＊朱振飛 葛動(dòng)元 譚岑

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)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(guó)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(méi)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(chǔ)存不當(dāng)會(huì)造成大量浪費(fèi)。為提高谷物儲(chǔ)存質(zhì)量，在入庫(kù)時(shí)進(jìn)行過(guò)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(chǔ)環(huán)境保持適時(shí)通風(fēng)，低溫密閉等。農(nóng)產(chǎn)品在儲(chǔ)存過(guò)程中，烘干降低含水量也是一項(xiàng)必要的流程，目前農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了干燥過(guò)程的智能化，谷物水分、熱風(fēng)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等因素影響著糧食干燥機(jī)的品質(zhì)，谷物烘干塔的目標(biāo)是使谷物含水率符合國(guó)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(cè)中說(shuō)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(wú)焦糊粒、色澤氣味正常，將溫度控制在谷物的低爆腰率和長(zhǎng)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(guó)等[3]針對(duì)糧食烘干時(shí)水分檢測(cè)的特點(diǎn)和要求，采用微波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了糧食水分在線式檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧食烘干過(guò)程中水分含量的實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測(cè)，劉輝等[4]根據(jù)糧食干燥過(guò)程的特點(diǎn)，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(cè)控制算法。

本文設(shè)計(jì)了一種烘干塔內(nèi)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，以AT89C52單片機(jī)為核心，采用DS18B20溫度傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，配備LCD1602顯示屏顯示實(shí)時(shí)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(dòng)報(bào)警，同時(shí)冷、熱風(fēng)機(jī)做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)谷物烘干塔溫度的自動(dòng)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(jī)、熱風(fēng)機(jī)、撒糧裝置、儲(chǔ)糧倉(cāng)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(jì)為分層旋轉(zhuǎn)漏篩式，濕谷物經(jīng)過(guò)提升機(jī)提升到入糧口，繞過(guò)中間風(fēng)道在兩側(cè)依靠重力自然下落，經(jīng)熱風(fēng)機(jī)充分干燥后進(jìn)入緩蘇段停止干燥，保溫處理一段時(shí)間使谷物內(nèi)外水分達(dá)到平衡，此時(shí)的緩蘇段充當(dāng)一個(gè)臨時(shí)儲(chǔ)糧倉(cāng)，控制好溫度在設(shè)定保溫范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)定時(shí)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(guò)程中，由于谷物中的稻梗、粉塵等雜質(zhì)會(huì)隨著烘干塔的熱空氣排出到空氣中，大顆粒沉積在周?chē)绊懞娓伤墓ぷ?，?xì)小的顆粒則會(huì)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(wèn)題。干燥、緩蘇、冷卻段都有溫度傳感器，在干燥和冷卻時(shí)不斷采集塔內(nèi)溫度在液晶屏上實(shí)時(shí)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(chǔ)糧倉(cāng)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(guò)高，會(huì)讓谷物流失水分過(guò)快過(guò)多，使得爆腰率上升，降低谷物的口感，使儲(chǔ)存的谷物品質(zhì)下降。采用多級(jí)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(guò)干燥后的谷物存放于固定溫度的存儲(chǔ)倉(cāng)放置一定時(shí)間，可以使得谷物內(nèi)部的水分向外擴(kuò)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(duì)谷物烘干塔將谷物干燥到存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的干燥時(shí)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(huì)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(shí)間均不超過(guò)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(duì)流傳熱和傳質(zhì)，在緩蘇干燥階段水分蒸發(fā)量相對(duì)較少，將稻谷干燥至安全水分的凈干燥時(shí)間都在220min以上[6-7]。干燥段和緩蘇段的時(shí)間比設(shè)置為（5～8）:1，對(duì)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(duì)于降低爆腰率有很大的作用。

烘干塔實(shí)現(xiàn)了全程無(wú)人化生產(chǎn)，完成了谷物的干燥—緩蘇—冷卻—入倉(cāng)的操作，節(jié)省了大量人力物力，采用的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)使谷物處于最佳保存溫度區(qū)間，對(duì)于不同種類(lèi)的谷物可以設(shè)置不同的溫度區(qū)間，延長(zhǎng)了谷物的存儲(chǔ)時(shí)間。

2.系統(tǒng)硬件

(1)AT89C52單片機(jī)

