粮食烘干机温度控制系统的设计

谭新圆，朱文学，白喜婷，孙国峰，徐梦凡

（河南科技大学 食品与生物工程学院，河南洛阳 471000）

0 引言

粮食干燥作为粮食加工中至关重要的环节，影响着我国粮食战略安全。据统计我国每年因为粮食干燥问题而造成的浪费高达10%［1］。2016年全国粮食的机械化干燥率才达到35%［2］，远远不能满足我国的粮食干燥需求，待通过优化干燥机理，改良干燥方式，利用现代智能化干燥设备解决问题。

优化干燥机理，离不开研究粮食干燥水分迁移问题。杨洲等［3］针对南方双季稻区高湿稻谷，对薄层干燥谷粒的水分迁移过程进行动态跟踪发现谷物的干燥过程具有明显的二段性，提高初始温度有利于细胞自由水更快的脱离稻谷［4］，缓苏后降低干燥温度有利于结合水的转换以及提高干燥品质，减少应力裂纹、热损伤、蛋白质变性等问题的产生［5］。温度控制系统是粮食干燥设备的关键。由于单片机具有体积小、功能多、性价比高等特点，广泛应用于电子仪表、机器人和工业控制等诸多领域［6］。将单片机与粮食干燥的温度控制系统结合，是加强干燥设备智能化进程的一条行之有效的路径。

本文设计的粮食烘干机温度控制系统的温度控制核心采用STM32F103C8T6单片机，通过TB6600步进电机驱动器与42步进电机完成从数字信号到电信号的转换，进而控制电热丝的加热功率，达到变温干燥的目的。

1 系统简介

1.1 系统流程

系统由单片机模块、步进电机模块、传感器模块、电位器及可控硅调功器模块组成，单片机模块为控制核心。以一种粮食烘干机水分测量系统为数据采集基础［7］，如图1，实时监测小麦干燥过程中的温湿度，根据单片机计算得到的含水量及温湿度数据进而控制步进电机模块的运行。控制系统流程如图1所示。

图1 控制系统示意图Fig.1 Schematic diagram of control system

1.2 控制原理

通过传感器实时监测仓内数据反馈给单片机，单片机根据所得数据计算出步进电机目标位置［8］，传输给步进电机驱动器，从而达到控制电压的效果。系统检测周期为5 s，大于风机循环周期3.5 s。将一个周期内所得数值反馈给单片机，作为下个周期的PID（Proportional Integral Derivative）参数［9］。PID控制原理如图2所示。

图2 PID控制原理简图Fig.2 Schematic diagram of PID control principle

1.3 水分监测

水分监测采用自行开发的粮食烘干机水分测量系统，使用温湿度传感器和风速传感器采集温湿度等数据，实时传送至单片机，利用焓湿图及水分平衡原理实时换算仓内粮食水分含量。

分别测量5个不同高度的热风状态，监测粮食在干燥进程中的水分变化。传感器系统由5个温湿度传感器和1个风速传感器构成，其中5个温湿度传感器测量每个干燥段中热风的起始状态和结束状态，风速传感器用来测量初始状态的热风风速，结合进风时间Δt和进风管道截面积s，即可计算出一段时间内的热风进风量。

假设每个干燥段均为绝热环境，计算每个干燥段内干燥热风从粮食中带走的水分含量如下式所示：

式中 W1——干燥前粮食含水率，%；

W2——干燥后粮食含水率，%；

m1——干燥前的粮食质量，kg；

m2——干燥后的粮食质量，kg；

H1——进口处热风绝对含湿量，g/kg；

H2——出口处热风绝对含湿量，g/kg；

s——为热风管道的截面积，m2；

v——热风的进风速度，m/min；

Δt——干燥的时间，min；

ρ——进口处空气密度，kg/m3

2 系统硬件设计

2.1 单片机模块

单片机模块采用STM32F103C8T6单片机，配有64k闪存程序储存器，足够存储温度控制系统程序及温湿度测量系统程序［10］；配有2个12位模数转换器，37个I/O端口，可以连接多个温湿度传感器及步进电机驱动器，所有I/O都可支持5V直流信号，可以发射不同电压的电子脉冲给步进电机调频器；配有3个通用定时器，可在PID控制中计量时间。

2.2 步进电机模块

步进电机模块包括42步进电机及步进电机驱动器。电机为单出轴，通过联轴器与电位器相连，单片机得到仓内温湿度及含水量信号然后计算得到步进电机的转动，传输给步进电机驱动器进而驱动步进单机。步进电机驱动器采用电机控制DSP（Digital Signal Processing）芯片和应用矢量技术，解决了步进电机丢步的问题，可精确控制电机转动角度从而控制电位器。

2.3 可控硅模块

模块采用万谷机械公司干燥平台的热风输入装置，包括电位器、可控硅调压器、仪表盘等，控制电压为0～380 V。在本设计中，步进电机通过联轴器与电位器相连，每一个角度代表不同的电压输送，控制可控硅调压器调节电热丝的输入电压，达到控制电热丝加热功率的目的。

