0、引 言
通常各種作物種子收獲時含水率較高，如果由于天氣的原因或其它條件的限制，不能及時去除其中的水分，就會使種子發熱變質，或因遭受凍害而喪失發芽能力。因此對種子進行及時的脫水干燥非常必要。近年來，國家對農業的種子產業化工程十分重視，在種子的產業化生產過程中，種子的加工是重要環節，而干燥是種子加工過程中的關鍵。研究表明：種子耐藏性的關鍵因子是種子含水率和貯藏溫度，種子經過合理的干燥工藝干燥后，對貯藏溫度的要求降低，使種子的貯藏費用降低，種子的壽命得到延長，種子的耐旱性能得到提高。目前國內外對谷物類作物的干燥工藝和設備進行了較多研究。但對采用間歇式工作方式的滾筒式作物種子干燥機及相應的控制裝置未見報道。連正國、關植基等對種子干燥工藝及種子干燥機的參數進行了研究。應義斌、壽明耀對連續式滾筒式干燥機用于谷物干燥時，谷物在滾筒中停留時間和接觸時間進行了研究。種子是活的有機體，干后種子仍然具有旺盛的生命力是種子干燥作業的基本要求。由于各種種子的顆粒大小、結構、組成成分不一樣，對干燥工藝過程和工藝參數的要求不同，為滿足種子干燥的要求，必須對種子干燥的工藝過程和參數進行精密、嚴格的控制。因此對種子干燥機控制裝置提出了較高要求。根據實際需要和萊陽農學院農學系旱作技術省級重點實驗室的要求，研制了一臺作物種子干燥機。在作物種子干燥機中采用以單片機為核心的控制裝置實現對干燥過程的自動控制。
1、滾筒式作物種子干燥機的結構及工作原理
滾筒式作物種子干燥機實物照片如圖1所示，結構簡圖如圖2所示。滾筒兩端呈錐狀并留有圓形孔。圓孔1作為裝料和卸料口及干燥過程中的出風口，圓孔2作為熱風輸入口。電熱元件和風機安裝在一個直徑較小的圓筒中，裝有發熱元件和風機的圓筒插入到滾筒的圓孔2約3cm，在滾筒的圓孔2的內部安裝一圓型不銹鋼網罩，防止滾筒回轉時作物種子灑落進裝有發熱元件和風機的圓筒，同時又保證熱風能吹進滾筒。工作時滾筒回轉，但裝有發熱元件和風機的圓筒不旋轉。滾筒外側正中安裝有圓環型齒圈，與滾筒焊為一體，它被小齒輪驅動用于帶動滾筒回轉。在滾筒外側的兩端安裝有鋼圈，用作滾筒回轉的軌道。在滾筒內壁鑲有縱向抄板。當滾筒回轉時，滾筒底部的種子被抄板抄起，隨著滾筒的回轉，抄板中的種子漸漸均勻撒落。處于均勻撒落狀態的種子受到遠紅外線的輻射和熱風的吹拂，使種子中的水分被蒸發出來。
2、滾筒式作物種子干燥機控制裝置的作用及工作過程
熱風溫度、風速及干燥時間是影響種子干燥效果及種子干燥質量的主要因素。控制裝置的控制對象是遠紅外加熱器和風機，通過電加熱器調節熱風溫度，通過風機調節風速。種子干燥過程的不同階段中對干燥溫度、干燥風速有不同的要求，不同種子初始含水率不同、結構不同、適宜的干燥速度不同，干燥過程中含水率的變化規律不同，因此要求的干燥時間、干燥溫度、干燥風速以及三者的配合關系不同，為了達到良好的干燥效果和使干燥機的工作效率較高，要求控制裝置能對干燥時間、干燥風速、干燥溫度進行設定和自動控制，因此必須采用智能化的控制裝置。種子干燥過程中必須保證種子的安全，不允許出現超溫現象，為此必須設置特殊的溫度控制算法，以保證種子的安全。以單片機為核心的干燥機控制裝置可以靈活設置干燥時間、溫度、風速、并能實現對溫度、風速、時間的自動控制，是實現干燥機高性能控制的較佳選擇。在干燥前，首先進行干燥過程的設置，確定干燥過程分為幾段及每段的時間、溫度、風速，然后按運行鍵系統開始運行，運行中系統對運行的段次、時間、溫度、風速進行自動控制，干燥過程結束后自動停機并發出聲光信號。
