谷物烘干塔的新型自動控制設(shè)計

＊朱振飛 葛動元 譚岑

（廣西科技大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 廣西 545006）

谷物涵蓋的范圍較廣，包括大米、小麥、小米、大豆等及其它雜糧，作為中國的傳統(tǒng)主食，一直是必不可少的糧食。在自然環(huán)境下，如果谷物沒有烘干，其濕度不達(dá)標(biāo)，不完善粒、雜質(zhì)以及粉塵多，容易發(fā)熱霉變，而不耐久藏，儲存不當(dāng)會造成大量浪費。為提高谷物儲存質(zhì)量，在入庫時進(jìn)行過篩與風(fēng)選清除雜質(zhì)，采用雜質(zhì)和粉塵分離與回收工藝，并使谷物存儲環(huán)境保持適時通風(fēng)，低溫密閉等。農(nóng)產(chǎn)品在儲存過程中，烘干降低含水量也是一項必要的流程，目前農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中已經(jīng)實現(xiàn)了干燥過程的智能化，谷物水分、熱風(fēng)溫度、電機轉(zhuǎn)速等因素影響著糧食干燥機的品質(zhì)，谷物烘干塔的目標(biāo)是使谷物含水率符合國家標(biāo)準(zhǔn)，含水率在（14±0.5）%，顆粒溫度不高于環(huán)境溫度8℃[1]。衛(wèi)福弟等[2]在糧食水分的在線檢測中說明了安全水分范圍標(biāo)準(zhǔn)，即玉米的安全水分＜14%，谷物的安全水分≤13.5%，小麥的安全水分≤13%，并且無焦糊粒、色澤氣味正常，將溫度控制在谷物的低爆腰率和長保存周期范圍內(nèi)使谷物烘干塔的溫度控制顯得極為關(guān)鍵。偉利國等[3]針對糧食烘干時水分檢測的特點和要求，采用微波無損檢測技術(shù)，設(shè)計了糧食水分在線式檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對糧食烘干過程中水分含量的實時、連續(xù)檢測，劉輝等[4]根據(jù)糧食干燥過程的特點，將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提出了糧食烘干塔智能預(yù)測控制算法。

本文設(shè)計了一種烘干塔內(nèi)溫度自動控制系統(tǒng)，以AT89C52單片機為核心，采用DS18B20溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號，配備LCD1602顯示屏顯示實時溫度，便于控制人員觀察和調(diào)整預(yù)設(shè)溫度區(qū)間，溫度超出范圍系統(tǒng)自動報警，同時冷、熱風(fēng)機做出響應(yīng)，實現(xiàn)了對谷物烘干塔溫度的自動控制。

1.谷物烘干塔的結(jié)構(gòu)和工作原理

谷物烘干塔包括烘干塔主體、提升機、熱風(fēng)機、撒糧裝置、儲糧倉等，其中的烘干塔又分為干燥-緩蘇-冷卻段組成，塔內(nèi)設(shè)計為分層旋轉(zhuǎn)漏篩式，濕谷物經(jīng)過提升機提升到入糧口，繞過中間風(fēng)道在兩側(cè)依靠重力自然下落，經(jīng)熱風(fēng)機充分干燥后進(jìn)入緩蘇段停止干燥，保溫處理一段時間使谷物內(nèi)外水分達(dá)到平衡，此時的緩蘇段充當(dāng)一個臨時儲糧倉，控制好溫度在設(shè)定保溫范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)定時間后，谷物經(jīng)由隔熱板進(jìn)入冷卻段，使谷物處于最佳保存溫度。在烘干過程中，由于谷物中的稻梗、粉塵等雜質(zhì)會隨著烘干塔的熱空氣排出到空氣中，大顆粒沉積在周圍影響烘干塔的工作，細(xì)小的顆粒則會飄散到大氣造成大氣污染，影響周邊空氣質(zhì)量，在出風(fēng)口采用谷物中的雜質(zhì)和粉塵采用分離與回收工藝，以解決植物性雜質(zhì)和粉塵排放超標(biāo)等環(huán)境污染問題。干燥、緩蘇、冷卻段都有溫度傳感器，在干燥和冷卻時不斷采集塔內(nèi)溫度在液晶屏上實時顯示，便于觀察烘干塔工作狀態(tài)，排糧口設(shè)有調(diào)速裝置，可控制烘干和降水程度，當(dāng)谷物達(dá)到水分要求后經(jīng)排糧口排出，進(jìn)入儲糧倉保存。烘干塔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 烘干塔結(jié)構(gòu)

