基于MSP430F149单片机的烟草干燥温度控制设计
刘婷婷，王 悠，李琦琦
（中国民用航空飞行学院，四川 广汉 618307）
摘 要 ：烟草干燥研究一直备受国内外烟草工作者的重视，在烟草干燥的方法中热风管处理法是利用热空气对流使烟草达到干燥的效果，这样可以控制烟草干燥时的温度，使烟草能够更好更快地干燥，因此温度的检测和控制是很重要的。本文基于单片机和外部传感器及模数转换器设计了烟草温度检测与控制装置。将铂电阻 pt100 作为温度传感器检测温度，通过模数转换器 ad7705 对数据进行模数转换，并传给 msp430f149 单片机处理，最终由点阵式液晶 ocm12864 显示。通过外部键盘设定温度，将设定的温度与检测到的温度进行比较，进而控制温度和电路的通断，即电炉丝是否处于加热状态，以此达到改变温度的目的。最终实现温度的实时检测和控制。
中图分类号 ：tp277 文献标识码 ：a
文章编号 ：2095-1302（2022）09-0085-02
0 引 言
目前国内外烟草干燥的方法有以下几种 ：日晒处理法、风干处理法、明火烘烤法、热风管处理法 [1-2]。其中风干处理法是将烟草悬挂于避阳通风的建筑中，通过自然风干进行干燥处理。这种方法得到的烟草虽然烟草风味变得更柔和，并且能够降低其尼古丁的含量，但是利用外界自然条件进行干燥的时间较长。明火烘烤处理法是将烟草悬挂于明火之上，通过明火生起的浓烟，把烟叶熏熟，达到干燥效果，这种方法的不利之处也是干燥温度不易控制，并且明火容易将烟草烧坏。热风管处理法是将收获的烟草放置于密闭容器内，通过加热装置进行加热，利用热空气对流使烟草达到干燥的效果。这样可以控制烟草干燥时的温度，使烟草能够更好更快地干燥。因此，热风管处理法在烟草干燥领域得到了大范围的推广，它可以在烟草干燥过程中保证烟草的质量，并且能更快速地进行干燥处理 [3-8]。
烟草干燥过程中重要的部分就是温度检测和温度控制。通过烟草干燥曲线可以找到烟草干燥的最佳温度区间，在此区间内烟草干燥的速度最快，所用时间最短，并且干燥后的烟草质量也较好 [9]。基于此，本文设计了一个温度检测和温度控制系统，可以实现对干燥过程中的温度进行实时检测和显示 ；并可以对干燥温度进行设定，控制加热装置的加热状态，使干燥温度保持在最佳温度区间内。
1 烟草干燥加温测试装置整体设计
烟草干燥加温测试装置系统是基于单片机 msp430f149的闭环控制系统来对电加热炉进行温度控制的。系统总体设计框图如图 1 所示。通过外部键盘输入设定要达到的目标温度 ；通过铂电阻 pt100 对温度进行实时检测，并对当前的检测温度和目标温度进行比较，得到偏差，再对其进行 pid 算法修正。本设计的温度控制部分由三极管和固态继电器组成，修正的结果决定单片机 pwm 输出口输出高电平还是低电平，进而决定三极管导通与否，并确定固态继电器的工作状态，达到对电炉丝加热状态的控制，从而实现对干燥温度的控制。
2 烟草干燥加温测试装置的硬件设计
2.1 温度检测模块的硬件电路设计
本设计中温度检测模块使用铂电阻 pt100 进行检测，通过电桥得到差动值，然后再经过 ad 进行数据采集，将采集的数据送入单片机 msp430f149，最后通过液晶 ocm12864进行温度显示。其中由 tl431 组成的部分电路相当于一个10 v 的稳压电源，为供桥电源。电桥的输出电压可由下面的计算公式得出 ：
铂电阻 pt100 在 0 ℃时电阻值为 100 ω，电阻变化率为0.385 1 ω/℃，由此可以得到 rpt 的值，进而可以得到某温度范围内的电桥输出电压变化范围。
2.2 数据采集模块的硬件电路设计
本设计中数据采集模块所用的主要器件为 ad7705，它可以通过编程设定增益和数据输出更新频率，还可以选择输入模拟缓冲器以及自校准和系统校准的方式，其中电源电压为 5 v，基准电压由 lm336 精密 2.5 v 稳压器提供。
