基于MSP430的智能烤烟房控制系统

薛承佳 万立浩 肖文俊 杨永超

【摘要】以MSP430单片机为控制核心，对烤烟房的温湿度数据进行实时采集和处理，并采用带有遗传算法参数整定的PID算法对烤烟房的温湿度进行控制，使其能够快速地跟随设定的科学烘烤曲线上。测试结果表明，可以提高烘烤质量，具有很好的实用参考价值。

【关键词】MSP430；遗传算法；PID；GSM；智能型烤烟房

引言

长期以来，烟草行业一直都是我国的纳税大户，而且基本与国家财政税收保持同步增长。所以，提高烘烤质量对国家经济发展和社会稳定有着积极作用。

烟叶烘烤对烟草品质的影响最大。近几年，我国几个产烟省在技术引进、消化和吸收的基础上结合实际生产情况，推出一系列成型烤房。如云南推出了QJ系列烤房。采用微型电脑控制进煤、升温、稳温、排湿自控系统[1]。通过对烤烟房的不断改进，提高了烟草品质，对推动国民经济稳步发展有着深刻的影响。

1.三段式烘烤工艺的基本要求

三段式烟叶烘烤烤技术在不同的阶段对烤房的温、湿度状况以及温湿度变化速率的要求都不一样，而且要求比较严格，所以对系统要求较高。这些是很难人为把握的，需要有经验的烟农蹲守、监视烤房状态。即使如此，烤房状态也不一定满足三段式烘烤曲要求。所以，研制智能型烤房系统有十分可观的经济意义。

2.控制系统的构成

系统以MSP430F149为控制核心，利用其优异的数据处理能力对采集的数据进行处理。通过采集奇数个传感器反馈的信息由控制算法来控制电机来调节烤烟房的温湿度，实现三段五步式烘烤过程，也避免传感器故障的错误数据对系统的影响。烤烟房的状态信息可以通过GSM模块来显示和修改。用户可以通过手机来获得和修改烤房的烘烤参数，以应付一些特殊情况。

2.1 干湿球传感器的干湿球系数校正

干湿球测湿法技术已很成熟， 具有性能稳定可靠、维护性好、成本低的特点。被广泛应用在生产实践中。但存在在高温环境下测量误差大的缺点，系统采用校正干湿球系数的方法来提高了测量的精度[3]。校正后的空气相对湿度为：

v为空气流速，E为湿球温度对应的饱和水气压（hPa）；P为大气压；t为干球温度；tw为湿球温度；ew为干球温度下的饱和水气压（hPa）。

2.2 铂热电阻Pt100温度数据的处理

由于铂在温度、物理、化学特性上的稳定性，被广泛应用在温度测量领域。但在使用的过程中需要进行标定，否则会使铂热电阻测量的温度数据不精确。

对于Pt100温度传感器，其电阻值和温度在正温度范围内有以下关系：

R（t）=R（0）×（1+At+Bt2）

式中：t為温度（℃）；R（0）为在温度为0℃是的铂热电阻的电阻值（Ω）；A=1/3.9083× 10-3℃；B=1/（-5.775×10-7）2℃；C=1/（-4.183 ×10-12）4℃。

2.3 MSP430单片机外围电路

MSP430单片机外围电路如图3所示：

串口通讯具有接线简单、性能稳定、传输数据速率较快的特点，所以该系统通过单片机串口与GSM模块通信。采用11通道10位的AD采样芯片TLC1542进行多路模拟信号的采集，在保证采样精度的同时实现多路模拟信号的采集。

3.软件设计

3.1 控制算法

由于烤烟房是一个非线性的、时变的系统，所以对烤房控制算法的设计相当重要。遗传算法是一种模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算法的基本流程就是通过判断适应度是否符合要求而对子代的不断进行遗传、变异和交叉操作，直到得到最优的子代。PID算法是一种在工业生产中被广泛应用的控制算法，具有原理简单，适用面广，参数相互独立，易于实现的特点，但其参数较难整定。将遗传算法与PID算法结合运用，解决了PID参数难整定的问题，使得系统具有良好的鲁棒性[4]。

3.2 软件流程

软件操作流程如图4所示。

通过遗传算法对PID的三个参数进行整定，根据适应度函数来获得最优参数。

在实现GSM短信通讯的时候，应该注意短信消息中心的设置，通过命令"AT+CSCA= [，]"来进行短信中心的设置。通过单片机与模块的串口通信来发送命令来实现GSM模块的控制[5]。

4.实验测试

通过实验，绘制实际的烟叶烘烤曲线和科学曲线如图5所示。

图5 实际烟叶烘烤温度曲线和科学温度曲线

通过仿真曲线得知，改智能烤烟房系统能够跟随到设定的温度曲线，在温度变化缓慢的时间段能够很好的跟随到设定值，仿真误差能控制在1℃～3℃之间。但在温度要求变化较快的时间段响应有一定时间的滞后，滞后时间在30min～70min之间，这主要是由于系统控制系统的复杂性和滞后性决定的，这对于实际的烘烤没有太大的影响，所以该系统能够实现预期的功能和效果。

5.结论

通过对智能烤房系统的测试，该系统能很好的实现智能控制功能，各项技术参数均符合实际生产要求。新增的GSM模块通信，实现了烟农与系统间的人机交互，解放了传统的烟农值守式的烟叶烘烤模式。在提高烟叶烘烤质量的同时还解放了生产力，提高劳动效率。对推动国民经济的健康持续发展以及科技兴农战略有很大的推动作用。

参考文献

[1]徐秀红，孙福山.我国密集烤房研究应用现状及发展方向探讨[J].中国烟草科学，2008，04.

[2]胡大可，季燕飞.应用MSP430 微控制器时需注意的问题[J].电子产品世界.2000（3）：63.

[3]黄晓因，张连根.单片机干湿球法测量相对湿度的计算方法研究[J].云南民族大学学报，2003，12（3）：155-157.

[4]杨国军，崔平远，李琳琳.遗传算法在神经网络控制中的应用与实现[J].系统仿真学报.2001，13（5）：567-570.

[5]莫雷（Mouly，M），帕特（Pautet，M.B.）.GSM 数字移动通信系统[M].北京：电工业出版社，1996：20-24.

基金项目：湖北民族学院科技学院2013年大学生创新项目（K201328）。

作者简介：薛承佳（1991—），男，现就读于湖北民族学院科技学院。