劉婷婷，王 悠，李琦琦

（中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307）

摘 要 ：煙草干燥研究一直備受國內外煙草工作者的重視，在煙草干燥的方法中熱風管處理法是利用熱空氣對流使煙草達到干燥的效果，這樣可以控制煙草干燥時的溫度，使煙草能夠更好更快地干燥，因此溫度的檢測和控制是很重要的。本文基于單片機和外部傳感器及模數轉換器設計了煙草溫度檢測與控制裝置。將鉑電阻 PT100 作為溫度傳感器檢測溫度，通過模數轉換器 AD7705 對數據進行模數轉換，并傳給 MSP430F149 單片機處理，最終由點陣式液晶 OCM12864 顯示。通過外部鍵盤設定溫度，將設定的溫度與檢測到的溫度進行比較，進而控制溫度和電路的通斷，即電爐絲是否處于加熱狀態，以此達到改變溫度的目的。最終實現溫度的實時檢測和控制。

中圖分類號 ：TP277?? 文獻標識碼 ：A?

文章編號 ：2095-1302（2022）09-0085-02

0 引 言

目前國內外煙草干燥的方法有以下幾種 ：日曬處理法、風干處理法、明火烘烤法、熱風管處理法 [1-2]。其中風干處理法是將煙草懸掛于避陽通風的建筑中，通過自然風干進行干燥處理。這種方法得到的煙草雖然煙草風味變得更柔和，并且能夠降低其尼古丁的含量，但是利用外界自然條件進行干燥的時間較長。明火烘烤處理法是將煙草懸掛于明火之上，通過明火生起的濃煙，把煙葉熏熟，達到干燥效果，這種方法的不利之處也是干燥溫度不易控制，并且明火容易將煙草燒壞。熱風管處理法是將收獲的煙草放置于密閉容器內，通過加熱裝置進行加熱，利用熱空氣對流使煙草達到干燥的效果。這樣可以控制煙草干燥時的溫度，使煙草能夠更好更快地干燥。因此，熱風管處理法在煙草干燥領域得到了大范圍的推廣，它可以在煙草干燥過程中保證煙草的質量，并且能更快速地進行干燥處理 [3-8]。

煙草干燥過程中重要的部分就是溫度檢測和溫度控制。通過煙草干燥曲線可以找到煙草干燥的最佳溫度區間，在此區間內煙草干燥的速度最快，所用時間最短，并且干燥后的煙草質量也較好 [9]?；诖?，本文設計了一個溫度檢測和溫度控制系統，可以實現對干燥過程中的溫度進行實時檢測和顯示 ；并可以對干燥溫度進行設定，控制加熱裝置的加熱狀態，使干燥溫度保持在最佳溫度區間內。

1?煙草干燥加溫測試裝置整體設計

煙草干燥加溫測試裝置系統是基于單片機 MSP430F149的閉環控制系統來對電加熱爐進行溫度控制的。系統總體設計框圖如圖 1 所示。通過外部鍵盤輸入設定要達到的目標溫度 ；通過鉑電阻 PT100 對溫度進行實時檢測，并對當前的檢測溫度和目標溫度進行比較，得到偏差，再對其進行 PID 算法修正。本設計的溫度控制部分由三極管和固態繼電器組成，修正的結果決定單片機 PWM 輸出口輸出高電平還是低電平，進而決定三極管導通與否，并確定固態繼電器的工作狀態，達到對電爐絲加熱狀態的控制，從而實現對干燥溫度的控制。

2 煙草干燥加溫測試裝置的硬件設計

2.1 溫度檢測模塊的硬件電路設計

本設計中溫度檢測模塊使用鉑電阻 PT100 進行檢測，通過電橋得到差動值，然后再經過 AD 進行數據采集，將采集的數據送入單片機 MSP430F149，最后通過液晶 OCM12864進行溫度顯示。其中由 TL431 組成的部分電路相當于一個10 V 的穩壓電源，為供橋電源。電橋的輸出電壓可由下面的計算公式得出 ：

鉑電阻 PT100 在 0 ℃時電阻值為 100 Ω，電阻變化率為0.385 1 Ω/℃，由此可以得到 RPT 的值，進而可以得到某溫度范圍內的電橋輸出電壓變化范圍。

