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    谷物烘干機(jī)水分監(jiān)測和溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    2024-01-26 22:42:04程麗娟何強(qiáng)龍姜通勝杜東瑾劉建明
    電腦知識與技術(shù) 2023年35期
    關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程監(jiān)測STM32單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)

    程麗娟 何強(qiáng)龍 姜通勝 杜東瑾 劉建明

    摘要:本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了烘干機(jī)的水分檢測與溫度控制系統(tǒng),其中的主控核心芯片選用了STM32單片機(jī),并接入了DHT11溫濕度傳感器模塊以及ESP8266Wi-Fi模塊,可以通過OLED顯示器實(shí)時(shí)顯示谷物含水量以及溫度,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測,當(dāng)谷物含水量達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)或熱風(fēng)溫度達(dá)到閾值時(shí),DHT11傳感器能夠給繼電器傳遞信息,繼電器可以控制風(fēng)機(jī)與加熱絲的啟停,利用單片機(jī)技術(shù)使需要很多人力的烘干作業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化。通過功能調(diào)試和可靠性測試后,本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)之初的預(yù)期功能并能很好地完成人們所想要完成的工作,而且在長期運(yùn)行狀態(tài)下仍然可以保持穩(wěn)定可靠,同時(shí),該設(shè)計(jì)在方案的成本上得到有效控制,使得本次設(shè)計(jì)成果具有非常高的實(shí)用價(jià)值,性價(jià)比高,可用于實(shí)際應(yīng)用的推廣。

    關(guān)鍵詞:STM32單片機(jī);實(shí)時(shí)顯示;遠(yuǎn)程監(jiān)測;自動(dòng)控制系統(tǒng)

    中圖分類號:TK91? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

    文章編號:1009-3044(2023)35-0103-04

    開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID)

    0 引言

    谷物烘干機(jī)可以提升食品的品質(zhì),已經(jīng)成為各類谷物的儲備、糧食加工廠以及其他相關(guān)的食品加工廠所必備設(shè)備,它的市場需求變得越來越大。而烘干機(jī)開發(fā)難點(diǎn)在于能耗、質(zhì)量還有運(yùn)行模式等,能耗與人工成本相關(guān),但是烘干質(zhì)量卻要靠產(chǎn)品的自身技術(shù)。運(yùn)行模式是關(guān)鍵,即建立起來烘干體系,糧食烘干機(jī)是政府對農(nóng)機(jī)方面補(bǔ)貼的重點(diǎn),但目前看來,都是以補(bǔ)貼烘干機(jī)方式來進(jìn)行,以至于政府無法做到掌握作業(yè)的質(zhì)量以及數(shù)量,政府怎樣從機(jī)具補(bǔ)貼改成烘干糧食補(bǔ)貼,減少資源的浪費(fèi),是政府服務(wù)于人民的更好方向[1]。隨著近年來國家和政府對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)日益注重,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到不同層面政府的投資和補(bǔ)助,我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展越來越好、越來越快。國內(nèi)外對烘干機(jī)的研究已經(jīng)相當(dāng)豐富,但是結(jié)合具體研究成果,這些研究大多專注于技術(shù)層面。我國烘干機(jī)的制作成本價(jià)格相比于國外的價(jià)格低了一半,但是大部分大型烘干機(jī)由于體積較大、維修成本高、安裝調(diào)試?yán)щy,所以價(jià)格已經(jīng)不是最大的優(yōu)勢了,現(xiàn)在的烘干機(jī)企業(yè)想走出市場走向國外需要專注修煉內(nèi)在。對于谷物烘干來說,機(jī)械化是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著近年來我國的農(nóng)業(yè)規(guī)?;?jīng)營以及機(jī)械化收獲水平的快速增長,逐漸縮短了糧食收獲期,因此,大批的谷物如何得到及時(shí)的烘干,并能夠及時(shí)進(jìn)行安全存放,是目前亟待解決的糧食難題[2]。

