引言
我國谷物干燥的機械化存在諸多問題，許多方面都與干燥過程的控制技術研究跟不上有關，使得干燥烘干機很難在作業效率、干燥能量消耗及干燥產品質量保護、設備投資成本、安全性等方面有突破性的進展。本文針對循環式緩蘇干燥烘干機的工作特性，進行控制系統硬件設計。
l、控制系統方案
1.1干燥烘干機工作原理
谷物循環式緩蘇干燥烘干機主要由升運器、風機、加熱裝置、控制箱、干燥室、緩蘇倉、排糧裝置等構成。干燥時谷物靠自重在干燥烘干機內連續流動，在流動的過程中實現干燥與緩蘇。通過改變排糧裝置的轉速，可以控制谷物在干燥室的滯留時間，調整整批谷物干燥的均勻性；通過調控風機的引風量和燃燒器燃燒狀態，實現干燥工藝過程控制。
1.2干燥烘干機運轉過程
干燥烘干機接通電源后，系統完成復位自檢，顯示待工作狀態。設定干燥溫度、干燥目標值，然后按“進糧”按鈕，快速喂入濕谷。按下“干燥”功能鍵，按照內存程序的設定選擇干燥方式，確定引風機和燃燒器的工作狀態。由單片機根據物料水分、溫度、風壓測定結果自動調整風量、干燥溫度，實時控制燃燒器供油狀態。當物料含水率達到目標值時，干燥烘干機按照設定的停機程序切斷供油，通風冷卻，切斷風機、排糧電機電源，所有中斷均按“停止”按鈕。
1.3干燥過程控制
干燥過程的控制量v(t)是干燥溫度和風機引風量。干燥溫度（進風溫度）是干燥過程控制系統的給定量，同時又是燃燒器控制系統的輸出量。對燃燒器采用了如圖1所示計算機反饋控制系統。
干燥溫度控制系統的擾動量f(t)不僅有環境的溫度、濕度、物料的水分狀態，同時還有通風量的波動。干燥烘干機運轉初期的給定值x(t)是干燥溫度和物料終了含水率。干燥過程中的r(t)由干燥工藝要求的控制程序設定，即由專家系統ri,2]給出過程控制規律。過程檢測的主要信號是熱風溫度、風壓和物料含水率。溫度測量采用熱電阻溫度計，物料含水率檢測采用自行研制的谷物含水率測定裝置，測定規律由程序設定。
2、單片機控制系統結構
采用單片機80C51作為控制器的CPU。外部擴展EPROM 2764，RAM 6264，通用I/()口8155，數模轉換器DAC0832輸出變頻器控制信號，由變頻器控制排糧裝置和升運器轉速。模數轉換器采用ADC0809，鍵盤、顯示器選8279芯片控制。外部中斷“0”設計為緊急停機，外部中斷“1”為執行數據查詢和干燥運轉方式。控制系統分為數據檢測模塊、動作執行模塊、鍵盤設定顯示模塊、安全檢測報警模塊、數據通訊模塊，結構如圖2所示。
影響谷物干燥的主要因素有：環境溫濕度、排氣溫濕度、熱風溫度、風量、排糧速度、谷物含水率、干燥時間、谷層厚度等。干燥過程中熱風溫度的變化最為頻繁，采用設定熱風溫度上下限值和控制供油量的控制手段保證熱風溫度在允許范圍內。通過調控干燥烘干機排糧輪、排糧螺旋輸送器以及升運器的轉速來調節處理過程，以實時控制谷物在干燥段受熱的滯留時間。谷物含水狀態是確定干燥條件以及處理干燥方式、干燥時間、熱風流動狀態等過程控制量的主要依據，是干燥中的決策變量。
3、系統控制模塊設計
3.1 數據采集模塊
數據采集模塊由溫度傳感器、變送器、模數轉換電路、單片機組成。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，將物理信號轉換成0～5 V的標準電壓信號輸出。溫度測量范圍在0N100 C，精度為±0.5 C;采用自制的測試系統檢測物料含水率，測量精度±1%。測量模擬信號依次送入ADC0809，經過A/D轉換進入單片機。A/D轉換選用ADC0809芯片，分辨力為0.4。ADC0809的時鐘取自8031的AI}E經二分頻的信號，當A/D轉換完畢，8031讀取轉換后的數字量。ADC0809與片外的RAM統一編址。數據采集模塊完成信息采集后，經單片機處理、顯示輸出的同時，亦可通過串行口向外部傳輸。
