谷物烘干塔的新型自動控制設計

＊朱振飛 葛動元 譚岑

（廣西科技大學機械與汽車工程學院 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，作為中國的傳統主食，一直是必不可少的糧食。在自然環境下，如果谷物沒有烘干，其濕度不達標，不完善粒、雜質以及粉塵多，容易發熱霉變，而不耐久藏，儲存不當會造成大量浪費。為提高谷物儲存質量，在入庫時進行過篩與風選清除雜質，采用雜質和粉塵分離與回收工藝，并使谷物存儲環境保持適時通風，低溫密閉等。農產品在儲存過程中，烘干降低含水量也是一項必要的流程，目前農產品在生產過程中已經實現了干燥過程的智能化，谷物水分、熱風溫度、電機轉速等因素影響著糧食干燥機的品質，谷物烘干塔的目標是使谷物含水率符合國家標準，含水率在（14±0.5）%，顆粒溫度不高于環境溫度8℃[1]。衛福弟等[2]在糧食水分的在線檢測中說明了安全水分范圍標準，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使谷物烘干塔的溫度控制顯得極為關鍵。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，設計了糧食水分在線式檢測系統，實現了對糧食烘干過程中水分含量的實時、連續檢測，劉輝等[4]根據糧食干燥過程的特點，將模糊控制與神經網絡相結合，提出了糧食烘干塔智能預測控制算法。

本文設計了一種烘干塔內溫度自動控制系統，以AT89C52單片機為核心，采用DS18B20溫度傳感器直接輸出數字信號，配備LCD1602顯示屏顯示實時溫度，便于控制人員觀察和調整預設溫度區間，溫度超出范圍系統自動報警，同時冷、熱風機做出響應，實現了對谷物烘干塔溫度的自動控制。

1.谷物烘干塔的結構和工作原理

谷物烘干塔包括烘干塔主體、提升機、熱風機、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，塔內設計為分層旋轉漏篩式，濕谷物經過提升機提升到入糧口，繞過中間風道在兩側依靠重力自然下落，經熱風機充分干燥后進入緩蘇段停止干燥，保溫處理一段時間使谷物內外水分達到平衡，此時的緩蘇段充當一個臨時儲糧倉，控制好溫度在設定保溫范圍內，達到設定時間后，谷物經由隔熱板進入冷卻段，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，細小的顆粒則會飄散到大氣造成大氣污染，影響周邊空氣質量，在出風口采用谷物中的雜質和粉塵采用分離與回收工藝，以解決植物性雜質和粉塵排放超標等環境污染問題。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溫度在液晶屏上實時顯示，便于觀察烘干塔工作狀態，排糧口設有調速裝置，可控制烘干和降水程度，當谷物達到水分要求后經排糧口排出，進入儲糧倉保存。烘干塔結構如圖1所示。

圖1 烘干塔結構

烘干最佳溫度在45℃附近，如果烘干塔內干燥段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，可以使得谷物內部的水分向外擴散，以降低谷物內外水分的梯度，達到濕度的均化，可有效減少谷物表面的收縮、硬化而降低谷物的品質。采用不同的緩蘇方法對谷物烘干塔將谷物干燥到存儲標準的干燥時間有很大影響，一般緩蘇溫度為30～50℃，通風保溫、通風停溫和低風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。而采用停風保溫和停風停溫的緩蘇方式，由于缺少了空氣的對流傳熱和傳質，在緩蘇干燥階段水分蒸發量相對較少，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置為（5～8）:1，對比連續干燥谷物，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。

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

2.系統硬件

(1)AT89C52單片機

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

(2)DS18B20溫度傳感器

本文選擇的DS18B20溫度傳感器是常用的數字溫度傳感器，輸出信號為數字信號，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、低溫度系數晶振的振蕩頻率，產生固定頻率脈沖信號發送給計數器，其輸出為數字信號，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，第二行顯示預設的溫度區間，同時還設有蜂鳴器和LCD燈，溫度偏離設定范圍會鳴叫發光，提醒操作人員以做出調整。LCD1602是一種被普遍應用的顯示器，它是由字符型液晶顯示屏、控制驅動主電路HD44780及其擴展驅動電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結構件等裝配在PCB板上而組成，顯示由多個顯示單元組成，成本低，結構簡單，且亮度高，使用壽命長。

(4)按鍵模塊

本文設置有4個按鍵，預設的溫度會在LCD1602上顯示為溫度上限TH，溫度下限TL，分別設置有2個按鍵以控制增減溫度預設區間，進行預設溫度的調整，可調整范圍不超過DS18B20的允許測量溫度區間，當溫度傳感器檢測到溫度不在此區間系統便會做出響應，整體系統如圖2所示。

圖2 系統整體設計

3.控制方案

(1)利用單片機內部時鐘設計PWM

PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調制，在具有慣性的系統中，可以通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的模擬參量，常應用于電機控速、開關電源等領域。直流電機PWM控制原理是在設置的脈沖作用下改變導通時間、關斷時間進而實現對電機轉速的控制[10]。通過對電機的不斷通電斷電，利用電機旋轉的慣性來實現調速，使用單片機內部的時鐘計數器，設置一個閾值Compare，當計數器的時間Counter＞Compare時，將連接好I/O口輸出低電平，其余時間輸出高電平，吹風機接收到電位信息便開始工作，對吹風機調速只需設置不同的閾值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定性和經濟性，容易連接且操作簡單，單總線接口需要完成ROM設定，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發送到總線，然后寫入指令（OneWire_SendByte（0X55））進行ROM匹配，總線上匹配ROM碼的DS18B20進行溫度轉換，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，溫度處于預設溫度區間時，熱風機處于恒定功率運行狀態以穩定干燥段溫度；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，溫度處于預設溫度區間時，冷風機以恒定功率運行狀態穩定冷卻段溫度，LED燈和蜂鳴器不響應，烘干塔處于最佳工作溫度區間。在本烘干系統中，以緩蘇段1為例，將緩蘇溫度設為40～50℃，緩蘇段的DS18B20實時檢測溫度，溫度處于40～50℃時，緩蘇段熱風機正常工作，冷風機不啟動；調整緩蘇段溫度為35℃，DS18B20檢測溫度為35℃，熱風機提高轉速，系統報警，溫度升高到40℃時系統恢復初始狀態；調整緩蘇段溫度為55℃，DS18B20檢測溫度為55℃，熱風機降低轉速，冷風機開始介入，系統報警，溫度降低到50℃時系統恢復初始狀態，實現了溫度的自動控制。系統流程圖如圖3所示。

4.結語

本系統設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，設有按鍵調控烘干溫度區間，并設有蜂鳴器和LED燈報警裝置，利用單總線掛載多個DS18B20溫度傳感器，直接輸出數字信號到AT89C52后顯示在LCD1602，達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，具有良好的經濟性和魯棒性。