3、滾筒式作物種子干燥機控制裝置硬件電路
參考有關文獻，設計了作物種子干燥機的以單片機為核心的控制裝置，電路框圖如圖3所示。以8031單片機作為控制電路的核心組成控制系統。單片機通過熱敏電阻溫度傳感器檢測干燥空氣溫度，通過輸出端口Pl.0控制雙向可控硅的通斷時間改變電熱器的發熱功率，實現溫度的反饋控制；D/A轉換器輸出模擬電壓到雙向可控硅觸發控制電路，改變風速控制單元的數字量就可改變D/A轉換器的輸出電壓，從而控制可控硅的導通角，改變風機電壓，實現風機的調壓調速。當工頻交流電由正變負過零點時，產生外部中斷信號，單片機響應中斷進入中斷服務程序，在該程序中完成工頻電周期數計數及控制周期數和導通周期數控制。
3.1溫度檢測部分
該部分包括度傳感器、變送器.A/D轉換器。選用集成測溫元件AD590作為溫度傳感器，其溫度范圍一55 C～+150℃，滿量程最大溫漂△T≤0.1℃。變送器將溫度變化轉換成0～5V的電壓信號。采用12位的AlD轉換器AD574將電壓信號轉化成數字量。當溫度在0～99.9℃之間時，調節變送器使A/D轉換結果為OOH～3E7H(0～99.9)使溫度控制精度少于±0.3℃。
3.2加熱器控制部分
通過輸出端口Pl.0控制雙向可控硅的通斷時間改變電熱器的發熱功率，實現溫度的反饋控制；系統的加熱元件采用管狀遠紅外輻射元件，采用雙向可控硅對其進行開關控制。為了不出現超溫現象，由單片機控制使加熱器從低功率開始逐步增加功率，發熱功率的增加速度低于加熱系統的熱慣性。溫度傳感器檢測熱空氣的溫度，控制系統根據設定溫度和實測溫度的比較結果，使雙向可控硅在下一個控制周期內的導通的時間增加一個周波或減少一個周波。當發熱元件處于發熱狀態時，其熱慣性較少。實驗測得在環境為熱穩定狀態下，當熱元件通入電流5s后，就可使空氣溫度發生變化，因此系統設定控制周期為5s。
3.3工頻正弦交流電周波數、過零檢測電路
為了實現雙向可控硅導通周波數控制，及總控制周期的控制，需要獲得電網電壓周波數信號。該部分電路由降壓變壓器、整流二極管、穩壓管、光電耦合器、與非門等器件組成。當工頻電壓由正變負過零點時，8031的外部中斷INT1獲得一個負跳變的有效中斷請求信號。8031執行中斷轉入中斷服務程序，使周波數計數單元加1。
3.4風機控制電路
采用額定電壓為220V的單相風機，通過改變雙向可控硅的導通角實現風機的調壓調速，可控硅的導通角受單片機D/A轉換器0832輸出電壓控制。
3.5其它電路部分
采用3位數碼管進行溫度顯示。8031將采集到的溫度值送入8279的顯示RAM，由8279送入數碼管顯示。系統采用薄膜開關作為輸入裝置，作為聲音報警輸出端。作為交流接觸器斷電控制端，作為交流接觸器狀態信號輸入端。當發生意外情況時，如可控硅擊穿失控，使熱風溫度超過設定溫度2℃時，輸出信號，發出音響報警。變為高電平，使交流接觸器釋放，切斷交流電源。通常在種子干燥時，其設定溫度遠低于使種子損壞的溫度。因此超過設定溫度2℃不會造成種子的損壞。
4、滾筒式作物種子干燥機控制裝置軟件設計
4.1系統主程序
當系統通電時，單片機系統被加電，主程序開始運行。系統對有關單元初始化后等待按鍵輸入。若為參數設定鍵按下，則轉參數設定程序，參數設定完成后返回主程序。若為運行鍵，則轉系統運行程序，干燥過程結束后轉主程序。
