烤烟叶温实时监测仪的设计

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烟叶烘烤是为了将烟叶在田间积累的优 良性状充分显露和发挥出来 .是烤烟生产 的重要环节 目前我国在烟叶烘烤工艺方面普遍采用国际上流行的三段式烘烤法1J.其中每-阶段的温湿度变化都会影响烤烟质量 传统的温湿度监控方式以人工为主.劳动强度大且仅靠经验判断，效果很不理想：-些偏远烟区采用干湿球温度计 .用湿球温度代替烟叶温度 .测量准确度撒于温度计的精度.操作不便且需要加水维护翻：现阶段的烟叶烘烤温湿度测量仪采用了精度较高的传感器[34j.通过测量烤房环境温度实现烟叶烘烤温度的间接测量.存在不能直接获得烟叶温度的缺点.且仪器体积较大、存储容量孝停电时无法工作。针对上述问题 .笔者尝试研制烤烟叶温实时监测仪 .设计能够使传感器与烟叶紧密接触的机械装置.直接测量烟叶表面温度.然后通过后续的电路将温度值显示出来.旨在科学地实现烟叶表面温度的测量.使整个烟叶烘烤过程具有可控性.提高烤烟质量1 系统结构烤烟叶温实时监测仪主要由机械夹具设计 、硬件电路和软件系统组成 机械夹具可以将传感器固定于烟叶表面进行接触式测量 硬件电路主要由传感器、信号处理电路 、模数转换拈、微处理器模块 、储存拈 、电源拈和显示拈组成，铂热电阻采集烟叶表面温度信号 .经过信号处理电路得到线性变化的电压信号 .通过模数转换及单片机处理得到烟叶表面温度 .温湿度传感器通过程序读出环境温湿度 软件系统包括单片机软件和上位机程序.通过软件系统实现测量过程的控制、数据显示和储存以及历史数据的查询 系统总体结构如框图1所示图 1 系统结构框 图Fig.1 Diagram of the system block收稿日期：2012年 12月 7日 修回日期：2013年 1月21日基金项目：国家自然科学基金项目 (6067105 --作物叶片周期性增厚机理及水分优化控制的研究第-作者：徐鹏飞，男，1987年生，河南南阳人，硕士研究生；研究方向为植物物理信息监测技术。E-mail：af532###163.com通讯 作者 ：李 东升 ，男 ，1957年 生 ，吉林 梨树 人 ，博 士 ，教授 ；研究 方 向为植 物物理 信息 检测 技术 。E-mail：lidongsheng###cjlu.edu.ca第 5期 徐鹏飞 等：烤烟叶温实时监测仪的设计2 系统硬件设计2.1 机械夹具设计4图 2 机 械 夹 具 示 意 图Fig.2 Diagram of the mechanical fixture1.夹板 2.螺栓 3.弹簧 4.传感器 5.固定块 6.隔热材料夹具由两块狭长的夹板和两个固定块组成.在夹板左右两端各安装了-个螺栓.螺栓上装有弹簧.起加紧固定烟叶的作用.铂热电阻放在固定块中部凹槽处，保证了铂热电阻与烟叶的良好接触.铂热电阻周围放有石棉，具有隔热的作用.减小了夹具材料对烟叶温度场的影响.夹具正下方有-圆形气孔.保证了所测烟叶与空气的接触.而且可以尽量减行具与烟叶的接触.使测量结果更准确。

2.2 叶温测量拈温度传感器选用 S1TI、-F系列铂热电阻.温度测量范围0 100C，0C时电阻为 100f.测量精度为 A级。满足了烟叶表面测温需求铂电阻采用不锈钢封装 .减少了有害介质的侵蚀 .避免了机械损伤.内部填充导热材料和密封材料，利于铂电阻的固定和传热。

铂热电阻信号处理电路中采用的核心元器件为：温度 -电流变送器 XTR105.精密电流电压变换器RCV42 XTR105可将温度变化量线性转变为只与铂电阻的阻值有关的标准电流信号.从而消除了引线电阻误差；同时，XTR105还具有线性补偿作用∩以提高测量精度。RCV420的作用是将输出的电流信号线性转换为0-5V的标准电压信号。便于后续电路的处理。

信号处理电路如图 3所示：图 3 铂 电阻信号处理电路Fig.3 Signal processing circuit of platinum resistance2.3 环境温湿度测量拈温湿度测量芯片选择了基于CMOS技术的数字式温湿度传感器 SHT1 1.它将已经校准的温度传感器和相对湿度传感器结合在-起.避免了由于两者温度不同而产生的误差，具有免调试、免标定、免外围电路的特点。利用单片机的IO口虚拟 IzC总线.并在 D 。

ta端接 人- 个上 拉 电阻 即可实 现测量 。MSP430与SHT11的接口电路图见图4。

V∞Vim图 4 SHT11与 MSP430的接 口电路Fig.4 I11e interface circuit of SHT1 1 and MSP4302.4 模数转换拈模数转换电路采用的是连续 自校准模数转换器ADS1100，它以串行的方式将信号送人单片机.而且可以自动关闭自身电源以减少系统在空闲周期的电流消耗 。从 占用 空间 、功耗 以及分辨 率等方 面分析 。

ADS1 100满足了电路硬件设计的要求。模数转换拈如图 5所示AGAGD3图 5 模数转换拈Fig.5 The ana10g-to-digita1 conversion circuit2.5 微处理器拈考虑到系统对功耗的要求 .选用超低功耗的MSP430系列单片机，其具有处理能力强、运算速度中国农机化学报 2013钲快和资源丰富等特点.内部集成了高达60KB的闪存和各种高性能模拟器件.工作电压仅需 3.6v.配备电池后也可工作较长时间，且容易实现便携。

