CN101411542A - 基于颜色或重量的烘烤控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于烘烤设备领域，尤其像烤烟等需要多阶段烘烤的自动控制系统。其特征是使用色敏传感器、称重传感器，自动根据烘烤物的颜色变化和重量变化率与存储的专家判断标准相比较，准确的把握烘烤物的烘烤阶段，调整各个阶段的烘烤时间，自动转入下一烘烤阶段，调节温湿度，能够实现全程无人自动烘烤，改变了过去设备依赖于人工感观凭经验判断烘烤阶段、调整设置，自动化程度低，烘烤质量不稳定的现象。从而使烘烤设备更加简单易用，提高了产品质量等级，更加节省人力资源和能源消耗。

Description

基于颜色或重量的烘烤控制系统

本发明涉及一种烘烤过程中使用的温湿度自动控制系统，典型应用需要多阶段烘烤的生产中，如烤烟的烘烤过程。

以烤烟为例说明本发明的特点，其他农副产品的烘烤与其相类似。

烤烟需要建设专门的烤房或烤箱和加热系统，有的还有通风排湿和热风循环装置，烟叶放在烤房中被烘烤成一定质量等级要求的产品。以前烘烤的过程控制都是人工控制加热系统和通风排湿装置来调控温湿度。现在在烤烟生产过程中普遍推广使用温湿度控制系统，能有效的实现烤烟过程中对温湿度的控制，减轻烘烤人员的劳动强度，对烤房内环境快速达到理想的温湿度和保持稳定的温湿度有良好的控制效果，很大程度上提高了烤烟生产效率和产品质量。例如烟草行业的《密集式烤房技术标准》和《密集式烤房烘烤技术规程》中提及的烤烟温湿度监控仪(自控仪)包括外接干湿球温湿度探头(干球检测温度，湿球检测湿度)、热风循环风机、火炉鼓风机、控火门、进风门和排湿风机等，能根据检测到温湿度和设定温湿度的偏差，通过火炉鼓风机、控火门控制火炉燃烧来控制温度，通过进气门和排湿风机来控制湿度。根据通用的烤烟三段式烘烤理论，烟叶烘烤分变黄期、定色期和干筋期，每个期间有分多个阶段，每个阶段都需要不同的温湿度要求和保持时间，阶段之间的转换要及时，才能烤出金黄色的上等烟，过早或过晚转换都会使烟叶青筋、浮青或者棕褐色、发灰等，降低产品质量等级，甚至烤坏烟叶。现在的监控仪都内部存储有烘烤过程的一条或多条理论专家曲线，都符合三段式烘烤理论。参考《烤烟三段式烘烤导论》一书。

但现在烟农根据三段式烘烤操作规范，判断烟叶阶段划分是根据烟叶颜色和形态的变化综合判断的，如颜色变化分1成黄到9成黄，标准有绿中泛黄、黄绿色、绿黄色、黄中带绿、黄片青筋、黄片黄筋等。形态的变化分烟叶膨硬、叶尖便软、叶片软、主脉软、勾尖卷边、小卷筒、大卷筒、干筋等。这种靠视觉手感区分判断有很大的主观成分和经验性，没有统一界定的标准，不利于交流和传授和掌握。在烤烟过程中烟农要不断的观测烟叶的变化是否和监控仪中内设曲线的现实进度一致，如果不一致就要在线调节监控仪的曲线温湿度设定和时间长短。监控仪有内设曲线只是一种最理想的状态，是死的曲线，而实际过程是动态的，如果没有经验丰富的操作员的在线调整监控仪，就不能烤好烟，还会烤坏烟造成很大的经济损失。也就是说现在的监控仪不能全自动的控制整个烤烟过程，还依赖人工不断的在线调整，只能是一个辅助工具。

本发明就是要实现烘烤全过程自动化，克服依赖人工调整的缺陷。

概括起来讲，烟叶烘烤的过程就是通过调控烟叶的环境温湿度这两个外部条件，促使烟叶的内部物质转化、脱水干燥的过程，体现在外部就是颜色和形态的变化。所以依据外部的变化可以掌握内部物质转化的进程，再逐步调节外部环境温湿度，控制失水率【失水率＝重量变化率＝(初始重量—实测重量)/初始重量】，达到烘烤目的。温度、湿度、重量的关系是：提高环境温度提高单位空气的容水能力，便于烟叶水分向空气中转移，干球测得的就是环境温度，湿球温度与实际烟叶的组织温度相一致，干湿球温度差反映的是环境的相对湿度，相对湿度越大随后烟叶失水就越难，重量变化就慢。