數據采集按照設定的時間間隔進行，通過改變定時器中斷次數得到不同定時間隔。每采集15個數據為一數據樣，采用“冒泡排序法”、平均濾波法和移動平均加權濾波法確定數據的權重，受干擾較小的數據權重較大，受干擾大的數據權重較小。
采集到的模擬量經ADC0809轉換為計算機可辨識的二進制數字量，進行運算判斷，執行控制程序。經過數制轉換在顯示面板上顯示十進制。
3.2 數據通訊模塊
干燥過程檢測到的數據可以傳輸到外部接收設備，如集錄儀或計算機，可以自動追蹤干燥烘干機的運行數據。單片機的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鐘源，為保證捕捉到的信號正確，選擇的時鐘頻率比波特率高64倍。晶振采用11. 059 MHz，定時器產生2 400的波特率。選用ICIJ232轉換芯片，實現單片機與外部集錄儀或計算機通訊。
3.3 動作執行模塊
動作執行機構包括水分檢測計、提升機、燃燒器、風機、排糧電機等，單片機控制系統由PI()8155的通用I/0口控制外部各執行機構，通過固態繼電器(SSR)等中間設備實現弱電控制強電。數字信號經8155芯片轉變成模擬信號，然后由0～5 V的電壓信號驅動外部執行機構。
3.3.1 循環速度的控制
通過DlA轉換器DAC0832輸出控制量，控制變頻器的輸入電壓，調整排糧輪的轉速，以調整循環速度。CPU接收到水分檢測儀和溫度傳感器輸入的離散化數字量后，做出控制判斷，查規則表確定排糧電機的轉速，向變頻器輸出0～5V的標準電壓信號的控制模擬量，由變頻器控制排糧電機的轉速。DAC的輸出采用單緩沖方式，將二級寄存器的控制信號并接，輸入數據在控制信號作用下直接寫入DAC寄存器中。
3.3.2進糧控制
通過PI()8155的PB.0口連接的固態繼電器控制提升機的電源。系統接通電源復位，啟動提升機。在干燥烘干機上部裝有光電料位傳感器，當料位達到預定量時，輸出端發出糧滿報警信號和控制信號，控制電路的繼電器斷開常閉開關，切斷提升機的電源，停止運轉。在進糧過程中采用查詢等待方式檢測進糧狀態。
3.3.3 水分檢測控制
自行研制了電阻式在線水分檢測裝置。PI08155的PB.1口控制水分檢測儀驅動電機電源。由程序控制采樣時間間隔。檢測的模擬量經模數轉換存儲在寄存器(SFR)中。在水分計將檢測到的含水率送入模數ADC轉換器后，CPU即發出中斷指令，切斷水分檢測驅動電機電源，完成一次檢測。
3.3.4燃燒器的控制
干燥過程中熱風溫度因受到各種干擾因素的影響而不停地波動。為保持燃燒的穩定性，把燃燒器的供油量固定在相對較小的變化范圍內，通過調整送風量和排糧速度達到改變干燥溫度和干燥時間的目的。PI08155的PB.2口控制燃燒器的電源開關，按溫度傳感器的反饋信息設計干燥烘干機模糊控制。為防止溫度過高、過低的安全隱患，在干燥室熱風入口處安裝極限溫度控制器，用熱電偶測量溫度，輸出繼電器開關控制信號，常閉觸點開關與燃燒器的電源線連為一體，常開開關連接報警指示燈。
3.3.5風機的控制
