雾化干燥仪温度检测与控制系统

张运诗，仲兆准，钟胜奎，谢光伟

(1．苏州大学机电工程学院，江苏苏州　215021；2．苏州大学沙钢钢铁学院，江苏苏州　215021)

0　引言

干燥是一种古老的操作，也是高能耗的操作工艺之一，随着社会的不断进步，对于干燥的要求也越来越高，特别是在能源紧张的今天，干燥工艺是否节能越来越受到工业界的关注[1]。在实际应用中因为干燥本身需要大量的热量去蒸发水分或者其他溶剂，大部分干燥工艺的热效率偏低。传统的高能耗的干燥设备和高品质的产品要求，使得在过去的几十年来对于干燥技术的研究和投入持续不断。雾化干燥是一种已被工业界广泛接受的干燥工艺，其基本原理是利用雾化器将一定浓度的料液喷射成雾状液滴，落入一定流速的热气流中，使之迅速干燥，获得粉状产品[2]。

在这整个过程中，对于温度的控制极其重要，由于存在着热损耗、空气流速、雾状液滴分布、雾化压力等因素，对于温度的控制也比较复杂。同时，最后获得的产品的情况与温度密切相关。目前而言，国内外对于喷雾干燥仪的温度控制的研究也一直没有间断过，对于喷雾干燥仪的温度检测与控制系统的研究具有非常重要的意义。

1　系统方案设计

基于上述讨论，设计了一种基于STC89C52单片机控制的温度控制系统。

这种系统所需要的器件都是日常的元器件，而且价格低廉，较大程度上解决了价格问题，能够满足实际中的需要，容易和其他的产品进行结合，可实现二次开发，应用价值较大[3]。同时，静电收集具有效率高、无污染等多个好处，因此在这里采用高压静电收集方法进行粉末收集。其主要示意图如图1所示。

图1　整体结构示意图

1．1系统功能分析

系统所实现的是对雾化干燥仪中温度的精确快速测量与控制，系统设计思想是：采用单片机作为核心芯片，利用Pt100来感受温度，通过温度变送器转变为0～5 V的模拟电压信号，经过PCF8591芯片的A/D转换送给单片机。在单片机内部经过滤波，一方面送给PID程序进行数据处理，另一方面送给LCD显示模块，实现设定温度和参数的修改。经过PID程序处理后的数据，通过PCF8591芯片的D/A转换功能，输出0～5V的电压信号，加到移相调压模块控制端，进而改变加热管两端的电压信号。整个系统实现的温度检测和控制精确、快速，能够满足工业生产中的要求。

系统的结构如图2所示。

图2　系统结构图

1．2精确保证和实现方法

在雾化干燥仪温控系统的设计中，采用集成式模数转换模块，将A/D、D/A功能集成在一块电路板上，通过串行通信方式，一方面可以大大的减少I/O端口的使用，另一方面可以降低干扰[4]。

通过改变加热管两端电压进行温度控制，这种控制方法简单易行，只需要通过软件来实现输出电压数值的改变就可以实现温度的精确控制，避免了由于物理机理造成的误差或者不足[5]。

1．3越警限制

系统中采用了超过设定值报警的设置，当实际测量的温度超过设定的温度时，单片机就会启动蜂鸣器报警程序，提醒温度过高。这时候，就会通过执行程序自动的改变输出值来减少加热管两端的电压，进而减少热量的产生，最终使温度稳定在设定值上。

2　闭环控制系统

在设计中根据实际温度大于、等于还是小于设定温度，使输出的电压降低、不变和增大，以此来进行温度的自动控制。温度的差值送给软件程序中的PID程序，经过计算输出相应的控制信号。

PID控制是工业生产中最常用的一种控制方法，适用于高精度测量控制的系统，在设计中正是采用这种控制来产生移相调压模块的控制信号，进而改变加热管两端的电压，实现温度的快速检测与控制。

PID算法的增量式表达式为：

=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=(KP+KI+KD)e(k)-(KP+2KD)e(k-1)+KDe(k-2)

式中：k为控制系统的第k次采样，假设s(k)为设定温度，y(k)为实际测量的采样温度；u(k)则为k时刻移相调压模块控制信号对应的数值；KP为PID调节的比例系数；e(k)=y(k)-s(k)为误差；T为采样周期；Tl为积分时间常数；TD为微分时间常数。

3　硬件电路设计

硬件电路主要包括单片机最小系统、电源、按键及显示、温度控制模块、温度采集模块、执行控制温度的模块[6]。

3．1单片机控制模块设计

STC89C52使用经典的MCS-51内核，在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，同时性能良好，价格低廉，完全能够满足设计的需要。

在设计中，采用STC89C52单片机作为整个系统的核心处理器，在控制时，单片机接收变送器传来的温度数值，并且在单片机内部将实际温度信号和设定好的温度进行比较，经过PID算法得到控制信号，利用软件来实现温度的控制，就可以调节控制信号的大小，控制加热管两端的电压，利用软件编程，能够更加灵活的实现控制目的。

3．2温度采集及变送模块

设计中考虑到温度的检测需要一个稳定的器件，经过比较，选择比较稳定且性能良好的Pt100热敏电阻。热敏电阻感受到的温度信号经过温度传感器[7]转变为0～5 V的电压信号，这种信号可以被A/D模块接受，避免了将电流信号或者其他范围的电压信号进行转换时出现错误的情况发生。

