摘 要：烘道廣泛應用于絲網印刷、紙張、噴染、電鍍以及印刷電路等行業，烘道中物料傳送帶跑偏、烘干室溫度變化是影響烘道正常工作的重要因素。以單片機AT89C51 為核心，設計一種以模糊控制和光電糾偏為一體的烘道自動控制系統。采用C51 語言進行軟件編程，模糊控制原理進行溫控，選用TA8435 芯片驅動步進電機，實現物料傳送帶糾偏和溫度自動控制。紙張烘干實驗表明，該系統能夠實現傳送帶糾偏3-8mm 和實時監測工作溫度并穩定在780-820。
關鍵詞：模糊控制；糾偏；溫度控制；單片機
0 引言
伴隨著國內絲網印刷、紙張、噴染、電鍍以及印刷電路等行業的發展，在生產工藝當中對烘干設施的要求也越來越高。不同材料所需加熱和冷卻方式有所不同，目前加熱方式主要有加熱皿、遠紅外燈管、紫外線燈管等多種加熱方式；冷卻方式有水冷、風冷和空調制冷等多種形式。烘道控制核心就是要保持烘道內溫度穩定在工藝要求范圍內[2]，在傳輸過程中不出現偏差。目前，烘道上多用的糾偏裝置有導輪、滑道和限位輪等糾偏裝置，導輪通過網帶與導輪摩擦力和改變縱向網帶偏角達到糾偏，滑道通過沿橫向移動，改變縱向網帶偏角和網帶的張緊度達到糾偏，限位輪通過固定輪限制網帶縱向的偏移，從而達到糾偏。根據不同的材料處理需要而選擇合適的烘道至關重要，隨著材質要求的改變，與之設定的溫度、傳送速度就要隨之改變，緊密結合國內行業的實際需求，基于模糊控制策略、采用單片機與固態繼電器配合，設計出烘道的一種自控化控制系統，實現溫度可控可調，在實踐中產生了良好效果。
1 系統概述
烘道自動控制系統是一個小型的嵌入式數據采集與控制系統，主要由激光光電傳感器E3G-G61-M3J、溫度傳感器TSP-100/1000G、單片機AT89C51 （ 8KBFEPROM256BRAM）、報警電路、顯示部分、驅動電路和步進電機等組成，其系統原理結構圖如圖１所示。工作過程是將傳感器采集到的各路數字、模擬信號經信號處理后傳送到單片機中，經軟件處理輸出控制信號，驅動各執行機構；通過參數設置和LED 實時顯示，數據可以通過專用接口傳送到上位機并記錄下來，形成知識庫，進而可通過上位機對其進行遠程控制。
2 硬件電路設計
本系統硬件電路主要由信號采集模塊、知識庫及推理模塊、溫度控制模塊、電機驅動模塊、報警和顯示模塊。
2.1 傳感器的選用
普通光電傳感器光束散射，發射角較大，影響傳感器的測量靈敏度；激光具有高平行度，其發射光束方向性強，發散角小，一般約為0.180 [4]，所以選擇激光光電傳感器進行偏差信號測量。本系統選用E3G-G61-M3J 放大器內藏型凹槽光電開關。檢測距離（槽寬）：25mm；φ1mm 以上的不透明體；電源電壓：DC12-24V；響應時間1ms 以下。其參數滿足測量精度，具有很高靈敏度。溫度測量采用溫度傳感器TSP-100/1000G，測量溫度范圍 -50℃~450℃精度，0℃時的阻值允許偏差 ( Ω )A +/- (0.15+0.002t) +/- 0.06。具有精度高，穩定性好，可靠性強，可對工業現場的溫度進行連續測量與控制。
2.2 信號采集
2.2.1 偏差信號采集
系統在輸入段與出料段將激光光電傳感器安裝在傳送帶下側，距兩側邊為3mm；當網帶非正常傳動將產生偏移遮擋光源觸發傳感器，產生脈沖信號，經過濾波、放大信號處理傳送到單片機中。
2.2.2 溫度信號采集
經過實測數據和經驗得知，將溫度傳感器安裝在距網面50mm 的兩燈之間，采集到的溫度在單個傳感器的狀態下最能反映烘道中的溫度變化，當溫度偏離設定值，傳感器自動采集信號，經濾波、放大、A/D 信號處理后以脈沖信號傳送到單片機中。
2.3 溫度模糊控制
模糊控制器在設計時不需要建立被控對象的數學模型，尤其適用于非線性時變、滯后、慣性大的系統的控制[3]。它用一些定性的、不確定的模糊語言來表達控制這些規則，然后再應用一系列的模糊控制算法，得到一組確定性的模糊控制表，通過模糊控制到輸出確切的控制值對系統進行控制。由于模糊控制完全是在操作人員控制經驗基礎上來實現對系統控制，因此它是解決不確定系統的一種有效選擇[1]。