風機在干燥過程中處于連續運轉狀態，控制較為簡單。PI08155的PB.3口控制風機的電源開關。在干燥烘干機開始進糧的同時啟動風機通風，按照干燥工藝要求，初期的通風量相對較大，低水分階段風量減小，溫度隨之升高。干燥結束時，首先中斷燃燒器供油，繼續通風10min，使油路中的燃料燃盡，高溫部件得到充分冷卻。
3.4鍵盤設定顯示模塊
鍵盤、顯示器是控制系統的輸入、輸出設備，可實現人機對話、參數設定、測量結果、查詢內容等功能。在干燥過程控制系統中，要求完成多路參數巡回檢測、數據處理、控制計算等工作，實時性要求高。為節省CPU工作時間，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 安全檢測報警模塊
干燥過程出現異常時的中斷申請均設計成低電平申請響應，8031的P3.2、P3.3分別是外部中斷“0”和外部中斷“1”的引腳，通過按鍵與電源模擬連接。申請中斷時按下中斷鍵，等待CPU響應，轉入執行程序。外部中斷“0”是緊急停機，包括停止燃油供給和各電機運轉等。外部中斷“1”是執行數據查詢和干燥運轉方式功能，運轉方式包括定時運轉和自動運轉兩種方式。為了更清楚的觀察干燥烘干機運轉情況，在控制面板上設計了各種運轉狀態指示燈，選用發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復位后為高電平狀態，所以與Pl口連結的發光二極管共陽極，815 5PC口連結的發光二極管共陰極。
4、結束語
本研究開發了單片機干燥過程控制系統并實現了單片機與計算機的雙向通訊，將谷物深層干燥專家系統用于干燥烘干機處理過程控制系統，為開發智能型集中控制干燥中心奠定了技術基礎。
我國谷物干燥的機械化存在諸多問題，許多方面都與干燥過程的控制技術研究跟不上有關，使得干燥烘干機很難在作業效率、干燥能量消耗及干燥產品質量保護、設備投資成本、安全性等方面有突破性的進展。本文針對循環式緩蘇干燥烘干機的工作特性，進行控制系統硬件設計。
l、控制系統方案
1.1干燥烘干機工作原理
谷物循環式緩蘇干燥烘干機主要由升運器、風機、加熱裝置、控制箱、干燥室、緩蘇倉、排糧裝置等構成。干燥時谷物靠自重在干燥烘干機內連續流動，在流動的過程中實現干燥與緩蘇。通過改變排糧裝置的轉速，可以控制谷物在干燥室的滯留時間，調整整批谷物干燥的均勻性；通過調控風機的引風量和燃燒器燃燒狀態，實現干燥工藝過程控制。
1.2干燥烘干機運轉過程
干燥烘干機接通電源后，系統完成復位自檢，顯示待工作狀態。設定干燥溫度、干燥目標值，然后按“進糧”按鈕，快速喂入濕谷。按下“干燥”功能鍵，按照內存程序的設定選擇干燥方式，確定引風機和燃燒器的工作狀態。由單片機根據物料水分、溫度、風壓測定結果自動調整風量、干燥溫度，實時控制燃燒器供油狀態。當物料含水率達到目標值時，干燥烘干機按照設定的停機程序切斷供油，通風冷卻，切斷風機、排糧電機電源，所有中斷均按“停止”按鈕。
1.3干燥過程控制
干燥過程的控制量v(t)是干燥溫度和風機引風量。干燥溫度（進風溫度）是干燥過程控制系統的給定量，同時又是燃燒器控制系統的輸出量。對燃燒器采用了如圖1所示計算機反饋控制系統。
干燥溫度控制系統的擾動量f(t)不僅有環境的溫度、濕度、物料的水分狀態，同時還有通風量的波動。干燥烘干機運轉初期的給定值x(t)是干燥溫度和物料終了含水率。干燥過程中的r(t)由干燥工藝要求的控制程序設定，即由專家系統ri,2]給出過程控制規律。過程檢測的主要信號是熱風溫度、風壓和物料含水率。溫度測量采用熱電阻溫度計，物料含水率檢測采用自行研制的谷物含水率測定裝置，測定規律由程序設定。