2.6 储存拈- 次烟叶烘烤需连续 7天左右 .此过程中温湿度的记录是必不可少的.为避免掉电后的数据丢失.选用数据储存器 24LC515，具有 512K的存储空间。以实际测量的数据量估算.可以连续记录 l0天以上。

而且有专门的写保护功能.可以在断电的情况下保持数据不丢失27 电源拈和显示拈电源拈提供仪器运行所需要的电压.其中利用芯片 LM2576提供5V的电压.芯片ICL7762提供-12V的电压.芯片 LM1117-3-3提供 33V的电压 .还安装了内置锂电池可以保证停电后仪器的正常工作 仪器显示拈采用点阵图形液晶显示拈 LCD12864。

3 系统软件设计3.1 单片机软件设计系统主程序软件流程图6所示。

图 6 系统主程序流程 图Fig.6 Main program flow chart of the system仪器的单片机软件采用 C语言编写，软件部分主要包括数据测量、查询模式、上位机通信和时间设置-机后，系统首先进行各拈的初始化设置，然后显示开机画面并打开中断.操作界面会显示 数据测量”、 历史数据”、 通信设置”、 时间设置”四个选项 设置 数据测量”以后.仪器开始实时显示测量数据.并且每隔 lOmin保存-组数据，包括环境温度、环境湿度、叶片温度和时间。测量的数据保存在外部存储器中.测量-段时间以后.可通过按键返回上-界面.选择查看数据或者进行存储器的清空操作 选择与上位机通信.既可以把外部存储器的历史数据传送到上位机.也可以将监测的数据在上位机界面实时显示3.2 上位机软件设计使用LabVIEW软件编写上位机界面 采用可视化的窗 口形式 ，实现 良好 的人机对话功能 。使用上位机界面时先选择串I：3.然后进行实时读娶查看历史数据 、获得温湿度曲线等操作 ，还可以将数据保存为文档.方便用户的后续处理。上位机界面如图 7所示图 7 上位机界面Fig.7 PC interface4 仪器标定实验及不确定度分析4.1 仪器标定实验标定拟合直线见图8。

图 8 仪器标定拟合直线Fig.8 Calibration fitting line of the instrument由于电子元器件自身存在误差，而且不能排除环境对测量的影响。测量结果会存在-定程度的偏差。

第 5期 徐鹏飞 等：烤烟叶温实时监测仪的设计为评价仪器的性能，利用 RST-01B恒温槽对仪器进行标定.恒温槽的精度为 0.OIC。仪器标定温度间隔设为 5cC.从 2O℃开始.记录不同温度下仪器示数与二等水银温度计的读数。

从图8中可以看出测量数据的线性度较好.线性度误差为 0.0035.仪器的最大示值误差为 O.4℃，满足了烤烟叶温度实时测量的要求4.2 仪器的不确定度分析仪器的不确定度来源包括被检仪器的不确定度和标准器的不确定度.根据烤烟三段法烘烤工艺.选取42C作为校准点。根据 JJG617-96数字温度指示调节仪的检定规程，其数学模型为：A (1)式 中：△A--测量误差 ，℃；A 厂 仪器示值，℃；A --二等水银温度计示值，℃。

当恒温槽稳定在42。时.二等水银温度计示值为42.07℃。用仪器进行 10次等精度测量得到的数据为 ： 42-3℃ 、 42.4℃ 、 42.4cI二、 42.4℃ 、 42.3cI二、42.4℃、42.4C、42.3C、42.4C、42.4℃。由测量平均值算出该点示值的修正值为 0.3C4.2.1 仪器不确定度分量 似1)测量重复性引起的不确定度分量 .，采用 A类方法评定。单次测量的标准差or ， 0.048℃ 。

自由度为： l10-19式中： 广- 的残余误差；n--测量次数2)由仪器的分辨力引入的不确定度分量为 /Z ，采用 B类方法评定。仪器的分辨力为 0.1oC.不确定区间半宽a0.05℃，符合均匀分布， n/、/丁0.03C，取相对标准差为20%，自由度为v21/2(20%)12。

3)仪器不确定分量合成 、/三 d0.058℃，自由度为 M 4/ 堕 -15.2，取 l5。

l 'Ui4.2.2 标准温度计的不确定度分量 u 1标准器的不确定度来源[6]包括二等水银温度计测量重复性、分辨力引入和读数误差。

11测量重复性引起的不确定度分量用 A类方法评定，求得 M 0.014C。 9。

21由二等水银温度计读数分辨力引入的标准不确定度用 B类方法评定，求得 u4 0.006oC，v412。

31读数时由于视线不垂直引入的标准不确定度用 B类方法评定。求得 t5 0.004C，v512。

标准器不确定度分量合成 u(A )、/ 鬲丽 -0.016C，自由度为 ) 13.8，取 l4。

4.2.3 合成标准不确定度因为上述几个不确定度分量是互不相关的.所以合成标准不确定度为u (aa)、v/ 丽 0.06℃.计算可得有效 自由度vef17。

4.2.4 扩展不确定度评定取置信概率 P99%.查 t分布表.得到覆盖因子为 k9 2.90，可得 k9Xt。-0.20C。

5 结束语烤烟叶温实时监测仪使用接触法实现了烟叶表面温度的直接测量.还可以监控环境温湿度.具有低功耗和大存储量的特点，配合上位机界面，数据处理能力强，操作方便。该监测仪经过河南农业大学在河南洛宁烟区的实地使用，取得了良好的效果，具有较好的推广前景，对研究烟叶的烘烤过程及提高烟叶烘烤质量有重大意义