烘道自動控制系統中模糊控制的實時算法，就是得出采樣值的偏差e 和偏差變Δek，并根據量化因子K1、K2 模糊化成相應等級值，然后再根據已經獲得的模糊控制總表，推算出相應的模糊控制輸出量的等級值ui。若等級值ui 代表的是離散量，則轉換成該等級值所代表的意義；若等級值ui 代表的是連續量，則乘以控制總表的比例因子K3 轉化成相應的模擬量，并將此模擬量用于工作時的控制機構的控制量。其模糊控制器如2 所示。
2.4 電機驅動電路設計
目前國內步進電機的驅動電路有單電壓恒流功放電路；高、低壓(雙電壓)功放電路；斬波型功放電路。斬波型功放電路使通過導通相繞組的電流不論在鎖定、低頻或高頻工作時均保持額定值，使電機具有恒轉矩的輸出特性，克服了高、低壓功放電路的谷點現象，并且提高了電動機的效率和力矩，它包含斬波恒流功放電路和斬波平滑功放電路。因此系統的驅動電路采用了斬波恒流驅動方式。為節約空間和提高控制精度，驅動選用脈寬
調制斬波驅動步進電機驅動芯片TA8435。單片機AT89C51 的P1.0-P1.5作為控制信號輸出，與TA8435 相連控制
步進電機的原理圖如圖3 所示。基于本系統所要達到精度要求和驅動芯片特點和功能，本系統采用Ml=1、M2=1，電機按1/8 步細分方式運轉，單時鐘輸入。步進電機按二相雙極性使用，四相按二相使用時可以提高步進電機的輸出轉矩。D1-D4 快恢復二極管用來泄放繞組電流。當單片機對激光光電傳感器測得的信號處理后，通過P1.0-P1.5 口輸出，經驅動芯片TA8435 控制步進電機正反轉。實現網帶的左右移動，消除偏差。為了實現對步進電機啟停運轉的精確控制，將推導出的符合步進電機矩頻特性曲線的指數型運行曲線量化后[6]，存入到ROM 中，通過調用對比，從而實現步進電機平滑轉向與運轉。
2.5 顯示與報警
在系統中，為了便于觀察和****烘道的運行情況，需要用顯示器顯示運行的中間結果及狀態等。電路控制和電路顯示采用MAX7219 芯片構成數碼管顯示電路，它與單片機接口簡單，顯示穩定。既可通過鍵盤設置每一烘干段的溫度參數，又能將其溫度數值及其它重要數據實時顯示出來。
報警電路是當某環境因子超出設置的上限參數、下限參數時，響鈴報警，提醒操作人員注意。該模塊接收來自測量模塊的數據，根據設定的各環境因子值，命令控制模塊動作。對溫度上下限進行設定，當超出設定時，進行報警甚至延時停機。
3 軟件程序設計
軟件設計采用模塊化的編程原則，將所需控制分為五部分，分別是信號采集模塊、知識庫及推理模塊、溫度控制模塊、電機驅動模塊、報警和顯示模塊。軟件設計流程圖如圖4所示。軟件選用匯編和keilc51[5]進行編程；并用偉福仿真器進行仿真，通過調試進行比較，C51 程序在程序的靈活性、可移植性和擴展方面都優于匯編語言，尤其在數據處理和計算方面。本系統的溫度控制模塊采用模糊控制是對采集信號進行比較運算處理，再將其結果轉換成指令通過I/O 口傳輸出去。主程序用于系統初始化和調用各個子程序及完成整個系統的控制。
本系統軟件A/D 采集部分功能代碼：
void ad0809(uchar idata *x) /*采樣結果放指針中的A/D 采集函數*/
{uchar i;
uchar xdata * ad_adr;
ad_adr=&IN0;
for(i=0;i<8;i++) /*處理8 通道*/
{ *ad_adr=0; /*啟動轉換*/
i=1; /*延時等待信號變低*/
i=i；
while(ad_busy==0); /*查詢等待轉換結束*/
x[i]=*ad_adr; /*存轉換結果*/
ad_adr++; /*下一通道*/
}
}