本发明与现有仪器烤烟区别在于前者不依赖人工识别烟叶形态和颜色，来判断烟叶变化程度，再设定自控设备，而是自动识别、判断，自动控制整个烤烟进程。能直接体现烟叶内部变化的是颜色由绿变黄和重量由重变轻。烟叶形态的变化，本质上是由烟叶失水干燥，变轻引起的。在烤烟过程中颜色的变化，在变黄和定色前期比较明显，而失水干燥引起的重量变化从始至终一直都在发生，采收鲜烟叶由于天气和烟叶生长条件不同，含水量占重重量的84％～87％。变黄期控制在36～45℃，相对湿度在85％～50％，失去30％的水。定色期温度50～55℃，相对湿度下降到28％～23％，失水60％。干筋期温度升高到60～65℃，相对湿度下降到17％～14％，失去5％的水分。

本发明就是在现行的烤烟温湿度监控系统的基础上增加检测颜色装置(色敏传感器)和检测重量的装置(称重传感器)。

本系统包括监控主机、检测输入部分、控制执行部分组成。

监控主机包括电源、单片机AT89S52电路、存储器AT24C64、显示和按键电路、输入信号调理、AD转换电路、可控硅输出控制电路、步进电机驱动电路组成。机壳正面上有LED数码管组成的显示窗口，分别显示烘烤过程中的干球温度、湿球温度、颜色参数、重量参数，显示电路还包括LED指示灯电路，指示各种运行状态。电源电路由交流输入变压器和LM2575开关电源芯片组成将220V交流电或6V干电池直流电变成供整个系统使用的5V直流电源。输入信号调理电路包括直流差分电桥电路、信号放大电路、零位调整电路等组成，将干湿球温度传感器和称重传感器、色敏传感器输出的微弱信号进行调整和运算放大，变成适合AD转换电路可以识别的0～5V的直流电压。AD转换电路采用TLC2543多路输入串行输出器件，将各路传感器调理后的模拟信号转换成数字量，由单片机读取。可控硅输出控制电路将单片机输出的控制脉冲经光耦MOC3020隔离，控制可控硅BTA08的导通角，从而控制执行部分电动机的转速。步进电机驱动电路将单片机IO口输出的步进驱动并行序列经过光耦TLP521-4的隔离，经三极管B892放大，到输出接口，控制进气门或控火门步进电机正反转和转动的角度。单片机AT89S52电路是监控主机的核心，包括AT89S52CPU芯片、晶振电路、电阻电容复位电路、IO???口扩展74HC573、74HC574和74HC138片选译码芯片组成，功能是读取AD转换电路各通道的数字，内部程序比较运算，输出控制可控硅和步进电机电路。存储器AT24C64内部存储多条烘烤专家曲线，包括每个阶段的设定干球温度、设定湿球温度、干球温度变化速度、阶段终了颜色阀值和重量变化率判断标准。