4.2 參數設定程序
系統干燥運行前首先通過鍵盤設定干燥過程的控制段數及每個控制段的時間長度、控制溫度、風速，系統參數設定完成后返回主程序。
4.3系統運行控制程序
控制程序流程圖如圖4所示。系統設定完成后，按運行鍵系統開始干燥運行。系統首先將有關單元數據初始化，檢測串聯于雙向可控硅前的交流接觸器是否接通，當檢測到交流接觸器接通時，單片機輸出信號使可控硅以初始設定的周波數導通，使電加熱器以較少的功率發熱，根據設定的風速要求進行D/A轉換，輸出模擬電壓，控制風機按要求的風速工作。然后開中斷、讀出設定溫度，采樣實際溫度，根據采樣值與設定值的比較，使導通周波數計數單元加1或減1。系統檢測己導通周波數計數單元和已經過周波數計數單元，當導通周波數達到設定的周波數時，關斷雙向可控硅，繼續檢測已經過導通周波數計數單元，當己導通周波數等于控制周期數時，開始下一個控制周期，然后檢測干燥工作的段次及時間，讀出該段次和時間的風速控制單元值，進行D/A轉換，控制風機工作。在工頻交流電由正到負的過零點產生外部中斷，轉中斷服務程序中，在中斷服務程序中將己導通周波數和己通過周波數計數單元分別加1。在運行中系統記錄系統運行的段數及本段的運行時間，檢測干燥空氣溫度，與本段要求的干燥空氣溫度及要求的本段運行時間比較，根據比較結果發出控制指令，使系統按預定的時間、溫度、風速運行。
5、滾筒式作物種子干燥機作物種子的裝卸
由于滾筒內抄板的影響，采用通常的方法卸下種子很費力，也不容易卸干凈，為此采用傾倒的方法卸下種子。滾筒式結構內部光滑，無縫隙，無死角，當需要卸下種子時，按下卸料按鈕，在電動機的驅動下，滾筒傾斜，滾筒內的種子從左端口滑落流出。在機體安裝有限位行程開關，當機體傾斜到一定程度時傾倒電機自動斷電，保證了卸料安全。
6、滾筒式作物種子干燥機的試驗
對所研制的滾筒式作物種子干燥機進行了性能試驗。試驗材料分別是100 kg濕態玉米和95 kg濕態小麥。玉米和小麥均采用三段式干燥，各段的參數設置如表1所示。干燥進行前和完成后進行了參數檢測，種子濕度檢測采用LSKC-4糧食水分快速測定儀。測量時隨機選出20顆種子測量其含水率，然后求取其含水率平均值和含水率標準差。隨機選取100顆種子進行發芽率試驗，發芽率為100%。隨機選出100顆種子觀察種子的裂紋數，由于干燥溫度較低，沒有發現有裂紋的種子。
7、結 論
所研制的作物種子干燥機己投入使用2年多，使用結果表明具有以下特點：1）由于采用滾筒結構和單片機控制裝置，使其適應性較廣，能適應大部分作物種子干燥的要求。2）由于干燥機與種子接觸的部分光滑、密封，使種子不會撒落到不易清掃的地方，采用傾倒卸料，種子干燥完成后能方便、容易、干凈徹底的把種子倒出，保證不同品種的種子之間不會出現串種、混種現象。3）其中的單片機控制裝置可實現對干燥時間、干燥風速、干燥溫度進行設定和自動控制，使作物種子干燥機具有良好的干燥性能。使用表明：所設計的單片機控制裝置能靈活進行干燥過程的設定，滿足不同種子的干燥要求，由于采用導通周波數控制，從較低的溫度升溫至設定溫度，升溫速度低于系統的熱慣性，系統不會出現超溫現象，且使溫度控制精度較高，超溫保護電路設計合理，在系統出現故障時能及時可靠的切斷電源，保證了種子的安全干燥。系統采用單相風機調壓調速，調速范圍大，控制風機轉速方便簡單。