    隨著谷物烘干機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到了顯著優(yōu)化。烘干機(jī)所采用的立體烘干技術(shù),烘干的過程中充分利用了高層的空間,顯著縮小了烘干場地的所需占地面積。此外,烘干出來的糧食也更能保證其烘干品質(zhì),在糧食烘干過程中,它自動(dòng)監(jiān)測含水率的變化,從而保證了糧食烘干所要達(dá)到的含水率最佳標(biāo)準(zhǔn)。谷物烘干的過程需要在密封的環(huán)境中進(jìn)行操作,這樣能夠有效防止因空氣潮濕、陰雨等因素對烘干質(zhì)量造成影響[3]。

    1 谷物烘干系統(tǒng)控制方案

    本系統(tǒng)的主要內(nèi)容是谷物烘干機(jī)水分在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)谷物烘干機(jī)控制系統(tǒng)的研究,設(shè)計(jì)了一種以STM32單片機(jī)為基礎(chǔ),以DHT11傳感器為硬件系統(tǒng)核心的水分在線監(jiān)測裝置,通過程序進(jìn)行溫度的控制以及ESP8266Wi-Fi模塊的加入,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)測。谷物烘干機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控是基于遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)而開發(fā)出來的功能,它可以滿足烘干過程中對多樣性數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控的需要,通過對烘干系統(tǒng)的整體性功能進(jìn)行開發(fā),再加上遠(yuǎn)程檢測,能夠做到對谷物烘干的智能化控制和監(jiān)測。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控,對整個(gè)谷物烘干過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控,從而實(shí)現(xiàn)了智能控制烘干的全部流程[4]。要求將被控系統(tǒng)的熱風(fēng)溫度控制在25~40℃,當(dāng)溫度低于或高于設(shè)定閾值時(shí)應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整,關(guān)閉加熱或者關(guān)閉風(fēng)機(jī)。要達(dá)成的目標(biāo)為:

    1) 含水量達(dá)到設(shè)定閾值會(huì)停止烘干與加熱。

    2) 溫度控制在25~40℃。

    3) 將含水量在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從60%下降到40%。

    具體的流程描述為:高水分谷物經(jīng)進(jìn)料斗進(jìn)入調(diào)質(zhì)倉,當(dāng)調(diào)質(zhì)結(jié)束后,由提升機(jī)送至烘干倉進(jìn)行烘干,在烘干倉內(nèi)有溫濕度傳感器用來監(jiān)測溫度與濕度。烘干結(jié)束時(shí),烘干倉內(nèi)部的濕度在12%左右,這個(gè)數(shù)值是根據(jù)谷物烘干的經(jīng)驗(yàn)來確定的,當(dāng)烘干倉內(nèi)部濕度降到12%左右時(shí),谷物就已經(jīng)達(dá)到了合適的干燥程度,可以進(jìn)行下一步的操作,例如儲存、加工或銷售等,然后流程結(jié)束。不同種類的谷物其適宜的濕度范圍可能會(huì)有所不同,因此在使用烘干機(jī)進(jìn)行谷物烘干時(shí),需要根據(jù)具體的品種和工藝要求進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)。

    2 谷物烘干系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    在實(shí)際應(yīng)用中,單片機(jī)需要進(jìn)行程序下載和運(yùn)行調(diào)試等操作,因此,最基本的硬件設(shè)計(jì)包括電源和晶振的鏈接、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。在Proteus仿真軟件中,單片機(jī)自帶最小系統(tǒng)部分,因此即使未繪制這些部分也可以進(jìn)行正常的仿真。但在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中,這些部分是必不可少的。通過正確的硬件設(shè)計(jì)和仿真測試,可以確保單片機(jī)按照預(yù)期正常工作,為后期的編程和控制提供良好的基礎(chǔ)。STM32單片機(jī)如圖 2所示。