2.4 水分监测模块

水分监测模块主要由传感器发挥作用。包括大气用DS18B20温度传感器，干燥仓用SHT31温湿度传感器，PCF8592热风传感器，STM32F103C8T6单片机。

首先用DS18B20温度传感器测量外部环境的温度，依据测量的环境温度和该地的大气压强确定粮食烘干的外部条件；SHT31温湿度传感器负责采集热风的温度和湿度信号；PCF8592热风传感器负责采集热风的风速。各传感器采集的信号通过各自的通信协议将数据发送至STM32F103C8T6单片机。

3 粮食烘干机变温干燥原理及程序设计

3.1 变温干燥原理

通过对小麦等作物的干燥水分迁移特性进行分析，发现谷物干燥具有明显的二段性。小麦等作物在干燥过程中具有不同水分束缚态，一般分为三种或四种，本文取强化学结合水T21，弱化学结合水T22，物理结合水T23，自由水T24四种束缚态。根据王立，贾超等［11］对小麦干燥过程中水分变化速率DT随小麦干基含湿量变化关系的研究得出：干燥温度80 ℃时，T23、T24在干燥初期下降最快，所以干燥初期，宜采用高温加快干燥。在含水率降至22%时，低温60 ℃与高温80 ℃对T23、T24干燥速率的促进作用差距不大，高温的促进作用下降，可降低干燥温度。消除之前快速干燥段在谷物颗粒形成的湿分梯度。干燥结束后，60 ℃与80 ℃环境下，T21剩余质量相似，误差在2%以内。针对 T22，不同温度的干燥速率 D60℃＞D70℃，所以，系统低温段采用60 ℃干燥。

3.2 系统软件设计

3.2.1 系统初始化

根据本系统的粮食干燥试验平台的风道长度及风速条件，采用500 ms为一个PID反馈周期［12-14］。温度控制系统开机，3.5 s后热风进入干燥仓，初始化定时周期为0.5 s。当定时器完成第一个定时周期后，热风已进入干燥仓，干燥过程开始。单片机根据粮食烘干机水分测量系统传感器传输的温湿度等数据，系统初始化完成。此时单片机控制电热丝及风机向干燥仓内持续输入热风进行升温，直至仓内温度稳定80 ℃。系统初始化部分的算法逻辑如图3所示。

图3 算法逻辑图（初始化）Fig.3 Logical Diagram of the Algorithm （Initialization）

3.2.2 系统计时及电机位置控制

干燥过程中，系统每500 ms进行一次PID反馈。定时器进行定时，500 ms时间到，单片机即控制水分测量，系统检测一次温湿度数据并计算此时粮食的含水量数据，系统计时部分的算法逻辑如图4所示，所得数据循环向PC端传输，显示当前状态。

图4 系统计时逻辑图Fig.4 System timing logic diagram

根据数据计算步进电机运行位置，进而控制步进电机控制器发射方波脉冲控制步进电机转动轴转动的角度，进而达到温度调节的目的。电机控制部分的算法逻辑如图5所示。

图5 电机控制逻辑图Fig.5 Motor control logic diagram

3.2.3 系统干燥状态判断

系统干燥状态判断的算法逻辑如图6所示。

图6 状态判断逻辑图Fig.6 State determination logic diagram

根据水分测量系统给出的数据，单片机进行判断。当粮食含水率不低于22%，单片机判断干燥过程处于高温干燥段，控制电热丝进行高电压输入，保持干燥仓内80 ℃恒温干燥；当粮食含水率第一次不高于22%，仓内温度大于60 ℃，单片机判断缓苏过程开始，控制电热丝停止热量输入；当仓内温度接近60 ℃，且仓内粮食含水率不低于12%，单片机判低温干燥过程开始，控制电热丝进行低电压输入，保持干燥仓内60 ℃恒温干燥；当粮食含水率低于12%，单片机判断干燥过程结束，控制电热丝停止热量输入，同时控制温度控制系统关机。

3.2.4 系统反馈调节

根据计时部分的判断，结合所设置的温度目标值，进而计算偏差，经过PID控制算法计算输出结果，并计算出步进电机的目标位置，再连接计时部分及步进电机位置控制部分，完成反馈闭环，系统反馈调节的算法逻辑如图7所示。

图7 系统反馈逻辑图Fig.7 System feedback logic diagram

4 结语

设计一套粮食烘干机温度控制系统，可以利用测量到的温湿度、含水量等数据，通过单片机计算、判断、发射脉冲控制步进电机，进而调节干燥仓内干燥温度，达到变温干燥的效果。解决了传统粮食恒温干燥方式的弊端，干燥过程契合粮食干燥的二段性，干燥后粮食品质更佳，是传统粮食干燥走向集约化、自动化、智能化的一种行之有效的尝试。