通常各種作物種子收獲時含水率較高，如果由于天氣的原因或其它條件的限制，不能及時去除其中的水分，就會使種子發熱變質，或因遭受凍害而喪失發芽能力。因此對種子進行及時的脫水干燥非常必要。近年來，國家對農業的種子產業化工程十分重視，在種子的產業化生產過程中，種子的加工是重要環節，而干燥是種子加工過程中的關鍵。研究表明：種子耐藏性的關鍵因子是種子含水率和貯藏溫度，種子經過合理的干燥工藝干燥后，對貯藏溫度的要求降低，使種子的貯藏費用降低，種子的壽命得到延長，種子的耐旱性能得到提高。目前國內外對谷物類作物的干燥工藝和設備進行了較多研究。但對采用間歇式工作方式的滾筒式作物種子干燥機及相應的控制裝置未見報道。連正國、關植基等對種子干燥工藝及種子干燥機的參數進行了研究。應義斌、壽明耀對連續式滾筒式干燥機用于谷物干燥時，谷物在滾筒中停留時間和接觸時間進行了研究。種子是活的有機體，干后種子仍然具有旺盛的生命力是種子干燥作業的基本要求。由于各種種子的顆粒大小、結構、組成成分不一樣，對干燥工藝過程和工藝參數的要求不同，為滿足種子干燥的要求，必須對種子干燥的工藝過程和參數進行精密、嚴格的控制。因此對種子干燥機控制裝置提出了較高要求。根據實際需要和萊陽農學院農學系旱作技術省級重點實驗室的要求，研制了一臺作物種子干燥機。在作物種子干燥機中采用以單片機為核心的控制裝置實現對干燥過程的自動控制。
1、滾筒式作物種子干燥機的結構及工作原理
滾筒式作物種子干燥機實物照片如圖1所示，結構簡圖如圖2所示。滾筒兩端呈錐狀并留有圓形孔。圓孔1作為裝料和卸料口及干燥過程中的出風口，圓孔2作為熱風輸入口。電熱元件和風機安裝在一個直徑較小的圓筒中，裝有發熱元件和風機的圓筒插入到滾筒的圓孔2約3cm，在滾筒的圓孔2的內部安裝一圓型不銹鋼網罩，防止滾筒回轉時作物種子灑落進裝有發熱元件和風機的圓筒，同時又保證熱風能吹進滾筒。工作時滾筒回轉，但裝有發熱元件和風機的圓筒不旋轉。滾筒外側正中安裝有圓環型齒圈，與滾筒焊為一體，它被小齒輪驅動用于帶動滾筒回轉。在滾筒外側的兩端安裝有鋼圈，用作滾筒回轉的軌道。在滾筒內壁鑲有縱向抄板。當滾筒回轉時，滾筒底部的種子被抄板抄起，隨著滾筒的回轉，抄板中的種子漸漸均勻撒落。處于均勻撒落狀態的種子受到遠紅外線的輻射和熱風的吹拂，使種子中的水分被蒸發出來。
2、滾筒式作物種子干燥機控制裝置的作用及工作過程
熱風溫度、風速及干燥時間是影響種子干燥效果及種子干燥質量的主要因素。控制裝置的控制對象是遠紅外加熱器和風機，通過電加熱器調節熱風溫度，通過風機調節風速。種子干燥過程的不同階段中對干燥溫度、干燥風速有不同的要求，不同種子初始含水率不同、結構不同、適宜的干燥速度不同，干燥過程中含水率的變化規律不同，因此要求的干燥時間、干燥溫度、干燥風速以及三者的配合關系不同，為了達到良好的干燥效果和使干燥機的工作效率較高，要求控制裝置能對干燥時間、干燥風速、干燥溫度進行設定和自動控制，因此必須采用智能化的控制裝置。種子干燥過程中必須保證種子的安全，不允許出現超溫現象，為此必須設置特殊的溫度控制算法，以保證種子的安全。以單片機為核心的干燥機控制裝置可以靈活設置干燥時間、溫度、風速、并能實現對溫度、風速、時間的自動控制，是實現干燥機高性能控制的較佳選擇。在干燥前，首先進行干燥過程的設置，確定干燥過程分為幾段及每段的時間、溫度、風速，然后按運行鍵系統開始運行，運行中系統對運行的段次、時間、溫度、風速進行自動控制，干燥過程結束后自動停機并發出聲光信號。