检测输入部分包括干球温度传感器、湿球温度传感器、色敏传感器、称重传感器等。传感器的作用就是其他物理量转换成电量。干湿球温度传感器使用热敏电阻，也可使用热电耦或者数字温度传感器DS18B20，湿球温度传感器还需要棉纱包裹，棉纱下端插在小水瓶中。色敏传感器采用双硅光电二极管，它是两个光电二极管沉积在硅的不同深度，就能采样不同深度透入的不同波长的可见光，不同颜色照射产生两光电二极管的导通电流不同，通过主机上信号调理部分差分放大电路，产生不同电压，区分出整体颜色。也可以使用数字式颜色传感器，比如安捷伦公司的HDJD-S722-QR999或者美国TAOS的TCS23等测颜色的装置。称重传感器选用20KG左右量程的拉力式称重传感器(或者叫力传感器，应变传感器，微位移传感器，本质都是测重量的装置)，它是由不锈钢S形弹性体，在其应变集中的上下两面贴电阻应变片构成，在拉力的作用下上面的应变片拉伸，电阻增大，下面的应变片收缩，电阻变小，接到监控主机直流电桥中，将其变化转换成电压，就能检测出实际重量。控制执行部分和现有的烤房温湿度监控系统配置一样，包括循环风机、鼓风机、排湿风扇、电动进气门、电动控火门等。其中循环风机、鼓风机、排湿风机在监控主机可控硅控制下可以以不同的转速转动，循环风机作用是促进供热系统(火炉加散热器)和烤房之间的热风循环；鼓风机作用是调节供热系统火炉的进气量，从而调控燃烧强度，最终调控烤房内的温度，需要升温就控制鼓风机高速转，需要降温就控制鼓风机低速转甚至停转。排湿风机作用是以不同的速度转动，排除烤房中湿空气，需要降低烤房湿度就控制排湿风机高速转，需要维持湿度就控制排湿风机低速转甚至停转。电动进气门、电动控火门有个步进电机驱动的活板结构，能在监控主机的控制下正转或反转，可停在任意角度。作用是替代排湿风机和鼓风机，需要降低烤房湿度就控制电动进气门开大，需要维持湿度就控制电动进气门关小甚至完全关闭，需要升温就使电动控火门开大，需要降温就控制电动控火门关小甚至关闭。

在使用过程中，根据烤房的类型将本系统的控制执行部分的部件，按照烟草公司《密集烤房技术标准》安装在不同的位置，将干湿球温度传感器调挂在烤房中间，取中间一或两杆烟作为标准烘烤参照烟，将其挂在称重传感器的下挂钩上，将称重传感器上挂钩固定在烤房中间的挂烟梁上，将色敏传感器对准参考烟叶，开启辅助照明，连接好各部分和监控主机，监控主机就可是测得初始的色度和重量了。烘烤过程中监控主机不断的读取传感器的色度和重量值，运算出同实测色度和重量变化率，同存储器24C64中的本阶段终了的色度和重量变化率作比较，利用程序逻辑判断出何时该转入下一阶段的烘烤，再读出下一阶段的设定干球温度、设定湿球温度、干球温度变化速度，跟实测干球温度、湿球温度比较，运用PID(比例微分积分)控制算法计算出控制输出部分的各通道输出值，控制升降温和控排湿，直到整个烘烤过程结束，烘烤出优质的烤烟产品。由于完全按照存储的专家经验曲线烘烤，曲线各段转变及时准确，也能在确保产品高等级率的同时，缩短烤烟时间，节省烘烤燃料和电能。

由于烤烟采摘的雨天与旱天，烟叶在植株上的上中下部位不同，决定烟叶的含水率不同，烤烟前要根据情况选择不同的烘烤指导曲线。在颜色和重量的算法判断时，在烘烤前期也就是变黄和定色期依靠颜色因素大，后期依靠重量因素大。由于根据颜色变化可以指导到定色期，在后面的干筋期发生烤烟问题的可能小，在实际实施过程中也可以只用色敏传感器而不用称重传感器，又由于烘烤过程中重量变化从始至终一直都在发生，在具体的实施过程中，也可以只用重量传感器作为判断烘烤阶段的标准。

增加了色敏传感器(测颜色的装置)和称重传感器(测重量的装置)后，能不停的检测烟叶的颜色和重量变化率，相当与有一个专家在烤房不停的观测烟叶的变黄程度和烟叶的形态变化，随时调整曲线各段的烘烤时间，比现有的设备只存储一些死的专家曲线，还要经验丰富的技术人员操作才能烤烟相比，解决了现有烤房设备自动化程度低的问题，更加简单易用，进一步提高生产效能。

本系统还能应用在大枣、香菇、辣椒、香蕉、玫瑰花、金银花、葡萄、木耳、银耳、蒜、百合、紫菜等农副产品、海产品、药材的烘干生产中，提高产品质量，有很高的推广应用前景。

Claims (3)

1.一种烘烤控制系统，包括监控主机、检测输入部分、控制执行部分，其特征在于检测输入部分有检测颜色的装置和检测重量的装置。

2.一种烘烤控制系统，包括监控主机、检测输入部分、控制执行部分，其特征在于检测输入部分有检测重量的装置。

3.一种烘烤控制系统，包括监控主机、检测输入部分、控制执行部分，其特征在于检测输入部分有检测颜色的装置。