糧食烘干機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

譚新圓，朱文學(xué)，白喜婷，孫國(guó)峰，徐夢(mèng)凡

（河南科技大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471000）

0 引言

糧食干燥作為糧食加工中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，影響著我國(guó)糧食戰(zhàn)略安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年因?yàn)榧Z食干燥問(wèn)題而造成的浪費(fèi)高達(dá)10%［1］。2016年全國(guó)糧食的機(jī)械化干燥率才達(dá)到35%［2］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國(guó)的糧食干燥需求，待通過(guò)優(yōu)化干燥機(jī)理，改良干燥方式，利用現(xiàn)代智能化干燥設(shè)備解決問(wèn)題。

優(yōu)化干燥機(jī)理，離不開(kāi)研究糧食干燥水分遷移問(wèn)題。楊洲等［3］針對(duì)南方雙季稻區(qū)高濕稻谷，對(duì)薄層干燥谷粒的水分遷移過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤發(fā)現(xiàn)谷物的干燥過(guò)程具有明顯的二段性，提高初始溫度有利于細(xì)胞自由水更快的脫離稻谷［4］，緩蘇后降低干燥溫度有利于結(jié)合水的轉(zhuǎn)換以及提高干燥品質(zhì)，減少應(yīng)力裂紋、熱損傷、蛋白質(zhì)變性等問(wèn)題的產(chǎn)生［5］。溫度控制系統(tǒng)是糧食干燥設(shè)備的關(guān)鍵。由于單片機(jī)具有體積小、功能多、性價(jià)比高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子儀表、機(jī)器人和工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域［6］。將單片機(jī)與糧食干燥的溫度控制系統(tǒng)結(jié)合，是加強(qiáng)干燥設(shè)備智能化進(jìn)程的一條行之有效的路徑。

本文設(shè)計(jì)的糧食烘干機(jī)溫度控制系統(tǒng)的溫度控制核心采用STM32F103C8T6單片機(jī)，通過(guò)TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與42步進(jìn)電機(jī)完成從數(shù)字信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而控制電熱絲的加熱功率，達(dá)到變溫干燥的目的。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)由單片機(jī)模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、傳感器模塊、電位器及可控硅調(diào)功器模塊組成，單片機(jī)模塊為控制核心。以一種糧食烘干機(jī)水分測(cè)量系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)［7］，如圖1，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小麥干燥過(guò)程中的溫濕度，根據(jù)單片機(jī)計(jì)算得到的含水量及溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)模塊的運(yùn)行。控制系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of control system

1.2 控制原理

通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)內(nèi)數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)所得數(shù)據(jù)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)目標(biāo)位置［8］，傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到控制電壓的效果。系統(tǒng)檢測(cè)周期為5 s，大于風(fēng)機(jī)循環(huán)周期3.5 s。將一個(gè)周期內(nèi)所得數(shù)值反饋給單片機(jī)，作為下個(gè)周期的PID（Proportional Integral Derivative）參數(shù)［9］。PID控制原理如圖2所示。

圖2 PID控制原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of PID control principle

1.3 水分監(jiān)測(cè)

水分監(jiān)測(cè)采用自行開(kāi)發(fā)的糧食烘干機(jī)水分測(cè)量系統(tǒng)，使用溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器采集溫濕度等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳送至單片機(jī)，利用焓濕圖及水分平衡原理實(shí)時(shí)換算倉(cāng)內(nèi)糧食水分含量。

分別測(cè)量5個(gè)不同高度的熱風(fēng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)糧食在干燥進(jìn)程中的水分變化。傳感器系統(tǒng)由5個(gè)溫濕度傳感器和1個(gè)風(fēng)速傳感器構(gòu)成，其中5個(gè)溫濕度傳感器測(cè)量每個(gè)干燥段中熱風(fēng)的起始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)，風(fēng)速傳感器用來(lái)測(cè)量初始狀態(tài)的熱風(fēng)風(fēng)速，結(jié)合進(jìn)風(fēng)時(shí)間Δt和進(jìn)風(fēng)管道截面積s，即可計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)的熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)量。

