賴義漢，鄧翠萍，簡浪波，王一鳴，劉義強

(1.龍巖學(xué)院物理與機電工程學(xué)院，福建龍巖364012；2.龍巖市新羅區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，福建龍巖364000）

在堆肥發(fā)酵控制系統(tǒng)中，為了提高堆肥的發(fā)酵效率及發(fā)酵品質(zhì)，通過給料堆增加氧氣，使發(fā)酵更加充分和均勻[1-2]。系統(tǒng)采用腔式負壓有氧發(fā)酵裝置，即在發(fā)酵腔內(nèi)預(yù)設(shè)腔體，采用風(fēng)機等設(shè)備，使腔內(nèi)產(chǎn)生負壓狀態(tài)，使氧氣源源不斷從料堆表面進入腔體，從而保證發(fā)酵料堆有充足的氧氣[3]。發(fā)酵的不同時期對溫度及氧氣濃度有不同的要求，要實時調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速及工作時間來控制風(fēng)量，從而達到調(diào)溫、控氧的目的。

在傳統(tǒng)的風(fēng)機調(diào)速中，一般是通過調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角的模式進行調(diào)控，這種控制方式電路比較簡單但效率相對較低，一般適用于功率比較小的風(fēng)機，而對于風(fēng)量大且功率較高的三相風(fēng)機，則一般采用變頻器來進行調(diào)控[4-5]。目前，變頻器的調(diào)速方法主要有變頻器面板操作、變頻器模擬量輸入端口控制、變頻器的串行通信口等3種[6]。本設(shè)計主要控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)速及工作時間，采用模擬量輸入控制，主要優(yōu)點是更為便捷。系統(tǒng)以單片機為控制核心，通過對數(shù)字電位器編程調(diào)節(jié)其輸出電壓來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)風(fēng)機調(diào)速等，電路簡單，操作方便。

1 風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)組成

風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、數(shù)字電位器、變頻器、實時時鐘模塊、LCD顯示模塊、溫度檢測模塊、按鍵等部分組成，圖1為系統(tǒng)方框圖。溫度傳感器采集發(fā)酵料堆的溫度值，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的工作時間，由單片機控制數(shù)字電位器輸出電壓，給變頻器的模擬信號輸入端口，控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風(fēng)量的控制，對堆體溫度及氧濃度進行調(diào)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)方框圖

2 電路實現(xiàn)

2.1 單片機與外部模塊接口電路

單片機采用STC15F2K60S2芯片，該單片機內(nèi)部集成有高精度的晶振電路和復(fù)位電路，外圍電路簡單。單片機控制系統(tǒng)主要由按鍵、實時時鐘接口電路、溫度檢測電路、液晶顯示接口電路、數(shù)字電位器X9C104接口電路等組成，單片機與各模塊接口電路如圖2所示。其中按鍵S1為模式開關(guān)，可在溫度閾值設(shè)置模式、風(fēng)機工作模式、時鐘校準模式之間進行切換；S2為調(diào)整鍵（+），S3為調(diào)整鍵(-)，S4為自動/手動切換工作模式。實時時鐘采用DS1302芯片，為系統(tǒng)提供時鐘，可定時設(shè)置風(fēng)機的工作時間，液晶顯示模塊采用高亮度低功耗的OLED12864顯示器，用于顯示系統(tǒng)時間、溫度、風(fēng)機的工作狀態(tài)等，其與單片機之間采用三線制通信模式。

圖2 單片機與各模塊接口電路圖

溫度檢測電路采用DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器，其具有電路簡單、精度高，其輸出通過一個上拉電阻與單片機連接進行通信。溫度傳感器采用不銹鋼探針，具有耐腐蝕的特性，溫度傳感器固定在一個伸縮桿裝置上，可方便測量不同深度的物料發(fā)酵的溫度值。

2.2 單片機與數(shù)字電位器的通信

數(shù)字電位器具有調(diào)節(jié)精度高、無機械磨損、工作壽命長、無噪聲和數(shù)據(jù)可讀寫等特點，其內(nèi)部有配置寄存器及數(shù)據(jù)寄存器，具有非易失性功能[7]。本設(shè)計采用美國Xicor公司生產(chǎn)的X9C104系列高精度數(shù)字電位器，其內(nèi)部由輸入控制部分、可逆計數(shù)器、非易失性存儲器、譯碼器、電阻陣列組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中電阻陣列由99個電阻單元串聯(lián)而成，每個電阻由1個MOS管作為控制開關(guān)控制其導(dǎo)通和斷開[8]，由可逆計數(shù)器輸出通過譯碼器實現(xiàn)電阻陣列100選1的操作。該數(shù)字電位器輸出分為100階，每階變化為1 010 Ω，輸出阻值范圍為40 kΩ～100 kΩ，電阻陣列中的每抽頭點的位置可以存儲在非易失性存儲器中，在下一次工作時可以被重新讀取之前存儲的抽頭點的數(shù)據(jù)值。

圖3 X9C104內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

X9C104共有8個引腳，其中VCC為芯片的電源，其工作電壓為+5 V，為控制端口，RH、RL、RW分別為三端電阻器的兩個固定端口和一個可調(diào)端口，三個輸入端口的高/低電平和上升/下降沿組合實現(xiàn)電位器RW端的滑動，該器件具有數(shù)字設(shè)置以及掉電保存設(shè)置的功能，可以替代一般的電位器對模擬電路的一些參數(shù)進行修改。

