引言
我國(guó)谷物干燥的機(jī)械化存在諸多問(wèn)題，許多方面都與干燥過(guò)程的控制技術(shù)研究跟不上有關(guān)，使得干燥烘干機(jī)很難在作業(yè)效率、干燥能量消耗及干燥產(chǎn)品質(zhì)量保護(hù)、設(shè)備投資成本、安全性等方面有突破性的進(jìn)展。本文針對(duì)循環(huán)式緩蘇干燥
烘干機(jī)的工作特性，進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。
l、控制系統(tǒng)方案
1.1干燥烘干機(jī)工作原理
谷物循環(huán)式緩蘇干燥烘干機(jī)主要由升運(yùn)器、風(fēng)機(jī)、加熱裝置、控制箱、干燥室、緩蘇倉(cāng)、排糧裝置等構(gòu)成。干燥時(shí)谷物靠自重在干燥烘干機(jī)內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，在流動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)干燥與緩蘇。通過(guò)改變排糧裝置的轉(zhuǎn)速，可以控制谷物在干燥室的滯留時(shí)間，調(diào)整整批谷物干燥的均勻性；通過(guò)調(diào)控風(fēng)機(jī)的引風(fēng)量和燃燒器燃燒狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)干燥工藝過(guò)程控制。
1.2干燥烘干機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程
干燥烘干機(jī)接通電源后，系統(tǒng)完成復(fù)位自檢，顯示待工作狀態(tài)。設(shè)定干燥溫度、干燥目標(biāo)值，然后按“進(jìn)糧”按鈕，快速喂入濕谷。按下“干燥”功能鍵，按照內(nèi)存程序的設(shè)定選擇干燥方式，確定引風(fēng)機(jī)和燃燒器的工作狀態(tài)。由單片機(jī)根據(jù)物料水分、溫度、風(fēng)壓測(cè)定結(jié)果自動(dòng)調(diào)整風(fēng)量、干燥溫度，實(shí)時(shí)控制燃燒器供油狀態(tài)。當(dāng)物料含水率達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，干燥烘干機(jī)按照設(shè)定的停機(jī)程序切斷供油，通風(fēng)冷卻，切斷風(fēng)機(jī)、排糧電機(jī)電源，所有中斷均按“停止”按鈕。
1.3干燥過(guò)程控制
干燥過(guò)程的控制量v(t)是干燥溫度和風(fēng)機(jī)引風(fēng)量。干燥溫度（進(jìn)風(fēng)溫度）是干燥過(guò)程控制系統(tǒng)的給定量，同時(shí)又是燃燒器控制系統(tǒng)的輸出量。對(duì)燃燒器采用了如圖1所示計(jì)算機(jī)反饋控制系統(tǒng)。
干燥溫度控制系統(tǒng)的擾動(dòng)量f(t)不僅有環(huán)境的溫度、濕度、物料的水分狀態(tài)，同時(shí)還有通風(fēng)量的波動(dòng)。干燥烘干機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)初期的給定值x(t)是干燥溫度和物料終了含水率。干燥過(guò)程中的r(t)由干燥工藝要求的控制程序設(shè)定，即由專家系統(tǒng)ri,2]給出過(guò)程控制規(guī)律。過(guò)程檢測(cè)的主要信號(hào)是熱風(fēng)溫度、風(fēng)壓和物料含水率。溫度測(cè)量采用熱電阻溫度計(jì)，物料含水率檢測(cè)采用自行研制的谷物含水率測(cè)定裝置，測(cè)定規(guī)律由程序設(shè)定。
2、單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
采用單片機(jī)80C51作為控制器的CPU。外部擴(kuò)展EPROM 2764，RAM 6264，通用I/()口8155，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出變頻器控制信號(hào)，由變頻器控制排糧裝置和升運(yùn)器轉(zhuǎn)速。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，鍵盤、顯示器選8279芯片控制。外部中斷“0”設(shè)計(jì)為緊急停機(jī)，外部中斷“1”為執(zhí)行數(shù)據(jù)查詢和干燥運(yùn)轉(zhuǎn)方式。控制系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、動(dòng)作執(zhí)行模塊、鍵盤設(shè)定顯示模塊、安全檢測(cè)報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
影響谷物干燥的主要因素有：環(huán)境溫濕度、排氣溫濕度、熱風(fēng)溫度、風(fēng)量、排糧速度、谷物含水率、干燥時(shí)間、谷層厚度等。干燥過(guò)程中熱風(fēng)溫度的變化最為頻繁，采用設(shè)定熱風(fēng)溫度上下限值和控制供油量的控制手段保證熱風(fēng)溫度在允許范圍內(nèi)。通過(guò)調(diào)控干燥烘干機(jī)排糧輪、排糧螺旋輸送器以及升運(yùn)器的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)處理過(guò)程，以實(shí)時(shí)控制谷物在干燥段受熱的滯留時(shí)間。谷物含水狀態(tài)是確定干燥條件以及處理干燥方式、干燥時(shí)間、熱風(fēng)流動(dòng)狀態(tài)等過(guò)程控制量的主要依據(jù)，是干燥中的決策變量。