假設(shè)每個(gè)干燥段均為絕熱環(huán)境，計(jì)算每個(gè)干燥段內(nèi)干燥熱風(fēng)從糧食中帶走的水分含量如下式所示：

式中 W1——干燥前糧食含水率，%；

W2——干燥后糧食含水率，%；

m1——干燥前的糧食質(zhì)量，kg；

m2——干燥后的糧食質(zhì)量，kg；

H1——進(jìn)口處熱風(fēng)絕對(duì)含濕量，g/kg；

H2——出口處熱風(fēng)絕對(duì)含濕量，g/kg；

s——為熱風(fēng)管道的截面積，m2；

v——熱風(fēng)的進(jìn)風(fēng)速度，m/min；

Δt——干燥的時(shí)間，min；

ρ——進(jìn)口處空氣密度，kg/m3

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊采用STM32F103C8T6單片機(jī)，配有64k閃存程序儲(chǔ)存器，足夠存儲(chǔ)溫度控制系統(tǒng)程序及溫濕度測(cè)量系統(tǒng)程序［10］；配有2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，37個(gè)I/O端口，可以連接多個(gè)溫濕度傳感器及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，所有I/O都可支持5V直流信號(hào)，可以發(fā)射不同電壓的電子脈沖給步進(jìn)電機(jī)調(diào)頻器；配有3個(gè)通用定時(shí)器，可在PID控制中計(jì)量時(shí)間。

2.2 步進(jìn)電機(jī)模塊

步進(jìn)電機(jī)模塊包括42步進(jìn)電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)為單出軸，通過(guò)聯(lián)軸器與電位器相連，單片機(jī)得到倉(cāng)內(nèi)溫濕度及含水量信號(hào)然后計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)單機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用電機(jī)控制DSP（Digital Signal Processing）芯片和應(yīng)用矢量技術(shù)，解決了步進(jìn)電機(jī)丟步的問(wèn)題，可精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度從而控制電位器。

2.3 可控硅模塊

模塊采用萬(wàn)谷機(jī)械公司干燥平臺(tái)的熱風(fēng)輸入裝置，包括電位器、可控硅調(diào)壓器、儀表盤(pán)等，控制電壓為0～380 V。在本設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與電位器相連，每一個(gè)角度代表不同的電壓輸送，控制可控硅調(diào)壓器調(diào)節(jié)電熱絲的輸入電壓，達(dá)到控制電熱絲加熱功率的目的。

2.4 水分監(jiān)測(cè)模塊

水分監(jiān)測(cè)模塊主要由傳感器發(fā)揮作用。包括大氣用DS18B20溫度傳感器，干燥倉(cāng)用SHT31溫濕度傳感器，PCF8592熱風(fēng)傳感器，STM32F103C8T6單片機(jī)。

首先用DS18B20溫度傳感器測(cè)量外部環(huán)境的溫度，依據(jù)測(cè)量的環(huán)境溫度和該地的大氣壓強(qiáng)確定糧食烘干的外部條件；SHT31溫濕度傳感器負(fù)責(zé)采集熱風(fēng)的溫度和濕度信號(hào)；PCF8592熱風(fēng)傳感器負(fù)責(zé)采集熱風(fēng)的風(fēng)速。各傳感器采集的信號(hào)通過(guò)各自的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32F103C8T6單片機(jī)。

3 糧食烘干機(jī)變溫干燥原理及程序設(shè)計(jì)

3.1 變溫干燥原理

通過(guò)對(duì)小麥等作物的干燥水分遷移特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)谷物干燥具有明顯的二段性。小麥等作物在干燥過(guò)程中具有不同水分束縛態(tài)，一般分為三種或四種，本文取強(qiáng)化學(xué)結(jié)合水T21，弱化學(xué)結(jié)合水T22，物理結(jié)合水T23，自由水T24四種束縛態(tài)。根據(jù)王立，賈超等［11］對(duì)小麥干燥過(guò)程中水分變化速率DT隨小麥干基含濕量變化關(guān)系的研究得出：干燥溫度80 ℃時(shí)，T23、T24在干燥初期下降最快，所以干燥初期，宜采用高溫加快干燥。在含水率降至22%時(shí)，低溫60 ℃與高溫80 ℃對(duì)T23、T24干燥速率的促進(jìn)作用差距不大，高溫的促進(jìn)作用下降，可降低干燥溫度。消除之前快速干燥段在谷物顆粒形成的濕分梯度。干燥結(jié)束后，60 ℃與80 ℃環(huán)境下，T21剩余質(zhì)量相似，誤差在2%以內(nèi)。針對(duì) T22，不同溫度的干燥速率 D60℃＞D70℃，所以，系統(tǒng)低溫段采用60 ℃干燥。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)初始化