2、單片機控制系統結構
采用單片機80C51作為控制器的CPU。外部擴展EPROM 2764，RAM 6264，通用I/()口8155，數模轉換器DAC0832輸出變頻器控制信號，由變頻器控制排糧裝置和升運器轉速。模數轉換器采用ADC0809，鍵盤、顯示器選8279芯片控制。外部中斷“0”設計為緊急停機，外部中斷“1”為執行數據查詢和干燥運轉方式。控制系統分為數據檢測模塊、動作執行模塊、鍵盤設定顯示模塊、安全檢測報警模塊、數據通訊模塊，結構如圖2所示。
影響谷物干燥的主要因素有：環境溫濕度、排氣溫濕度、熱風溫度、風量、排糧速度、谷物含水率、干燥時間、谷層厚度等。干燥過程中熱風溫度的變化最為頻繁，采用設定熱風溫度上下限值和控制供油量的控制手段保證熱風溫度在允許范圍內。通過調控干燥烘干機排糧輪、排糧螺旋輸送器以及升運器的轉速來調節處理過程，以實時控制谷物在干燥段受熱的滯留時間。谷物含水狀態是確定干燥條件以及處理干燥方式、干燥時間、熱風流動狀態等過程控制量的主要依據，是干燥中的決策變量。
3、系統控制模塊設計
3.1 數據采集模塊
數據采集模塊由溫度傳感器、變送器、模數轉換電路、單片機組成。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，將物理信號轉換成0～5 V的標準電壓信號輸出。溫度測量范圍在0N100 C，精度為±0.5 C;采用自制的測試系統檢測物料含水率，測量精度±1%。測量模擬信號依次送入ADC0809，經過A/D轉換進入單片機。A/D轉換選用ADC0809芯片，分辨力為0.4。ADC0809的時鐘取自8031的AI}E經二分頻的信號，當A/D轉換完畢，8031讀取轉換后的數字量。ADC0809與片外的RAM統一編址。數據采集模塊完成信息采集后，經單片機處理、顯示輸出的同時，亦可通過串行口向外部傳輸。
數據采集按照設定的時間間隔進行，通過改變定時器中斷次數得到不同定時間隔。每采集15個數據為一數據樣，采用“冒泡排序法”、平均濾波法和移動平均加權濾波法確定數據的權重，受干擾較小的數據權重較大，受干擾大的數據權重較小。
采集到的模擬量經ADC0809轉換為計算機可辨識的二進制數字量，進行運算判斷，執行控制程序。經過數制轉換在顯示面板上顯示十進制。
3.2 數據通訊模塊
干燥過程檢測到的數據可以傳輸到外部接收設備，如集錄儀或計算機，可以自動追蹤干燥烘干機的運行數據。單片機的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鐘源，為保證捕捉到的信號正確，選擇的時鐘頻率比波特率高64倍。晶振采用11. 059 MHz，定時器產生2 400的波特率。選用ICIJ232轉換芯片，實現單片機與外部集錄儀或計算機通訊。
3.3 動作執行模塊
動作執行機構包括水分檢測計、提升機、燃燒器、風機、排糧電機等，單片機控制系統由PI()8155的通用I/0口控制外部各執行機構，通過固態繼電器(SSR)等中間設備實現弱電控制強電。數字信號經8155芯片轉變成模擬信號，然后由0～5 V的電壓信號驅動外部執行機構。
3.3.1 循環速度的控制