2.3 温度控制模块的硬件电路设计
温度控制部分利用三级管 9012 通断控制继电器工作，三极管 9012 为低电平导通。当控制器输出信号 0 时，9012导通，从而使继电器导通，电炉丝加热进行升温 ；而当控制器输出信号 1 时，9012 不导通，继电器断开，电炉丝停止加热。
3 温度检测控制系统中的软件设计
3.1 温度检测和温度控制部分程序设计
温度检测部分采用铂电阻 pt100 对温度进行实时检测。通过 ad 进行数据采集转换可以得到 ad7705 的 7 脚（ain1+）、8 脚（ain1-）的电压。根据公式（1）计算出温度检测部分的电桥输出电压并且可以得出 rpt 的值。此值不可能是 pt100 铂电阻分度特性对照表中的一个准确的电阻值，需要通过如下公式计算得到当前阻值对应的温度。
式中：rpt 是由电桥输出电压公式计算得到的电阻值；a、b为在 pt100 铂电阻分度特性对照表中与 rpt 最接近的阻值（设定 a ＜ b）；a、b 分别是对应阻值 a、b 的温度值；x 为当前温度值。
温度检测和控制部分的程序流程如图 2 所示。
3.2 pid 控制部分
本设计中定义三个变量 ：ttarget 为设定的目标温度，treal 为当前检测到的温度，tdiff 为目标温度与检测到的温度的差值， 即 tdiff=ttarget-treal。pid 运算表达式 [10-12]为 pwmout=pout+iout+dout+ph ；其 中，pout、iout、dout 分 别表示为 ：
其中：kp 是比例系数；ki 是积分系数；kd 是微分系数。
3.3 键盘中断程序设计
本设计采用外部键盘输入对目标温度进行设定，键盘中断程序流程如图 3 所示。
4 测试方法及结果
4.1 测试方法
首先将整个电路接通电源，此时液晶屏显示当前温度为室温，当按下键盘上的 b 键，液晶显示屏第二行显示出“设置”，然后通过数字键 0 ～ 9 设定所要达到的目标温度，按下确认键 f。当输入目标温度高于当前检测到的温度时，单片机 p5.7 输出低电平，三极管导通，固态继电器工作，控制系统工作，液晶显示屏上显示“升温”状态 ；当加热温度达
到目标温度时，单片机 p5.7 输出高电平，加热电路断开，液晶显示屏上显示“降温”状态。这样就完成了温度的检测和控制。
4.2 测试结果
本设计的加温测试装置的温度测量范围为 10 ～ 80 ℃。本设计最终实现了闭环的温度控制系统，并且对温度能够进行实时检测和显示。表 1 给出了测得实验数据中的一组。
通过表 1 可以看到，目标温度与实际检测温度的差值在0.3 ～ 0.5 ℃之间，在误差允许范围内。
5 结 语
烟草干燥是一个复杂的传热传质过程，同时伴随有复杂的物理、化学变化，因此烟草干燥过程中的温度控制尤为重要。本文以单片机 msp430f149 作为电路的核心控制器件，设计了烟草干燥加温测试装置，整个系统由温度检测、温度控制、液晶显示、数据采集、键盘输入五个部分组成。通过温度控制和检测系统的闭环反馈控制系统，使温度控制更为精确。通过测试可以发现，目标温度与检测温度误差在较小范围内，实现了烟草干燥加热温度的精确控制。
参考文献
[1] 韩甜兮 . atc 烟草公司大连分公司的营销管理问题及对策 [d]. 大连：大连理工大学，2018.
[2] 李善莲，王宏生，袁行思 . 烟草干燥研究进展 [j]. 烟草科技，2004，48（9）：6-9.
[3] 胡先进 . 基于模糊 pid 控制的烟草梗丝干燥工艺控制系统的设计与实现 [d]. 芜湖：安徽工程大学，2015.
[4] 任志军，李爱莲 . 模糊控制在烟草梗丝干燥控制中的应用 [j]. 机电产品开发与创新，2017，30（6）：83-85.