    2.1 溫度濕度傳感器的介紹及選型

    在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,需要選擇一款符合要求并且容易操作的溫濕度傳感器。為了篩選出最適合的傳感器,通過查閱各種類型的溫濕度傳感器和數(shù)據(jù)手冊,最終,確定了一款符合本次設(shè)計(jì)要求并且容易操作的傳感器,即DHT11溫濕度傳感器。它具有良好的性價(jià)比,強(qiáng)大的抗干擾性和高度符合人們對氣體檢測器的基本要求。因此,最終選擇了DHT11作為本次設(shè)計(jì)中的溫度濕度檢測部分。

    2.2 紅外線傳感器的介紹及設(shè)計(jì)

    紅外線又稱紅外光,它有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。對于紅外線而言,不管是任何物質(zhì),有任何物理特征,只要它的溫度高于絕對零度,都會(huì)向外輻射出紅外線,而絕對零度是目前宇宙理論上的最低溫度,對于目前人類認(rèn)知水平而言,還沒有任何物質(zhì)低于絕對零度,因此,理論上來說,紅外線傳感器可以檢測任何物質(zhì)。此外,紅外線傳感器在進(jìn)行測量時(shí),不需要直接接觸被測物體,故而不存在摩擦,并且因其所具有的性質(zhì),紅外線傳感器具有反應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[5]。

    熱敏電阻是熱敏元件中使用最廣泛的一種。在紅外光照射下,熱敏電阻器的溫度上升,使其電阻產(chǎn)生改變(由于熱敏電阻器可以分成溫度系數(shù)為正值的熱敏電阻器和正值的溫度系數(shù)為負(fù)值的熱敏電阻器),并經(jīng)過一個(gè)變換電路而成為一個(gè)電信號輸出[6]。

    2.3 顯示模塊的介紹及選型

    為了確定最適合本次設(shè)計(jì)的顯示器,在查詢資料的基礎(chǔ)上,從多方面對比了這兩款顯示器。首先,在功耗方面,人們發(fā)現(xiàn)OLED顯示屏比LCD屏幕要低一些,在某些情況下具有一些優(yōu)勢。其次,在響應(yīng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)顯示方面,OLED顯示屏表現(xiàn)更好,響應(yīng)時(shí)間更短,動(dòng)態(tài)顯示更加突出,可以提供更加流暢的視覺體驗(yàn)。此外,在硬件電路連接上,OLED顯示屏的引腳數(shù)量要少一些,比較靈活,具有更高的可集成性。綜合比較下來,人們認(rèn)為OLED屏幕在各個(gè)方面都有明顯的優(yōu)勢,可以為人們的設(shè)計(jì)提供更好的幫助和表現(xiàn),因此決定最終選擇OLED顯示屏作為本次設(shè)計(jì)的顯示模塊,以滿足人們的需求和要求。

    2.4 ESP8266模塊

    ESP8266是一種強(qiáng)大的Wi-Fi模塊,它由ESPRESSIF SYSTEMS公司開發(fā),可以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)通信的功能。ESP8266在物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛使用,可以通過串行通信接口連接到微控制器,例如Arduino,以實(shí)現(xiàn)智能家居、智能燈光、智能車輛等應(yīng)用場景。

    3 谷物烘干系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    3.1 主程序設(shè)計(jì)

    程序的主要設(shè)計(jì)流程可以總結(jié)如下:首先進(jìn)行初始化,包括對各個(gè)模塊的引腳、模式、波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。然后,通過控制器接收來自DHT11處理的溫濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)。此時(shí),程序?qū)⒎謩e將接收到的溫度和濕度值與事先設(shè)置好的溫濕度預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較,根據(jù)比較結(jié)果處理相應(yīng)的邏輯控制。具體來說,會(huì)有以下幾種情況:

    情況一:溫濕度傳感器檢測的數(shù)據(jù)未達(dá)到設(shè)定的閾值,意味著谷物水分還未烘干到指定數(shù)值,此時(shí)風(fēng)機(jī)與熱風(fēng)會(huì)一直保持開啟狀態(tài),知道谷物的水分達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí),停止加熱與吹風(fēng)。