3、系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊由溫度傳感器、變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)組成。選用PT100熱敏電阻器及S108高分子濕敏電容作為感溫、感濕元件，配以WS302溫濕度變送器，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出。溫度測(cè)量范圍在0N100 C，精度為±0.5 C;采用自制的測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)物料含水率，測(cè)量精度±1%。測(cè)量模擬信號(hào)依次送入ADC0809，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換選用ADC0809芯片，分辨力為0.4。ADC0809的時(shí)鐘取自8031的AI}E經(jīng)二分頻的信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢，8031讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。ADC0809與片外的RAM統(tǒng)一編址。數(shù)據(jù)采集模塊完成信息采集后，經(jīng)單片機(jī)處理、顯示輸出的同時(shí)，亦可通過(guò)串行口向外部傳輸。
數(shù)據(jù)采集按照設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行，通過(guò)改變定時(shí)器中斷次數(shù)得到不同定時(shí)間隔。每采集15個(gè)數(shù)據(jù)為一數(shù)據(jù)樣，采用“冒泡排序法”、平均濾波法和移動(dòng)平均加權(quán)濾波法確定數(shù)據(jù)的權(quán)重，受干擾較小的數(shù)據(jù)權(quán)重較大，受干擾大的數(shù)據(jù)權(quán)重較小。
采集到的模擬量經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可辨識(shí)的二進(jìn)制數(shù)字量，進(jìn)行運(yùn)算判斷，執(zhí)行控制程序。經(jīng)過(guò)數(shù)制轉(zhuǎn)換在顯示面板上顯示十進(jìn)制。
3.2 數(shù)據(jù)通訊模塊
干燥過(guò)程檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)酵獠拷邮赵O(shè)備，如集錄儀或計(jì)算機(jī)，可以自動(dòng)追蹤干燥烘干機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P3.0、P3.1口作為串行通訊輸入輸出。由于異步通信雙方各自有自己的時(shí)鐘源，為保證捕捉到的信號(hào)正確，選擇的時(shí)鐘頻率比波特率高64倍。晶振采用11. 059 MHz，定時(shí)器產(chǎn)生2 400的波特率。選用ICIJ232轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外部集錄儀或計(jì)算機(jī)通訊。
3.3 動(dòng)作執(zhí)行模塊
動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括水分檢測(cè)計(jì)、提升機(jī)、燃燒器、風(fēng)機(jī)、排糧電機(jī)等，單片機(jī)控制系統(tǒng)由PI()8155的通用I/0口控制外部各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)固態(tài)繼電器(SSR)等中間設(shè)備實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。數(shù)字信號(hào)經(jīng)8155芯片轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，然后由0～5 V的電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
3.3.1 循環(huán)速度的控制
通過(guò)DlA轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出控制量，控制變頻器的輸入電壓，調(diào)整排糧輪的轉(zhuǎn)速，以調(diào)整循環(huán)速度。CPU接收到水分檢測(cè)儀和溫度傳感器輸入的離散化數(shù)字量后，做出控制判斷，查規(guī)則表確定排糧電機(jī)的轉(zhuǎn)速，向變頻器輸出0～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)的控制模擬量，由變頻器控制排糧電機(jī)的轉(zhuǎn)速。DAC的輸出采用單緩沖方式，將二級(jí)寄存器的控制信號(hào)并接，輸入數(shù)據(jù)在控制信號(hào)作用下直接寫入DAC寄存器中。
3.3.2進(jìn)糧控制
通過(guò)PI()8155的PB.0口連接的固態(tài)繼電器控制提升機(jī)的電源。系統(tǒng)接通電源復(fù)位，啟動(dòng)提升機(jī)。在干燥烘干機(jī)上部裝有光電料位傳感器，當(dāng)料位達(dá)到預(yù)定量時(shí)，輸出端發(fā)出糧滿報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)，控制電路的繼電器斷開(kāi)常閉開(kāi)關(guān)，切斷提升機(jī)的電源，停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在進(jìn)糧過(guò)程中采用查詢等待方式檢測(cè)進(jìn)糧狀態(tài)。