void main (void)
{ static uchar idata ad[10];
ad0809(ad); /*采集AD0809 通道的值*/
}
4 實驗
將所選的激光光電傳感器、溫度傳感器和調試成功后的軟件裝于HYP1400 上進行實驗，軟件的驅動模塊程序仿真如圖5 所示。傳送帶跑偏在≤8mm 時，糾偏系統能夠及時調整傳送帶的跑偏；跑偏大于＞8mm 時，糾偏系
統雖能及時發現但糾偏效果不佳。烘干段溫度能夠控制在烘干工件所需的溫度范圍，保持在780-820，誤差在±1℃內。整個系統在運行過程中穩定可靠，操作簡單，達到設計要求。
5 結束語
本系統以 AT89C51 單片機為核心，采用單片機模糊控制系統控制烘干段溫度和糾正傳送帶跑偏，將原先手動網帶偏差調節，成功實現烘道的自動控制。對于不同的控制對象，只需要適當修改模糊推理關系，而無需改變系統的硬件結構；并根據材質不同，要求不同，設定合適的參數完成工藝要求。溫控實現了以往依靠保溫層和室溫恒定或溫差很小去保證烘干質量，對環境要求高，本系統實現了溫度自動調節，根據烘干室溫度自動調節，大大降低對環境依賴度，提高了烘道環境適應能力。
本文創新點：設計了一種烘道自動控制系統，實現了網帶光電糾偏，解決了烘道對環境溫度依賴度高的問題。
經濟效益：可產生經濟效益2-3 萬元/年。
數據來源：實際測量計算。
研究方法：先通過軟件仿真，再到具體機器驗證。
參考文獻：
[1]季寶杰，鄒彩虹，王永田.基于單片機的溫室自動控制系統設計[J].計算機測量與控制,2007，15(1): 73-75.
[2]寧濤高大志.靜電噴塑電加熱烘道模糊控制[J].基礎自動化，1999，6(2):15-17.
[3]張曾科.模糊數學在自動化技術中的應用[M].北京:清華大學出版社, 1997
[4]彭軍.傳感器與檢測技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.
[5]馬忠梅，劉濱，戚軍，等.單片機C 語言Windows 環境編程寶典[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.
[6]徐雅暉，程明霄，張玉華.基于80196 與PBL3717 的步進電機控制系統[J]。微計算機信息，2007，4-2：123-125.
作者簡介：郭穎平,男,(1980-)，河北淶源人，碩士研究生，研究方向：機電一體化，通訊
作者：劉俊峰,男,(1956 -),河北清苑人,教授，博士生導師,主要從機械裝備及其自動化方向的研究與應用。
Biography: Guo Ying-ping, Male, born in 1980 ,Hebei Laiyuan, Master degree, Researchdomain: Mechanical & Electrical integration， Biography: Liu Jun-feng, Male, born in1956, Hebei Qingyuan, professor, doctoral supervisor, research and application of mechanical equipment and automation.
(071001 河北保定市河北農業大學機電工程學院)郭穎平 劉俊峰 李建平 張青
(College of Mechanical and Electric Engineering, Agricultual University of Hebei, Baoding071001,china) GUO Ying-ping, LIU Jun-feng, LI Jian-ping, ZHANG Qing
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