3．3A/D，D/A转换模块

为了更好的利用单片机I/O资源，系统采用的是PCF8591芯片，电源是5 V直流电源，可以直接使用单片机自带5 V直流接口；同时使用的是I2C总线进行通信，它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

3．4移相调压模块

由于单个加热管功率有限，系统采用加热管并联的方法得到较高的温度，而对于加热管两端电压的控制，采用的是移相调压模块来实现，输入电压是220 V交流电，控制信号为0～5 V电压信号。通过改变控制信号的大小就可以改变调压模块的输出，在不同的电压下，加热管产生的热量自然也就不同。而移相调压模块的控制信号则是由PID计算产生的结果经D/A转换得到的，这样就可以通过程序来控制加热管产生的热量。

3．5按键和显示设计

为避免I/O的不足或者进行功能扩展，采用矩阵键盘的形式进行设计。对于信息的显示，放弃使用传统的LED显示，采用的是LCD显示屏，采用LCD模块可以人性化的显示需要的一些信息，也可以使显示界面更加美观[8]。

在系统中采用的OCMJ15X20D型中文液晶显示模块，在使用时首先按图3进行接线，其中DB0～DB7是数据接口，用来进行数据传输，液晶显示模块内建有中文显示字型与半型字型。还提供字型放大的功能、粗体字显示功能、行距设定功能、图层显示功能、图形绘制功能和触摸式面板功能等，利用各个寄存器指令可以完成这些功能。

图3　COMJ15X20D显示屏外部接线

4　系统软件设计

软件设计中，采用的是单片机或者嵌入式开发常用工具KEIL软件，这种软件可以很方便的进行调试和仿真，编程语言选择可移植性较好的C语言。其中需要注意的是，热敏电阻呈现一定的非线性，在设计中利用Matlab软件进行拟合，得到一个温度和温度变送器输出电压的关系公式。主要程序结构图如图4所示。

图4　软件结构图

4．1主程序

主程序主要包括主要寄存器的复位和LCD显示模块、PCF8591的复位，以及I2C总线的复位，同时为了避免定义全局变量导致内存不足，在主程序中定义了一些变量，利用实参的形式进行子函数间的数据交换，图5为其流程图。

图5　主函数流程

4．2温度检测转换和信号输出转换程序

温度的检测转换以及信号的输出转换是通过芯片PCF8591来实现的，需要注意的是这个芯片采用的I2C通信协议来进行串行通信。由于热敏电阻存在着一些非线性，因此采用了数值分析中的拟合原理，对采样的温度和电压进行了拟合，保证结果的正确性。

4．3按键扫描模块程序和PID程序

在键盘的设计中需要考虑的是键盘的抖动问题，因此在程序的编写时，要进行短暂的延时，以此来消除抖动问题。

采用增量式PID算法编程，进行温度的自动控制，采用这种已经成熟并且作用效果良好的控制方法很容易得到所需要的结果。

4．4LCD模块程序

文中采用的LCD模块是OCMJ15X20D型模块，采用8位并行数据通信，这种模块编程简单易行，而且能够满足雾化干燥仪的应用。在程序的显示中，可以根据需求，将多个有用的信息同时显示在LCD屏幕上。

5　系统调试

在程序编写好后，将硬件进行连接，构成一个闭环系统，进行调试工作，风箱吹入的空气经过加热管加热后变为所需要的热空气，经温度采集传送给单片机进行数据处理，最后通过程序实现PID调节，使温度快速自动的稳定在设定温度值上[9]。图6为调节结果和参数设置界面。

图6　LCD显示界面

6　结束语

雾化干燥仪的使用越来越广泛，也倍受关注，同时对于温度检测与控制系统的要求也越来越严格。文中采用STC89C52单片机为核心处理芯片、热敏电阻为温度感受器件、PCF8591为模数转换芯片、移相调压电路为最终控制单元，实现雾化干燥仪中温度的精确快速测量与控制。经过实验证明，系统工作稳定、状态良好，实现了雾化干燥仪所需要的结果，并且令人满意。

参考文献：

[1]黄立新，周瑞君，MUJUMDAR A S．近年来喷雾干燥技术研究进展和展望．干燥技术与设备，2008(1)：3-7．

[2]肖志锋，蔡亚军，杜克镛，等．过热蒸汽流化床干燥装置．干燥技术与设备，2005(3)：126-128．

[3]赵奇，宋蕊．基于单片机的热水器温度智能控制设计．微型机与应用，2012(8)：19-21．

[4]孙立红，成泰民．便携式温度仪表校验仪．仪表技术与传感器，2013(4)：62-64．

[5]夏莉英，陈雁．基于DS18B20的温度测控系统设计．微计算机信息，2011(1)：115-117．

[6]李铁．基于单片机的温度控制系统的设计．微型机与应用,2010(24)：29-31．

[7]陈生翰，刘其洪，丁柱．单总线数字温度传感器DS18B20自动识别的设计与实现．仪表技术与传感器，2010(5)：16-18．

[8]许文斌，曾全胜．基于单片机AT89C52的数字化温度测量仪．微计算机信息,2010(5)：118-120．

[9]单春贤，陈万家，彭杰．模糊PID 在换热站温度控制系统中的设计与仿真．仪表技术与传感器，2011(9)：79-82．