單片機與X9C104采用三線制的通信模式，其電路如圖2所示，其中分別與單片機的P3.7、P3.6、P3.5連接。其管腳功能如表1所示，為片選信號，低電平時芯片工作，Dˉ為控制抽頭點的移動方向，當Dˉ為高電平時抽頭點向高端移動，每產(chǎn)生一個下降沿，輸出端電阻增加一個單元電阻值，當為低電平時抽頭點向低端移動，每產(chǎn)生一個下降沿，輸出端電阻減小一個單元。片選信號由低電平向高電平跳變時，并且為高電平時儲存抽頭點位置，下次上電時依然保持該位置；片選信號為高電平時保持現(xiàn)狀；片選信號由低電平向高電平跳變時，并且為低電平時恢復(fù)初始狀態(tài)，記憶點清除。

表1 X9C104管腳功能表

2.3 變頻器的設(shè)置及控制

2.3.1 變頻器啟動/停止控制

頻率器采用臺達VFD－L系列，其采用的是單相220 V輸入，三相輸出。變頻器的運行/停止由繼電器控制，其控制電路如圖4所示。當單片機的P1.6(Relay_D)輸出低電平時，通過光電耦合器U2使三極Q1導(dǎo)通，繼電器吸合，變頻器的模擬端口M0接地，變頻器工作，反之，P1.6輸出高電平，繼電器斷開，變頻器停止工作。光電耦合器起隔離作用，D1為續(xù)流二極管起保護作用，LED1為變頻器工作指示燈,變頻器工作時指示燈亮，停止工作時，指示燈滅。

圖4 變頻器啟動/停止控制電路

2.3.2 變頻器設(shè)置

變頻器調(diào)速電路采用模擬端口控制，其輸入端口的模擬電壓調(diào)節(jié)范圍為0 V～10 V，由于數(shù)字電位器工作電壓為-5 V～+5 V，本次設(shè)計工作電壓為+5 V，因此，其輸出電壓范圍為0 V～5 V，與變頻器的模擬量接口電壓范圍不匹配，必須把數(shù)字電位器輸出的0 V～5 V電壓變換成0 V～10 V的輸出電壓，其轉(zhuǎn)換方法有多種，可以增加額外的電路如運算放大器或其他變換電路來實現(xiàn)。本設(shè)計保持數(shù)字電位器輸出0 V～5 V電壓不變的情況下，通過調(diào)整變頻器增益的方式來實現(xiàn)電壓變換功能，即增益增大一倍，電壓縮小一半，如圖5所示，把變頻器的增益由原來的100%設(shè)置為200%，則變頻器電壓與頻率之間的變化關(guān)系由AB變成AB’。變頻器出廠時增益為100%，模擬電壓調(diào)節(jié)為0 V～10 V，工作頻率為50 Hz。現(xiàn)把變頻器的增益調(diào)整為200%，當輸入模擬電壓為0 V～5 V，變頻器輸出的頻率仍然保持0 Hz～50 Hz范圍變化，實現(xiàn)了輸入0 V～5V與0 V～10 V相同的效果，無須另外增加額外電路。

圖5 電壓與頻率變換圖

3 軟件設(shè)計

圖6為系統(tǒng)主程序流程圖。單片機啟動后先進行系統(tǒng)時間設(shè)置，然后進入溫度值設(shè)定和工作模式設(shè)置，當工作在自動模式時，若料堆的溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，則變頻器不工作，如果比預(yù)設(shè)置的溫度值低或高，則啟動變頻器，風(fēng)機工作，使外界的氧氣源源不斷進入料堆，為物料發(fā)酵提供所需的氧氣，使有氧發(fā)酵更加充分和均勻。如果是手動模式，則由按鍵控制風(fēng)機工作，同時通過按鍵（+）或按鍵（－）來調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來控制風(fēng)量。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

4 系統(tǒng)測試及結(jié)論

首先，設(shè)定變頻器的操作參數(shù)，把變頻器操作參數(shù)02-00設(shè)定為d1（主頻率為外部端子輸入信號，DC：0 V～10 V控制）；參數(shù)02-01設(shè)定為d2（運轉(zhuǎn)指令由外部端子控制，鍵盤STOP無效）；參數(shù)04-02的增益設(shè)置為200%；變頻器參數(shù)01-00最高輸出頻率設(shè)置為50 Hz。系統(tǒng)采用手動控制模式，通過按鍵調(diào)節(jié)數(shù)字電位器輸出模擬電壓0 V～5 V變化，從變頻器中讀出其輸出頻率，通過轉(zhuǎn)速測量儀測量風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，風(fēng)機采用CBF-400，功率為0.37 kW，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，風(fēng)量為2 880 m3/h。通過測試，數(shù)字電位器輸出電壓與變頻器輸出頻率及風(fēng)機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如表2所示。從表2測試數(shù)據(jù)可知，單片機與數(shù)字電位進行通信能夠很好地調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實現(xiàn)風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

表2 數(shù)字電位器輸出電壓與變頻器工作頻率及轉(zhuǎn)速關(guān)系表

利用單片機與數(shù)字電位器進行通信，通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的輸出電阻，得到不同的輸出電壓值，作為變頻器的模擬電壓控制信號，實現(xiàn)了由單片機控制變頻器的一種控制方法，整個控制系統(tǒng)硬件電路簡單，成本低，已在畜糞有氧發(fā)酵控制系統(tǒng)中得到初步的應(yīng)用，通過設(shè)置物料堆溫度的閾值可實現(xiàn)風(fēng)機的啟、停和風(fēng)機的調(diào)速，調(diào)節(jié)料堆氧濃度及溫度，系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定，達到預(yù)期的效果。