根據(jù)本系統(tǒng)的糧食干燥試驗(yàn)平臺(tái)的風(fēng)道長(zhǎng)度及風(fēng)速條件，采用500 ms為一個(gè)PID反饋周期［12-14］。溫度控制系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，3.5 s后熱風(fēng)進(jìn)入干燥倉(cāng)，初始化定時(shí)周期為0.5 s。當(dāng)定時(shí)器完成第一個(gè)定時(shí)周期后，熱風(fēng)已進(jìn)入干燥倉(cāng)，干燥過(guò)程開(kāi)始。單片機(jī)根據(jù)糧食烘干機(jī)水分測(cè)量系統(tǒng)傳感器傳輸?shù)臏貪穸鹊葦?shù)據(jù)，系統(tǒng)初始化完成。此時(shí)單片機(jī)控制電熱絲及風(fēng)機(jī)向干燥倉(cāng)內(nèi)持續(xù)輸入熱風(fēng)進(jìn)行升溫，直至倉(cāng)內(nèi)溫度穩(wěn)定80 ℃。系統(tǒng)初始化部分的算法邏輯如圖3所示。

圖3 算法邏輯圖（初始化）Fig.3 Logical Diagram of the Algorithm （Initialization）

3.2.2 系統(tǒng)計(jì)時(shí)及電機(jī)位置控制

干燥過(guò)程中，系統(tǒng)每500 ms進(jìn)行一次PID反饋。定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，500 ms時(shí)間到，單片機(jī)即控制水分測(cè)量，系統(tǒng)檢測(cè)一次溫濕度數(shù)據(jù)并計(jì)算此時(shí)糧食的含水量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)計(jì)時(shí)部分的算法邏輯如圖4所示，所得數(shù)據(jù)循環(huán)向PC端傳輸，顯示當(dāng)前狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)計(jì)時(shí)邏輯圖Fig.4 System timing logic diagram

根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行位置，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)控制器發(fā)射方波脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，進(jìn)而達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的。電機(jī)控制部分的算法邏輯如圖5所示。

圖5 電機(jī)控制邏輯圖Fig.5 Motor control logic diagram

3.2.3 系統(tǒng)干燥狀態(tài)判斷

系統(tǒng)干燥狀態(tài)判斷的算法邏輯如圖6所示。

圖6 狀態(tài)判斷邏輯圖Fig.6 State determination logic diagram

根據(jù)水分測(cè)量系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行判斷。當(dāng)糧食含水率不低于22%，單片機(jī)判斷干燥過(guò)程處于高溫干燥段，控制電熱絲進(jìn)行高電壓輸入，保持干燥倉(cāng)內(nèi)80 ℃恒溫干燥；當(dāng)糧食含水率第一次不高于22%，倉(cāng)內(nèi)溫度大于60 ℃，單片機(jī)判斷緩蘇過(guò)程開(kāi)始，控制電熱絲停止熱量輸入；當(dāng)倉(cāng)內(nèi)溫度接近60 ℃，且倉(cāng)內(nèi)糧食含水率不低于12%，單片機(jī)判低溫干燥過(guò)程開(kāi)始，控制電熱絲進(jìn)行低電壓輸入，保持干燥倉(cāng)內(nèi)60 ℃恒溫干燥；當(dāng)糧食含水率低于12%，單片機(jī)判斷干燥過(guò)程結(jié)束，控制電熱絲停止熱量輸入，同時(shí)控制溫度控制系統(tǒng)關(guān)機(jī)。

3.2.4 系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)

根據(jù)計(jì)時(shí)部分的判斷，結(jié)合所設(shè)置的溫度目標(biāo)值，進(jìn)而計(jì)算偏差，經(jīng)過(guò)PID控制算法計(jì)算輸出結(jié)果，并計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的目標(biāo)位置，再連接計(jì)時(shí)部分及步進(jìn)電機(jī)位置控制部分，完成反饋閉環(huán)，系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)的算法邏輯如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)反饋邏輯圖Fig.7 System feedback logic diagram

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)一套糧食烘干機(jī)溫度控制系統(tǒng)，可以利用測(cè)量到的溫濕度、含水量等數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算、判斷、發(fā)射脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而調(diào)節(jié)干燥倉(cāng)內(nèi)干燥溫度，達(dá)到變溫干燥的效果。解決了傳統(tǒng)糧食恒溫干燥方式的弊端，干燥過(guò)程契合糧食干燥的二段性，干燥后糧食品質(zhì)更佳，是傳統(tǒng)糧食干燥走向集約化、自動(dòng)化、智能化的一種行之有效的嘗試。