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(jī)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(chǔ)器等元件，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，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(hào)為數(shù)字信號(hào)，具有體積小，價(jià)格開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)[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(hào)發(fā)送給計(jì)數(shù)器，其輸出為數(shù)字信號(hào)，測(cè)溫范圍為-55～+125℃，相比于其他輸出模擬信號(hào)的傳感器可直接連接到單片機(jī)使用顯示溫度，且都具有唯一的64位ROM碼儲(chǔ)存在內(nèi)部?jī)?chǔ)存器，電源電極反接也不會(huì)燒壞，更加簡(jiǎn)單高效和安全。

(3)顯示及報(bào)警模塊

本文采用16×2規(guī)格的LCD1602顯示屏，首行實(shí)時(shí)顯示各個(gè)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(shí)還設(shè)有蜂鳴器和LCD燈，溫度偏離設(shè)定范圍會(huì)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(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)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(gè)顯示單元組成，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且亮度高，使用壽命長(zhǎng)。

(4)按鍵模塊

本文設(shè)置有4個(gè)按鍵，預(yù)設(shè)的溫度會(huì)在LCD1602上顯示為溫度上限TH，溫度下限TL，分別設(shè)置有2個(gè)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(guò)DS18B20的允許測(cè)量溫度區(qū)間，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度不在此區(qū)間系統(tǒng)便會(huì)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(jì)

3.控制方案

(1)利用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的模擬參量，常應(yīng)用于電機(jī)控速、開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域。直流電機(jī)PWM控制原理是在設(shè)置的脈沖作用下改變導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制[10]。通過(guò)對(duì)電機(jī)的不斷通電斷電，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)的慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，使用單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘計(jì)數(shù)器，設(shè)置一個(gè)閾值Compare，當(dāng)計(jì)數(shù)器的時(shí)間Counter＞Compare時(shí)，將連接好I/O口輸出低電平，其余時(shí)間輸出高電平，吹風(fēng)機(jī)接收到電位信息便開(kāi)始工作，對(duì)吹風(fēng)機(jī)調(diào)速只需設(shè)置不同的閾值Compare。

(2)單總線上掛載多個(gè)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(jì)性，容易連接且操作簡(jiǎn)單，單總線接口需要完成ROM設(shè)定，具有以下幾個(gè)功能：①讀取ROM；②ROM匹配；③搜索ROM；④跳過(guò)ROM；⑤報(bào)警檢查。單總線若掛載單個(gè)DS18B20，則直接寫(xiě)入指令（OneWire_SendByte（0XCC））跳過(guò)ROM的讀取。需要掛載多個(gè)DS18B20時(shí)，需要先讀取出每個(gè)DS18B20的ROM發(fā)送到總線，然后寫(xiě)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(jī)依次讀取每個(gè)傳感器的溫度，并將其顯示在LCD1602上。單總線掛載多個(gè)DS18B20的程序設(shè)計(jì)如下：

不同于利用多個(gè)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(jī)的一個(gè)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(jiǎn)潔高效。

(3)控制流程

系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為處理核心，完成開(kāi)機(jī)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(shí)，熱風(fēng)機(jī)處于恒定功率運(yùn)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(shí)正常運(yùn)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(shí)，冷風(fēng)機(jī)以恒定功率運(yùn)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(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，溫度處于40～50℃時(shí)，緩蘇段熱風(fēng)機(jī)正常工作，冷風(fēng)機(jī)不啟動(dòng)；調(diào)整緩蘇段溫度為35℃，DS18B20檢測(cè)溫度為35℃，熱風(fēng)機(jī)提高轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)報(bào)警，溫度升高到40℃時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)；調(diào)整緩蘇段溫度為55℃，DS18B20檢測(cè)溫度為55℃，熱風(fēng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速，冷風(fēng)機(jī)開(kāi)始介入，系統(tǒng)報(bào)警，溫度降低到50℃時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了溫度的自動(dòng)控制。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

4.結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以谷物烘干需求為背景，利用AT89C52單片機(jī)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(bào)警裝置，利用單總線掛載多個(gè)DS18B20溫度傳感器，直接輸出數(shù)字信號(hào)到AT89C52后顯示在LCD1602，達(dá)到了谷物烘干塔溫度自動(dòng)控制的目的，有效降低了谷物的爆腰率和含水率，延長(zhǎng)谷物的存儲(chǔ)時(shí)間以便于運(yùn)輸，提高了谷物的烘干品質(zhì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和魯棒性。