    情況二:當(dāng)其中任意一數(shù)值達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)也會(huì)有不同情況,當(dāng)熱風(fēng)溫度超過設(shè)定溫度時(shí)繼電器1會(huì)關(guān)閉停止加熱,但水分未達(dá)到指定量時(shí),風(fēng)機(jī)會(huì)繼續(xù)吹風(fēng)。當(dāng)水分達(dá)到設(shè)定閾值時(shí),繼電器1和3會(huì)關(guān)閉使風(fēng)機(jī)與熱風(fēng)會(huì)停止。遮擋紅外傳感器時(shí)繼電器2打開。

    以上所述的幾種情況,是本設(shè)計(jì)的核心控制邏輯,也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。這個(gè)檢測的過程將一直持續(xù)進(jìn)行,并根據(jù)檢測結(jié)果的不同來執(zhí)行相應(yīng)的邏輯決策,以實(shí)現(xiàn)所設(shè)想的溫濕度控制和管理功能。在這個(gè)過程中,通過對溫濕度值的檢測和預(yù)設(shè)值的比較,程序可以進(jìn)行自我調(diào)整和優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的良好維護(hù)和控制。這種持續(xù)的檢測和決策過程,可以讓控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性,能夠在變化多樣的環(huán)境中保持良好的運(yùn)作狀態(tài)。如圖4主程序的運(yùn)行流程圖。

    3.2 DHT11子程序設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)主要由DHT11作為主要檢測元件,它起到了至關(guān)重要的作用,通過檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)來控制繼電器。然后,來控制風(fēng)機(jī)的啟停與熱風(fēng)的開啟和關(guān)閉。DHT11時(shí)序圖如圖4 所示。

    DHT11的整個(gè)交流過程,第一個(gè)步驟是:由主控端發(fā)出啟動(dòng)訊號,由主控端發(fā)出對應(yīng)訊號,然后由主控端回復(fù)信號。第二個(gè)步驟:將主訊號線拉高,為接收資料做好準(zhǔn)備。第三步驟:啟動(dòng)數(shù)據(jù)的接收(每次40比特)。

    第一步:DHT11通電后(DHT11通電后,需要1S的時(shí)間來度過一個(gè)不穩(wěn)定的階段,在這段時(shí)間內(nèi),DHT11不能發(fā)出任何命令),對周圍的溫度和濕度進(jìn)行檢測,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,并通過上拉電阻將DHT11的DATA數(shù)據(jù)線拉高,使其始終處于高電平;在這一點(diǎn)上,DHT11的數(shù)據(jù)管腳被設(shè)置為輸入,并且在該時(shí)間點(diǎn)上對外界信號進(jìn)行檢測。

    第二步:將微處理器的I/O設(shè)定為輸出,并同時(shí)輸出一個(gè)低電平,而且在低電平所需要保持的時(shí)間不少于18 ms,接著將微處理器的I/O設(shè)定為輸入,因?yàn)樯侠娮璧脑?,微處理器的I/O,也就是DHT11的DATA數(shù)據(jù)線也因此升高,DHT11做出回復(fù)信號后,發(fā)送信號如圖5所示。

    第三步:當(dāng)DHT11的DATA管腳探測到有一個(gè)低電平的外界信號時(shí),DHT11的DATA管腳就會(huì)進(jìn)入一個(gè)輸出模式,并將一個(gè)80微秒的低電平輸出作為一個(gè)響應(yīng)信號。隨后將會(huì)輸出80微秒的高電平,并使外部的設(shè)備進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備,此時(shí)的微處理器I/O為輸入,在檢測到I/O有低電平(DHT11應(yīng)答信號)后,等待80微秒。

    第四步:從DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù),此時(shí),微處理器會(huì)根據(jù)I/O電平變化為根據(jù)來接收這40位數(shù)據(jù),位數(shù)據(jù)“0”的格式為:50~55微秒的低電平以及25微秒左右的高電平,位數(shù)據(jù)“1”的格式為:50~55微秒的低電平加上70微秒的高電平[7]。想要將DHT11和控制器的電路進(jìn)行連接是十分簡單,只用把DATA的引腳連接到控制器上的任一通用輸入輸出口的引腳即可,由控制器的電源電路對VCC和GND進(jìn)行供電[8]。