烘干最佳溫度在45℃附近，如果烘干塔內(nèi)干燥段1、2的溫度過高，會讓谷物流失水分過快過多，使得爆腰率上升，降低谷物的口感，使儲存的谷物品質(zhì)下降。采用多級緩蘇加順流冷卻的低溫出糧控制方法，也能有效控制爆腰率[5]。緩蘇是指經(jīng)過干燥后的谷物存放于固定溫度的存儲倉放置一定時間，可以使得谷物內(nèi)部的水分向外擴散，以降低谷物內(nèi)外水分的梯度，達(dá)到濕度的均化，可有效減少谷物表面的收縮、硬化而降低谷物的品質(zhì)。采用不同的緩蘇方法對谷物烘干塔將谷物干燥到存儲標(biāo)準(zhǔn)的干燥時間有很大影響，一般緩蘇溫度為30～50℃，通風(fēng)保溫、通風(fēng)停溫和低風(fēng)保溫的緩蘇方式會使稻谷在緩蘇干燥階段的干燥速率大幅提升，干燥稻谷至安全含水率的凈干燥時間均不超過180min。而采用停風(fēng)保溫和停風(fēng)停溫的緩蘇方式，由于缺少了空氣的對流傳熱和傳質(zhì)，在緩蘇干燥階段水分蒸發(fā)量相對較少，將稻谷干燥至安全水分的凈干燥時間都在220min以上[6-7]。干燥段和緩蘇段的時間比設(shè)置為（5～8）:1，對比連續(xù)干燥谷物，采用干燥—緩蘇式間歇干燥可以增大干燥速率，對于降低爆腰率有很大的作用。

烘干塔實現(xiàn)了全程無人化生產(chǎn)，完成了谷物的干燥—緩蘇—冷卻—入倉的操作，節(jié)省了大量人力物力，采用的溫度自動控制系統(tǒng)使谷物處于最佳保存溫度區(qū)間，對于不同種類的谷物可以設(shè)置不同的溫度區(qū)間，延長了谷物的存儲時間。

2.系統(tǒng)硬件

(1)AT89C52單片機

溫度控制系統(tǒng)是谷物烘干的重中之重，所以核心處理部件的選取也很關(guān)鍵。AT89C52單片機是一種集成電路芯片，集成了中央處理器、轉(zhuǎn)換電路、轉(zhuǎn)換器和可編程且可擦除存儲器等元件，廣泛應(yīng)用于電子儀表、機器人和工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化和智能化[8]。

(2)DS18B20溫度傳感器

本文選擇的DS18B20溫度傳感器是常用的數(shù)字溫度傳感器，輸出信號為數(shù)字信號，具有體積小，價格開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點[9]。DS18B20利用高、低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率，產(chǎn)生固定頻率脈沖信號發(fā)送給計數(shù)器，其輸出為數(shù)字信號，測溫范圍為-55～+125℃，相比于其他輸出模擬信號的傳感器可直接連接到單片機使用顯示溫度，且都具有唯一的64位ROM碼儲存在內(nèi)部儲存器，電源電極反接也不會燒壞，更加簡單高效和安全。

(3)顯示及報警模塊

本文采用16×2規(guī)格的LCD1602顯示屏，首行實時顯示各個溫度傳感器的溫度，第二行顯示預(yù)設(shè)的溫度區(qū)間，同時還設(shè)有蜂鳴器和LCD燈，溫度偏離設(shè)定范圍會鳴叫發(fā)光，提醒操作人員以做出調(diào)整。LCD1602是一種被普遍應(yīng)用的顯示器，它是由字符型液晶顯示屏、控制驅(qū)動主電路HD44780及其擴展驅(qū)動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成，顯示由多個顯示單元組成，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，且亮度高，使用壽命長。

(4)按鍵模塊

本文設(shè)置有4個按鍵，預(yù)設(shè)的溫度會在LCD1602上顯示為溫度上限TH，溫度下限TL，分別設(shè)置有2個按鍵以控制增減溫度預(yù)設(shè)區(qū)間，進(jìn)行預(yù)設(shè)溫度的調(diào)整，可調(diào)整范圍不超過DS18B20的允許測量溫度區(qū)間，當(dāng)溫度傳感器檢測到溫度不在此區(qū)間系統(tǒng)便會做出響應(yīng)，整體系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計