3、滾筒式作物種子干燥機控制裝置硬件電路
參考有關文獻，設計了作物種子干燥機的以單片機為核心的控制裝置，電路框圖如圖3所示。以8031單片機作為控制電路的核心組成控制系統。單片機通過熱敏電阻溫度傳感器檢測干燥空氣溫度，通過輸出端口Pl.0控制雙向可控硅的通斷時間改變電熱器的發熱功率，實現溫度的反饋控制；D/A轉換器輸出模擬電壓到雙向可控硅觸發控制電路，改變風速控制單元的數字量就可改變D/A轉換器的輸出電壓，從而控制可控硅的導通角，改變風機電壓，實現風機的調壓調速。當工頻交流電由正變負過零點時，產生外部中斷信號，單片機響應中斷進入中斷服務程序，在該程序中完成工頻電周期數計數及控制周期數和導通周期數控制。
3.1溫度檢測部分
該部分包括度傳感器、變送器.A/D轉換器。選用集成測溫元件AD590作為溫度傳感器，其溫度范圍一55 C～+150℃，滿量程最大溫漂△T≤0.1℃。變送器將溫度變化轉換成0～5V的電壓信號。采用12位的AlD轉換器AD574將電壓信號轉化成數字量。當溫度在0～99.9℃之間時，調節變送器使A/D轉換結果為OOH～3E7H(0～99.9)使溫度控制精度少于±0.3℃。
3.2加熱器控制部分
通過輸出端口Pl.0控制雙向可控硅的通斷時間改變電熱器的發熱功率，實現溫度的反饋控制；系統的加熱元件采用管狀遠紅外輻射元件，采用雙向可控硅對其進行開關控制。為了不出現超溫現象，由單片機控制使加熱器從低功率開始逐步增加功率，發熱功率的增加速度低于加熱系統的熱慣性。溫度傳感器檢測熱空氣的溫度，控制系統根據設定溫度和實測溫度的比較結果，使雙向可控硅在下一個控制周期內的導通的時間增加一個周波或減少一個周波。當發熱元件處于發熱狀態時，其熱慣性較少。實驗測得在環境為熱穩定狀態下，當熱元件通入電流5s后，就可使空氣溫度發生變化，因此系統設定控制周期為5s。
3.3工頻正弦交流電周波數、過零檢測電路
為了實現雙向可控硅導通周波數控制，及總控制周期的控制，需要獲得電網電壓周波數信號。該部分電路由降壓變壓器、整流二極管、穩壓管、光電耦合器、與非門等器件組成。當工頻電壓由正變負過零點時，8031的外部中斷INT1獲得一個負跳變的有效中斷請求信號。8031執行中斷轉入中斷服務程序，使周波數計數單元加1。
3.4風機控制電路
采用額定電壓為220V的單相風機，通過改變雙向可控硅的導通角實現風機的調壓調速，可控硅的導通角受單片機D/A轉換器0832輸出電壓控制。
3.5其它電路部分
采用3位數碼管進行溫度顯示。8031將采集到的溫度值送入8279的顯示RAM，由8279送入數碼管顯示。系統采用薄膜開關作為輸入裝置，作為聲音報警輸出端。作為交流接觸器斷電控制端，作為交流接觸器狀態信號輸入端。當發生意外情況時，如可控硅擊穿失控，使熱風溫度超過設定溫度2℃時，輸出信號，發出音響報警。變為高電平，使交流接觸器釋放，切斷交流電源。通常在種子干燥時，其設定溫度遠低于使種子損壞的溫度。因此超過設定溫度2℃不會造成種子的損壞。
4、滾筒式作物種子干燥機控制裝置軟件設計
4.1系統主程序
當系統通電時，單片機系統被加電，主程序開始運行。系統對有關單元初始化后等待按鍵輸入。若為參數設定鍵按下，則轉參數設定程序，參數設定完成后返回主程序。若為運行鍵，則轉系統運行程序，干燥過程結束后轉主程序。
