虚拟仪器技术在湿度测控中的应用
论文摘要：以烤烟房中的湿度环境为测控对象，设计了一个湿度测控系统，包含硬件和软件两个部分，硬件系统包括湿度采集模块、湿度信号调理部分以及湿度控制模块。软件系统采用labview8.6进行设计，包括湿度信号的采集和湿度控制两个模块。经测试，有效的解决的烤烟过程中的湿度的测量与控制这个难点问题。
论文关键词：湿度,测控
0引言
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众所周知，烟叶是一种重要的经济作物，对提高农民收入，增加政府税收有着重要的作用，因此研制先进的烘烤设备控制烟叶烘烤的温湿度环境，让烤烟的温湿度环境与烘烤工艺参数要求相符合，这对提高烤烟质量有重要作用。本文根据烤烟对湿度测控的需求设计了一个基于虚拟仪器的湿度测控系统。
1湿度测控系统构建思路：
烟叶在烘烤的过程中会产生水分，令烤房内的湿度变大，故系统通过步进电机这个执行机构来控制排风门的开关方向及开度，进而控制排出的湿气量而达到工艺要求。该设计分为硬件与软件两大部分，以个人计算机为硬件平台，配合数据采集卡、传感器、信号调理电路完成硬件配置，采用当前最为流行的LabVIEW8.6为软件开发平台。
2系统硬件设计：
该烤烟测控系统硬件由三部分组成：湿度采集模块、湿度信号调理模块和湿度控制模块。
2.1湿度采集模块：
湿度采集模块即为湿度传感器，本模块用包着蘸水纱布的热敏电阻作为传感器，来测量装烟室内水汽的温度，根据干湿球温度计原理和干球温度与湿球温度关系，即可采集到环境的湿度信号。
干湿球温度计是利用水蒸发时要吸热降温，而蒸发的快慢（降温的多少）和当时空气中的相对湿度有关这一原理制造而成的，其构造是用两个温度计，一个在玻璃球底部用白纱布包好，将纱布的另一端浸在水槽里，毛细作用使纱布经常保持潮湿，此为湿球。另一个未用纱布包裹裸露在空气中的温度计，谓之干球（干球表示环境温度），如果空气中的水蒸气没有饱和，湿球的表面不断地蒸发水汽，并吸收汽化热。因此湿球所表示的温度都比干球要低。空气越干燥（湿度越低），蒸发越快，不断的吸收汽化热，使湿球所示的温度降低，而与干球间的温差增大。相反，当空气中的水蒸气呈饱和状态时，水份便不再蒸发，也不吸汽化热，湿球和干球所示的温度，即会相等。我们可以通过干湿温度计的差值及当前温度，查出现在的湿度。
本系统则是利用这一原理逆向推理，通过烘烤工艺所要求的湿度参数来推出所要求的水的温度，通过控制烤房内水的温度（湿温）进而达到控制烤房中相对湿度的目的。
2.2湿度信号调理模块：
信号调理部分由数据采集卡和信号调理电路组成。
①数据采集卡：有效地将外部硬件设备与计算机相连。
采集卡参数要求为：
·输出输入范围：0～5v模拟输入输出
·采样周期：2秒/次
·4路模拟输入；
②信号调理电路：将热敏电阻输出的微小电压转换成数据采集卡可识别的0~+5V的信号。
该电路的特点是：差动输入端分别是两个运放的同相输入端，因此有很高的输入阻抗。
2.3湿度控制模块：
采集到的湿度信号经调理和A/D转换后送到湿度控制程序后，将湿度控制输出量由采集卡的IO0,IO1,IO2,IO3口输出给步进电机，从而控制湿度。
湿度控制是通过控制装烟房墙壁上的排风门开度实现的,根据湿度与设定值的差值来设定排风门开度的大小，排风门的控制采用步进电机，根据历来现场的实际操作经验,湿温每超出设定值0.5°C，排风门的开度增大18度，当湿温低于设定值0.5°C，排风门的开度减小18度。排风门最大开启90度，最小为0度。当湿温高于设定值2.5°C，排风门将保持在90度不变，当湿温低于设定值的2.5°C时，则关闭排风门即0度不变，直到符合设定湿温指标为止。
系统选用四相四拍，步距角为1.8度的步进电机。正反转控制通过改变步进电机的通电顺序来改变其转向，当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA-AB时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB-DA时为反转。
驱动步进电机采用的是恒压恒流桥式驱动芯片L298N。按照湿度环境条件，对采集卡的I00，I01，I02,I03口输出口进行信号的输出控制。
3软件设计
软件设计分为湿度信号的采集和湿度控制两个模块：
3.1湿度信号采集模块
数据采集模块完成对数据采集卡的驱动以及各项参数设置,如通道设置、增益、读写状态等。实现方法是在LabVIEW界面下调用采集卡提供的AIsimple函数,通过采集卡AI0，AI1，AI2，AI3四个通道同时对湿度信号进行采集。之后连接解析簇函数unbundle函数解析出一文电压值数组，再由索引数组函数IndexArray给函数四个索引端口连接索引值，element参数输出该索引值对应的电压值。最后经过湿度四路求平均，求出传感器采集的烤房内的湿度电压值，经过换算得出湿度值。
由于数据采集卡输出的是湿度对应的电压，因此要把湿度设定值T在与采集的电压量比较之前应该将其转化为对应的电压量。
3.2湿度控制模块
图1湿度控制框图程序
Fig1thediagramprogramofHumiditycontrol
该程序的设计应用了嵌套case结构的形式，外层case结构对步进电机是否做出动作进行控制，当传感器采集的湿度在规定的湿度上下限内，步进电机不动作，当超过阈值范围，则进入第二个CASE结构的程序，调用“步进电机”子VI，输出相应的步进电机控制电压，并对具体情况在前面板进行报警。当湿温过大，则对步进电机进行正转控制，让其带动排风门张开的角度变大，当湿温过低，则对步进电机反转，缩小排风门张开的角度。程序中的参数“上一次角度”在步进电机子程序中进行累加，在主程序的WHILE大循环的移位寄存器上进行传递，从而对排风门的进行限位，对当前的打开的度数进行计算判断是否继续转动。
图2步进电机控制框图程序http://www.751com.cn
Fig2thediagramprogramofStepperMotorControl
步进电机子VI程序如图2所示:调用采集卡的DigitalI/O函数来进行IO0到IO3的写操作，左边CASE结构通过湿度控制程序中枚举输出量来进入正转或是反转程序分支，并在此CASE结构中进行超限判断，如果未超限则进入右面CASE结构中的“真分支”，对输入输出方式及对控制步进电机的驱动芯片L298N的四个输入控制口进行设定。如果超出限制范围，则进入假分支，直接输出前一次角度。
4结论与展望
经过仿真，该系统克服了控湿的烦琐操作和夜间观察调节的诸多不便，大大降低了烘烤劳动强度，有效提高上等烟比例，有利于烤烟烘烤质量的稳定和提高。在烟叶生产中具有广阔的推广应用前景。
参考文献
1 郭阳明 基于虚拟仪器的温湿度测量系统设计与实现 [J] 中国测试技术 2008,5(3):302-305.
2 赵一丁 自动控制系统(第2版)[M].北京邮电大学出版社.2007