3.3.3 水分檢測(cè)控制
自行研制了電阻式在線水分檢測(cè)裝置。PI08155的PB.1口控制水分檢測(cè)儀驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源。由程序控制采樣時(shí)間間隔。檢測(cè)的模擬量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在寄存器(SFR)中。在水分計(jì)將檢測(cè)到的含水率送入模數(shù)ADC轉(zhuǎn)換器后，CPU即發(fā)出中斷指令，切斷水分檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源，完成一次檢測(cè)。
3.3.4燃燒器的控制
干燥過(guò)程中熱風(fēng)溫度因受到各種干擾因素的影響而不停地波動(dòng)。為保持燃燒的穩(wěn)定性，把燃燒器的供油量固定在相對(duì)較小的變化范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整送風(fēng)量和排糧速度達(dá)到改變干燥溫度和干燥時(shí)間的目的。PI08155的PB.2口控制燃燒器的電源開(kāi)關(guān)，按溫度傳感器的反饋信息設(shè)計(jì)干燥烘干機(jī)模糊控制。為防止溫度過(guò)高、過(guò)低的安全隱患，在干燥室熱風(fēng)入口處安裝極限溫度控制器，用熱電偶測(cè)量溫度，輸出繼電器開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，常閉觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)與燃燒器的電源線連為一體，常開(kāi)開(kāi)關(guān)連接報(bào)警指示燈。
3.3.5風(fēng)機(jī)的控制
風(fēng)機(jī)在干燥過(guò)程中處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，控制較為簡(jiǎn)單。PI08155的PB.3口控制風(fēng)機(jī)的電源開(kāi)關(guān)。在干燥烘干機(jī)開(kāi)始進(jìn)糧的同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)通風(fēng)，按照干燥工藝要求，初期的通風(fēng)量相對(duì)較大，低水分階段風(fēng)量減小，溫度隨之升高。干燥結(jié)束時(shí)，首先中斷燃燒器供油，繼續(xù)通風(fēng)10min，使油路中的燃料燃盡，高溫部件得到充分冷卻。
3.4鍵盤設(shè)定顯示模塊
鍵盤、顯示器是控制系統(tǒng)的輸入、輸出設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、參數(shù)設(shè)定、測(cè)量結(jié)果、查詢內(nèi)容等功能。在干燥過(guò)程控制系統(tǒng)中，要求完成多路參數(shù)巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制計(jì)算等工作，實(shí)時(shí)性要求高。為節(jié)省CPU工作時(shí)間，鍵盤顯示器采用硬件掃描方式。選用通用鍵盤、顯示接口芯片8279。
3.5 安全檢測(cè)報(bào)警模塊
干燥過(guò)程出現(xiàn)異常時(shí)的中斷申請(qǐng)均設(shè)計(jì)成低電平申請(qǐng)響應(yīng)，8031的P3.2、P3.3分別是外部中斷“0”和外部中斷“1”的引腳，通過(guò)按鍵與電源模擬連接。申請(qǐng)中斷時(shí)按下中斷鍵，等待CPU響應(yīng)，轉(zhuǎn)入執(zhí)行程序。外部中斷“0”是緊急停機(jī)，包括停止燃油供給和各電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)等。外部中斷“1”是執(zhí)行數(shù)據(jù)查詢和干燥運(yùn)轉(zhuǎn)方式功能，運(yùn)轉(zhuǎn)方式包括定時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)和自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)兩種方式。為了更清楚的觀察干燥烘干機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，在控制面板上設(shè)計(jì)了各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)指示燈，選用發(fā)光二極管作為指示燈，以PI08155的PC. 0～5口和8031的Pl. 0～1.7口為輸出口，Pl口在CPU復(fù)位后為高電平狀態(tài)，所以與Pl口連結(jié)的發(fā)光二極管共陽(yáng)極，815 5PC口連結(jié)的發(fā)光二極管共陰極。
4、結(jié)束語(yǔ)
本研究開(kāi)發(fā)了單片機(jī)干燥過(guò)程控制系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的雙向通訊，將谷物深層干燥專家系統(tǒng)用于干燥烘干機(jī)處理過(guò)程控制系統(tǒng)，為開(kāi)發(fā)智能型集中控制干燥中心奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