    3.3 OLED顯示模塊子程序設(shè)計(jì)

    在本次設(shè)計(jì)中,另一個(gè)重要的模塊是顯示模塊。經(jīng)過對比,最終選擇了OLED顯示模塊。與其他模塊相比,該模塊的優(yōu)點(diǎn)更多,優(yōu)勢也更為明顯。查詢數(shù)據(jù)手冊后,了解到該模塊的工作過程包括以下幾個(gè)部分。

    首先進(jìn)行初始化,對OLED的各個(gè)功能進(jìn)行定義。這包括OLED開始工作、OLED結(jié)束工作、寫一個(gè)字節(jié)、寫一個(gè)命令、寫一個(gè)數(shù)據(jù)、反顯設(shè)置等。

    然后需要確定要在哪個(gè)位置顯示內(nèi)容。由于OLED屏幕是128×64的,類似于一個(gè)128列64行的陣列,每個(gè)位置都可以控制其中一個(gè)小燈泡的亮滅。因此,在顯示任何內(nèi)容之前,需要確定要顯示內(nèi)容的位置信息,例如第幾列、第幾行、顯示的字符或圖形所占用的位置范圍等。這就需要使用數(shù)據(jù)手冊中的確定頁尋址模式,來確定所需的位置信息,然后控制OLED顯示模塊將對應(yīng)的小燈泡點(diǎn)亮,從而顯示出所需內(nèi)容。

    在確定了OLED顯示模塊需要顯示數(shù)據(jù)的位置之后,接下來需要確定具體顯示的內(nèi)容。在具體操作過程中,需要將要顯示的字符、符號、數(shù)字等數(shù)據(jù)通過寫入16進(jìn)制代碼來實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的燈泡點(diǎn)亮。例如,如果要顯示一個(gè)字符或符號,需要將其對應(yīng)的16進(jìn)制代碼輸入到OLED顯示模塊中,從而讓對應(yīng)的燈泡點(diǎn)亮,呈現(xiàn)出想要顯示的內(nèi)容。然而,手動(dòng)編制每個(gè)字符或符號的16進(jìn)制代碼非常煩瑣且容易出錯(cuò),因此,可以使用工具生成字符庫,從而簡化這個(gè)過程,大大提高效率和準(zhǔn)確性。

    字符庫生成工具可以為圖片、字符、數(shù)字等生成相應(yīng)的字符庫,非常方便快捷。在工具中,可以選擇字符模式或圖形模式,將需要生成的內(nèi)容輸入進(jìn)去,并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)配置,就可以生成相應(yīng)的字符庫。在程序中,只須將該字符庫復(fù)制貼至程序文件中,在需要時(shí)直接調(diào)用即可。通過合理應(yīng)用字符庫生成工具,可以讓程序設(shè)計(jì)更加高效、準(zhǔn)確。屏幕子程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

    4 結(jié)束語

    本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由傳統(tǒng)的谷物烘干機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造而來,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)大致流程就是手動(dòng)開始烘干糧食,手動(dòng)檢測谷物水分,然后到達(dá)烘干時(shí)間后手動(dòng)停止。在此基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行了大幅度改造,DHT11溫濕度傳感器模塊,可以讓其顯示實(shí)時(shí)谷物的水分與實(shí)時(shí)的溫度,并且可以自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟停與熱風(fēng)的啟停,同時(shí)增加了ESP8266Wi-Fi模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程檢測,以此來實(shí)時(shí)檢測谷物烘干的程度。通過傳感器與繼電器的配合,來實(shí)現(xiàn)烘干智能化,不僅提高了谷物烘干的效率,也大幅度減少了人們的工作量,這些模塊的使用不僅極大地增強(qiáng)了該控制系統(tǒng)的控制功能,也更加完善了該控制系統(tǒng)。

    參考文獻(xiàn):

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    【通聯(lián)編輯:梁書】

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