通過DlA轉換器DAC0832輸出控制量，控制變頻器的輸入電壓，調整排糧輪的轉速，以調整循環速度。CPU接收到水分檢測儀和溫度傳感器輸入的離散化數字量后，做出控制判斷，查規則表確定排糧電機的轉速，向變頻器輸出0～5V的標準電壓信號的控制模擬量，由變頻器控制排糧電機的轉速。DAC的輸出采用單緩沖方式，將二級寄存器的控制信號并接，輸入數據在控制信號作用下直接寫入DAC寄存器中。
3.3.2進糧控制
通過PI()8155的PB.0口連接的固態繼電器控制提升機的電源。系統接通電源復位，啟動提升機。在干燥烘干機上部裝有光電料位傳感器，當料位達到預定量時，輸出端發出糧滿報警信號和控制信號，控制電路的繼電器斷開常閉開關，切斷提升機的電源，停止運轉。在進糧過程中采用查詢等待方式檢測進糧狀態。
3.3.3 水分檢測控制
自行研制了電阻式在線水分檢測裝置。PI08155的PB.1口控制水分檢測儀驅動電機電源。由程序控制采樣時間間隔。檢測的模擬量經模數轉換存儲在寄存器(SFR)中。在水分計將檢測到的含水率送入模數ADC轉換器后，CPU即發出中斷指令，切斷水分檢測驅動電機電源，完成一次檢測。
3.3.4燃燒器的控制
干燥過程中熱風溫度因受到各種干擾因素的影響而不停地波動。為保持燃燒的穩定性，把燃燒器的供油量固定在相對較小的變化范圍內，通過調整送風量和排糧速度達到改變干燥溫度和干燥時間的目的。PI08155的PB.2口控制燃燒器的電源開關，按溫度傳感器的反饋信息設計干燥烘干機模糊控制。為防止溫度過高、過低的安全隱患，在干燥室熱風入口處安裝極限溫度控制器，用熱電偶測量溫度，輸出繼電器開關控制信號，常閉觸點開關與燃燒器的電源線連為一體，常開開關連接報警指示燈。
3.3.5風機的控制
風機在干燥過程中處于連續運轉狀態，控制較為簡單。PI08155的PB.3口控制風機的電源開關。在干燥烘干機開始進糧的同時啟動風機通風，按照干燥工藝要求，初期的通風量相對較大，低水分階段風量減小，溫度隨之升高。干燥結束時，首先中斷燃燒器供油，繼續通風10min，使油路中的燃料燃盡，高溫部件得到充分冷卻。
3.4鍵盤設定顯示模塊
鍵盤、顯示器是控制系統的輸入、輸出設備，可實現人機對話、參數設定、測量結果、查詢內容等功能。在干燥過程控制系統中，要求完成多路參數巡回檢測、數據處理、控制計算等工作，實時性要求高。為節省CPU工作時間，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 安全檢測報警模塊
干燥過程出現異常時的中斷申請均設計成低電平申請響應，8031的P3.2、P3.3分別是外部中斷“0”和外部中斷“1”的引腳，通過按鍵與電源模擬連接。申請中斷時按下中斷鍵，等待CPU響應，轉入執行程序。外部中斷“0”是緊急停機，包括停止燃油供給和各電機運轉等。外部中斷“1”是執行數據查詢和干燥運轉方式功能，運轉方式包括定時運轉和自動運轉兩種方式。為了更清楚的觀察干燥烘干機運轉情況，在控制面板上設計了各種運轉狀態指示燈，選用發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復位后為高電平狀態，所以與Pl口連結的發光二極管共陽極，815 5PC口連結的發光二極管共陰極。
4、結束語
本研究開發了單片機干燥過程控制系統并實現了單片機與計算機的雙向通訊，將谷物深層干燥專家系統用于干燥烘干機處理過程控制系統，為開發智能型集中控制干燥中心奠定了技術基礎。