3.控制方案

(1)利用單片機內(nèi)部時鐘設(shè)計PWM

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調(diào)制，在具有慣性的系統(tǒng)中，可以通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要的模擬參量，常應(yīng)用于電機控速、開關(guān)電源等領(lǐng)域。直流電機PWM控制原理是在設(shè)置的脈沖作用下改變導(dǎo)通時間、關(guān)斷時間進(jìn)而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制[10]。通過對電機的不斷通電斷電，利用電機旋轉(zhuǎn)的慣性來實現(xiàn)調(diào)速，使用單片機內(nèi)部的時鐘計數(shù)器，設(shè)置一個閾值Compare，當(dāng)計數(shù)器的時間Counter＞Compare時，將連接好I/O口輸出低電平，其余時間輸出高電平，吹風(fēng)機接收到電位信息便開始工作，對吹風(fēng)機調(diào)速只需設(shè)置不同的閾值Compare。

(2)單總線上掛載多個DS18B20溫度傳感器

采用單總線的方式連接DS18B20溫度傳感器具有良好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，容易連接且操作簡單，單總線接口需要完成ROM設(shè)定，具有以下幾個功能：①讀取ROM；②ROM匹配；③搜索ROM；④跳過ROM；⑤報警檢查。單總線若掛載單個DS18B20，則直接寫入指令（OneWire_SendByte（0XCC））跳過ROM的讀取。需要掛載多個DS18B20時，需要先讀取出每個DS18B20的ROM發(fā)送到總線，然后寫入指令（OneWire_SendByte（0X55））進(jìn)行ROM匹配，總線上匹配ROM碼的DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，隨后單片機依次讀取每個傳感器的溫度，并將其顯示在LCD1602上。單總線掛載多個DS18B20的程序設(shè)計如下：

不同于利用多個I/O口的連接方式，本文采用的單總線掛載模式，只占用到單片機的一個I/O口，大大節(jié)省了I/O口以便于連接其他元器件增加功能，簡潔高效。

(3)控制流程

系統(tǒng)以單片機AT89C52為處理核心，完成開機初始化后，接收干燥段傳感器的溫度，溫度處于預(yù)設(shè)溫度區(qū)間時，熱風(fēng)機處于恒定功率運行狀態(tài)以穩(wěn)定干燥段溫度；下一步接收緩蘇段的溫度，溫度正常時正常運行；最后接收冷卻段的溫度，溫度處于預(yù)設(shè)溫度區(qū)間時，冷風(fēng)機以恒定功率運行狀態(tài)穩(wěn)定冷卻段溫度，LED燈和蜂鳴器不響應(yīng)，烘干塔處于最佳工作溫度區(qū)間。在本烘干系統(tǒng)中，以緩蘇段1為例，將緩蘇溫度設(shè)為40～50℃，緩蘇段的DS18B20實時檢測溫度，溫度處于40～50℃時，緩蘇段熱風(fēng)機正常工作，冷風(fēng)機不啟動；調(diào)整緩蘇段溫度為35℃，DS18B20檢測溫度為35℃，熱風(fēng)機提高轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)報警，溫度升高到40℃時系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)；調(diào)整緩蘇段溫度為55℃，DS18B20檢測溫度為55℃，熱風(fēng)機降低轉(zhuǎn)速，冷風(fēng)機開始介入，系統(tǒng)報警，溫度降低到50℃時系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，實現(xiàn)了溫度的自動控制。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4.結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計以谷物烘干需求為背景，利用AT89C52單片機與DS18B20溫度傳感器以及LCD1602的配合使用，設(shè)有按鍵調(diào)控烘干溫度區(qū)間，并設(shè)有蜂鳴器和LED燈報警裝置，利用單總線掛載多個DS18B20溫度傳感器，直接輸出數(shù)字信號到AT89C52后顯示在LCD1602，達(dá)到了谷物烘干塔溫度自動控制的目的，有效降低了谷物的爆腰率和含水率，延長谷物的存儲時間以便于運輸，提高了谷物的烘干品質(zhì)，具有良好的經(jīng)濟性和魯棒性。