4.2 參數設定程序
系統干燥運行前首先通過鍵盤設定干燥過程的控制段數及每個控制段的時間長度、控制溫度、風速，系統參數設定完成后返回主程序。
4.3系統運行控制程序
控制程序流程圖如圖4所示。系統設定完成后，按運行鍵系統開始干燥運行。系統首先將有關單元數據初始化，檢測串聯于雙向可控硅前的交流接觸器是否接通，當檢測到交流接觸器接通時，單片機輸出信號使可控硅以初始設定的周波數導通，使電加熱器以較少的功率發熱，根據設定的風速要求進行D/A轉換，輸出模擬電壓，控制風機按要求的風速工作。然后開中斷、讀出設定溫度，采樣實際溫度，根據采樣值與設定值的比較，使導通周波數計數單元加1或減1。系統檢測己導通周波數計數單元和已經過周波數計數單元，當導通周波數達到設定的周波數時，關斷雙向可控硅，繼續檢測已經過導通周波數計數單元，當己導通周波數等于控制周期數時，開始下一個控制周期，然后檢測干燥工作的段次及時間，讀出該段次和時間的風速控制單元值，進行D/A轉換，控制風機工作。在工頻交流電由正到負的過零點產生外部中斷，轉中斷服務程序中，在中斷服務程序中將己導通周波數和己通過周波數計數單元分別加1。在運行中系統記錄系統運行的段數及本段的運行時間，檢測干燥空氣溫度，與本段要求的干燥空氣溫度及要求的本段運行時間比較，根據比較結果發出控制指令，使系統按預定的時間、溫度、風速運行。
5、滾筒式作物種子干燥機作物種子的裝卸
由于滾筒內抄板的影響，采用通常的方法卸下種子很費力，也不容易卸干凈，為此采用傾倒的方法卸下種子。滾筒式結構內部光滑，無縫隙，無死角，當需要卸下種子時，按下卸料按鈕，在電動機的驅動下，滾筒傾斜，滾筒內的種子從左端口滑落流出。在機體安裝有限位行程開關，當機體傾斜到一定程度時傾倒電機自動斷電，保證了卸料安全。
6、滾筒式作物種子干燥機的試驗
對所研制的滾筒式作物種子干燥機進行了性能試驗。試驗材料分別是100 kg濕態玉米和95 kg濕態小麥。玉米和小麥均采用三段式干燥，各段的參數設置如表1所示。干燥進行前和完成后進行了參數檢測，種子濕度檢測采用LSKC-4糧食水分快速測定儀。測量時隨機選出20顆種子測量其含水率，然后求取其含水率平均值和含水率標準差。隨機選取100顆種子進行發芽率試驗，發芽率為100%。隨機選出100顆種子觀察種子的裂紋數，由于干燥溫度較低，沒有發現有裂紋的種子。
7、結 論
所研制的作物種子干燥機己投入使用2年多，使用結果表明具有以下特點：1）由于采用滾筒結構和單片機控制裝置，使其適應性較廣，能適應大部分作物種子干燥的要求。2）由于干燥機與種子接觸的部分光滑、密封，使種子不會撒落到不易清掃的地方，采用傾倒卸料，種子干燥完成后能方便、容易、干凈徹底的把種子倒出，保證不同品種的種子之間不會出現串種、混種現象。3）其中的單片機控制裝置可實現對干燥時間、干燥風速、干燥溫度進行設定和自動控制，使作物種子干燥機具有良好的干燥性能。使用表明：所設計的單片機控制裝置能靈活進行干燥過程的設定，滿足不同種子的干燥要求，由于采用導通周波數控制，從較低的溫度升溫至設定溫度，升溫速度低于系統的熱慣性，系統不會出現超溫現象，且使溫度控制精度較高，超溫保護電路設計合理，在系統出現故障時能及時可靠的切斷電源，保證了種子的安全干燥。系統采用單相風機調壓調速，調速范圍大，控制風機轉速方便簡單。