[5] 刘昭斌 . 利用单片机实现温度智能控制 [j]. 石油化工自动化，2000，37（5）：52-54.
[6] 孙莹 . 单片机加热炉温度控制系统 [j]. 电气时代，2001，21（8）：38-39.
[7] 顾中铸 . 降速干燥阶段烟草干燥特性的研究 [j]. 烟草科技，1998，42（1）：2.
[8] 季雅娟，萧鹏 . 具有 pid 自整定温控功能的芯片加热器的研制 [j].应用科技，2004，313）：36-38.
[9] 刘雅琴，尚关兰，秦家文 . kb 系列低温干燥箱在烟草含水率测定中替代传统玻璃干燥皿的可行性研究 [j]. 科技技术创新，2018，22（2）：78-80.
[10] 张力春，王健 . 一种数字 pid 调节器参数的自寻最优控制方法[j]. 鞍钢技术，2005，42（3）：33-34.
[11] 刘国繁，王迎旭，伍萍辉 . 新型智能数字 pid 控制器及其应用[j]. 电机与控制学报，2006，45（4）：415-419.
[12] 夏红，赏星耀，宋建成 . pid 参数自整定方法综述 [j]. 浙江科技学院学报，2003，24（4）：236-240.
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摘 要 ：烟草干燥研究一直备受国内外烟草工作者的重视，在烟草干燥的方法中热风管处理法是利用热空气对流使烟草达到干燥的效果，这样可以控制烟草干燥时的温度，使烟草能够更好更快地干燥，因此温度的检测和控制是很重要的。本文基于单片机和外部传感器及模数转换器设计了烟草温度检测与控制装置。将铂电阻 pt100 作为温度传感器检测温度，通过模数转换器 ad7705 对数据进行模数转换，并传给 msp430f149 单片机处理，最终由点阵式液晶 ocm12864 显示。通过外部键盘设定温度，将设定的温度与检测到的温度进行比较，进而控制温度和电路的通断，即电炉丝是否处于加热状态，以此达到改变温度的目的。最终实现温度的实时检测和控制。
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文章编号 ：2095-1302（2022）09-0085-02
0 引 言
目前国内外烟草干燥的方法有以下几种 ：日晒处理法、风干处理法、明火烘烤法、热风管处理法 [1-2]。其中风干处理法是将烟草悬挂于避阳通风的建筑中，通过自然风干进行干燥处理。这种方法得到的烟草虽然烟草风味变得更柔和，并且能够降低其尼古丁的含量，但是利用外界自然条件进行干燥的时间较长。明火烘烤处理法是将烟草悬挂于明火之上，通过明火生起的浓烟，把烟叶熏熟，达到干燥效果，这种方法的不利之处也是干燥温度不易控制，并且明火容易将烟草烧坏。热风管处理法是将收获的烟草放置于密闭容器内，通过加热装置进行加热，利用热空气对流使烟草达到干燥的效果。这样可以控制烟草干燥时的温度，使烟草能够更好更快地干燥。因此，热风管处理法在烟草干燥领域得到了大范围的推广，它可以在烟草干燥过程中保证烟草的质量，并且能更快速地进行干燥处理 [3-8]。
烟草干燥过程中重要的部分就是温度检测和温度控制。通过烟草干燥曲线可以找到烟草干燥的最佳温度区间，在此区间内烟草干燥的速度最快，所用时间最短，并且干燥后的烟草质量也较好 [9]。基于此，本文设计了一个温度检测和温度控制系统，可以实现对干燥过程中的温度进行实时检测和显示 ；并可以对干燥温度进行设定，控制加热装置的加热状态，使干燥温度保持在最佳温度区间内。
1 烟草干燥加温测试装置整体设计
烟草干燥加温测试装置系统是基于单片机 msp430f149的闭环控制系统来对电加热炉进行温度控制的。系统总体设计框图如图 1 所示。通过外部键盘输入设定要达到的目标温度 ；通过铂电阻 pt100 对温度进行实时检测，并对当前的检测温度和目标温度进行比较，得到偏差，再对其进行 pid 算法修正。本设计的温度控制部分由三极管和固态继电器组成，修正的结果决定单片机 pwm 输出口输出高电平还是低电平，进而决定三极管导通与否，并确定固态继电器的工作状态，达到对电炉丝加热状态的控制，从而实现对干燥温度的控制。
2 烟草干燥加温测试装置的硬件设计
2.1 温度检测模块的硬件电路设计
