正?？刂品秶鷷r(shí)PWM調(diào)速模塊、加熱電路模塊正常運(yùn)行。當(dāng)數(shù)據(jù)不屬于正?？刂品秶鷷r(shí)，屏幕分別顯示溫度錯(cuò)誤“T error”或者濕度錯(cuò)誤“H error”。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)是一個(gè)檢測和控制于一體的應(yīng)用控制系統(tǒng)，系統(tǒng)完成從物料溫濕度的信號(hào)檢測、信號(hào)處理、運(yùn)算與顯示再到輸出控制加熱模塊與吹風(fēng)模塊的控制。采用PID算法的風(fēng)力控制能夠節(jié)約大量的電能，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成本低，對(duì)于欠發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)具有極大的實(shí)際意義。

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作者簡介：隋杰（1991—?），男，漢族，山東日照人，碩士，研究方向：控制工程。