2.2 數據采集模塊的硬件電路設計

本設計中數據采集模塊所用的主要器件為 AD7705，它可以通過編程設定增益和數據輸出更新頻率，還可以選擇輸入模擬緩沖器以及自校準和系統校準的方式，其中電源電壓為 5 V，基準電壓由 LM336 精密 2.5 V 穩壓器提供。

2.3 溫度控制模塊的硬件電路設計

溫度控制部分利用三級管 9012 通斷控制繼電器工作，三極管 9012 為低電平導通。當控制器輸出信號 0 時，9012導通，從而使繼電器導通，電爐絲加熱進行升溫 ；而當控制器輸出信號 1 時，9012 不導通，繼電器斷開，電爐絲停止加熱。

3 溫度檢測控制系統中的軟件設計

3.1 溫度檢測和溫度控制部分程序設計

溫度檢測部分采用鉑電阻 PT100 對溫度進行實時檢測。通過 AD 進行數據采集轉換可以得到 AD7705 的 7 腳（AIN1+）、8 腳（AIN1-）的電壓。根據公式（1）計算出溫度檢測部分的電橋輸出電壓并且可以得出 RPT 的值。此值不可能是 PT100 鉑電阻分度特性對照表中的一個準確的電阻值，需要通過如下公式計算得到當前阻值對應的溫度。

式中：RPT 是由電橋輸出電壓公式計算得到的電阻值；A、B為在 PT100 鉑電阻分度特性對照表中與 RPT 最接近的阻值（設定 A ＜ B）；a、b 分別是對應阻值 A、B 的溫度值；x 為當前溫度值。

溫度檢測和控制部分的程序流程如圖 2 所示。

3.2 PID 控制部分

本設計中定義三個變量 ：Ttarget 為設定的目標溫度，Treal 為當前檢測到的溫度，Tdiff 為目標溫度與檢測到的溫度的差值， 即 Tdiff=Ttarget-Treal。PID 運算表達式 [10-12]為 PWMOUT=POUT+IOUT+DOUT+PH ；其 中，POUT、IOUT、DOUT 分 別表示為 ：

其中：KP 是比例系數；KI 是積分系數；KD 是微分系數。

3.3 鍵盤中斷程序設計

本設計采用外部鍵盤輸入對目標溫度進行設定，鍵盤中斷程序流程如圖 3 所示。

4 測試方法及結果

4.1 測試方法

首先將整個電路接通電源，此時液晶屏顯示當前溫度為室溫，當按下鍵盤上的 B 鍵，液晶顯示屏第二行顯示出“設置”，然后通過數字鍵 0 ～ 9 設定所要達到的目標溫度，按下確認鍵 F。當輸入目標溫度高于當前檢測到的溫度時，單片機 P5.7 輸出低電平，三極管導通，固態繼電器工作，控制系統工作，液晶顯示屏上顯示“升溫”狀態 ；當加熱溫度達

到目標溫度時，單片機 P5.7 輸出高電平，加熱電路斷開，液晶顯示屏上顯示“降溫”狀態。這樣就完成了溫度的檢測和控制。

4.2 測試結果

本設計的加溫測試裝置的溫度測量范圍為 10 ～ 80 ℃。本設計最終實現了閉環的溫度控制系統，并且對溫度能夠進行實時檢測和顯示。表 1 給出了測得實驗數據中的一組。

通過表 1 可以看到，目標溫度與實際檢測溫度的差值在0.3 ～ 0.5 ℃之間，在誤差允許范圍內。

5 結 語

煙草干燥是一個復雜的傳熱傳質過程，同時伴隨有復雜的物理、化學變化，因此煙草干燥過程中的溫度控制尤為重要。本文以單片機 MSP430F149 作為電路的核心控制器件，設計了煙草干燥加溫測試裝置，整個系統由溫度檢測、溫度控制、液晶顯示、數據采集、鍵盤輸入五個部分組成。通過溫度控制和檢測系統的閉環反饋控制系統，使溫度控制更為精確。通過測試可以發現，目標溫度與檢測溫度誤差在較小范圍內，實現了煙草干燥加熱溫度的精確控制。

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編輯：黃飛

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