本设计中温度检测模块使用铂电阻 pt100 进行检测，通过电桥得到差动值，然后再经过 ad 进行数据采集，将采集的数据送入单片机 msp430f149，最后通过液晶 ocm12864进行温度显示。其中由 tl431 组成的部分电路相当于一个10 v 的稳压电源，为供桥电源。电桥的输出电压可由下面的计算公式得出 ：
铂电阻 pt100 在 0 ℃时电阻值为 100 ω，电阻变化率为0.385 1 ω/℃，由此可以得到 rpt 的值，进而可以得到某温度范围内的电桥输出电压变化范围。
2.2 数据采集模块的硬件电路设计
本设计中数据采集模块所用的主要器件为 ad7705，它可以通过编程设定增益和数据输出更新频率，还可以选择输入模拟缓冲器以及自校准和系统校准的方式，其中电源电压为 5 v，基准电压由 lm336 精密 2.5 v 稳压器提供。
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式中：rpt 是由电桥输出电压公式计算得到的电阻值；a、b为在 pt100 铂电阻分度特性对照表中与 rpt 最接近的阻值（设定 a ＜ b）；a、b 分别是对应阻值 a、b 的温度值；x 为当前温度值。
温度检测和控制部分的程序流程如图 2 所示。
3.2 pid 控制部分
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其中：kp 是比例系数；ki 是积分系数；kd 是微分系数。
3.3 键盘中断程序设计
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首先将整个电路接通电源，此时液晶屏显示当前温度为室温，当按下键盘上的 b 键，液晶显示屏第二行显示出“设置”，然后通过数字键 0 ～ 9 设定所要达到的目标温度，按下确认键 f。当输入目标温度高于当前检测到的温度时，单片机 p5.7 输出低电平，三极管导通，固态继电器工作，控制系统工作，液晶显示屏上显示“升温”状态 ；当加热温度达
到目标温度时，单片机 p5.7 输出高电平，加热电路断开，液晶显示屏上显示“降温”状态。这样就完成了温度的检测和控制。
4.2 测试结果
本设计的加温测试装置的温度测量范围为 10 ～ 80 ℃。本设计最终实现了闭环的温度控制系统，并且对温度能够进行实时检测和显示。表 1 给出了测得实验数据中的一组。
通过表 1 可以看到，目标温度与实际检测温度的差值在0.3 ～ 0.5 ℃之间，在误差允许范围内。
5 结 语
烟草干燥是一个复杂的传热传质过程，同时伴随有复杂的物理、化学变化，因此烟草干燥过程中的温度控制尤为重要。本文以单片机 msp430f149 作为电路的核心控制器件，设计了烟草干燥加温测试装置，整个系统由温度检测、温度控制、液晶显示、数据采集、键盘输入五个部分组成。通过温度控制和检测系统的闭环反馈控制系统，使温度控制更为精确。通过测试可以发现，目标温度与检测温度误差在较小范围内，实现了烟草干燥加热温度的精确控制。
参考文献
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[6] 孙莹 . 单片机加热炉温度控制系统 [j]. 电气时代，2001，21（8）：38-39.
[7] 顾中铸 . 降速干燥阶段烟草干燥特性的研究 [j]. 烟草科技，1998，42（1）：2.
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[9] 刘雅琴，尚关兰，秦家文 . kb 系列低温干燥箱在烟草含水率测定中替代传统玻璃干燥皿的可行性研究 [j]. 科技技术创新，2018，22（2）：78-80.
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[11] 刘国繁，王迎旭，伍萍辉 . 新型智能数字 pid 控制器及其应用[j]. 电机与控制学报，2006，45（4）：415-419.
[12] 夏红，赏星耀，宋建成 . pid 参数自整定方法综述 [j]. 浙江科技学院学报，2003，24（4）：236-240.
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