引言
我国谷物干燥的机械化存在诸多问题，许多方面都与干燥过程的控制技术研究跟不上有关，使得干燥烘干机很难在作业效率、干燥能量消耗及干燥产品质量保护、设备投资成本、安全性等方面有突破性的进展。本文针对循环式缓苏干燥烘干机的工作特性，进行控制系统硬件设计。
l、控制系统方案
1.1干燥烘干机工作原理
谷物循环式缓苏干燥烘干机主要由升运器、风机、加热装置、控制箱、干燥室、缓苏仓、排粮装置等构成。干燥时谷物靠自重在干燥烘干机内连续流动，在流动的过程中实现干燥与缓苏。通过改变排粮装置的转速，可以控制谷物在干燥室的滞留时间，调整整批谷物干燥的均匀性；通过调控风机的引风量和燃烧器燃烧状态，实现干燥工艺过程控制。
1.2干燥烘干机运转过程
干燥烘干机接通电源后，系统完成复位自检，显示待工作状态。设定干燥温度、干燥目标值，然后按“进粮”按钮，快速喂入湿谷。按下“干燥”功能键，按照内存程序的设定选择干燥方式，确定引风机和燃烧器的工作状态。由单片机根据物料水分、温度、风压测定结果自动调整风量、干燥温度，实时控制燃烧器供油状态。当物料含水率达到目标值时，干燥烘干机按照设定的停机程序切断供油，通风冷却，切断风机、排粮电机电源，所有中断均按“停止”按钮。
1.3干燥过程控制
干燥过程的控制量v(t)是干燥温度和风机引风量。干燥温度（进风温度）是干燥过程控制系统的给定量，同时又是燃烧器控制系统的输出量。对燃烧器采用了如图1所示计算机反馈控制系统。
干燥温度控制系统的扰动量f(t)不仅有环境的温度、湿度、物料的水分状态，同时还有通风量的波动。干燥烘干机运转初期的给定值x(t)是干燥温度和物料终了含水率。干燥过程中的r(t)由干燥工艺要求的控制程序设定，即由专家系统ri,2]给出过程控制规律。过程检测的主要信号是热风温度、风压和物料含水率。温度测量采用热电阻温度计，物料含水率检测采用自行研制的谷物含水率测定装置，测定规律由程序设定。
2、单片机控制系统结构
采用单片机80C51作为控制器的CPU。外部扩展EPROM 2764，RAM 6264，通用I/()口8155，数模转换器DAC0832输出变频器控制信号，由变频器控制排粮装置和升运器转速。模数转换器采用ADC0809，键盘、显示器选8279芯片控制。外部中断“0”设计为紧急停机，外部中断“1”为执行数据查询和干燥运转方式。控制系统分为数据检测模块、动作执行模块、键盘设定显示模块、安全检测报警模块、数据通讯模块，结构如图2所示。
影响谷物干燥的主要因素有：环境温湿度、排气温湿度、热风温度、风量、排粮速度、谷物含水率、干燥时间、谷层厚度等。干燥过程中热风温度的变化最为频繁，采用设定热风温度上下限值和控制供油量的控制手段保证热风温度在允许范围内。通过调控干燥烘干机排粮轮、排粮螺旋输送器以及升运器的转速来调节处理过程，以实时控制谷物在干燥段受热的滞留时间。谷物含水状态是确定干燥条件以及处理干燥方式、干燥时间、热风流动状态等过程控制量的主要依据，是干燥中的决策变量。
3、系统控制模块设计
3.1 数据采集模块
数据采集模块由温度传感器、变送器、模数转换电路、单片机组成。选用PT100热敏电阻器及S108高分子湿敏电容作为感温、感湿元件，配以WS302温湿度变送器，将物理信号转换成0～5 V的标准电压信号输出。温度测量范围在0N100 C，精度为±0.5 C;采用自制的测试系统检测物料含水率，测量精度±1%。测量模拟信号依次送入ADC0809，经过A/D转换进入单片机。A/D转换选用ADC0809芯片，分辨力为0.4。ADC0809的时钟取自8031的AI}E经二分频的信号，当A/D转换完毕，8031读取转换后的数字量。ADC0809与片外的RAM统一编址。数据采集模块完成信息采集后，经单片机处理、显示输出的同时，亦可通过串行口向外部传输。
数据采集按照设定的时间间隔进行，通过改变定时器中断次数得到不同定时间隔。每采集15个数据为一数据样，采用“冒泡排序法”、平均滤波法和移动平均加权滤波法确定数据的权重，受干扰较小的数据权重较大，受干扰大的数据权重较小。
采集到的模拟量经ADC0809转换为计算机可辨识的二进制数字量，进行运算判断，执行控制程序。经过数制转换在显示面板上显示十进制。
3.2 数据通讯模块
干燥过程检测到的数据可以传输到外部接收设备，如集录仪或计算机，可以自动追踪干燥烘干机的运行数据。单片机的P3.0、P3.1口作为串行通讯输入输出。由于异步通信双方各自有自己的时钟源，为保证捕捉到的信号正确，选择的时钟频率比波特率高64倍。晶振采用11. 059 MHz，定时器产生2 400的波特率。选用ICIJ232转换芯片，实现单片机与外部集录仪或计算机通讯。
3.3 动作执行模块
动作执行机构包括水分检测计、提升机、燃烧器、风机、排粮电机等，单片机控制系统由PI()8155的通用I/0口控制外部各执行机构，通过固态继电器(SSR)等中间设备实现弱电控制强电。数字信号经8155芯片转变成模拟信号，然后由0～5 V的电压信号驱动外部执行机构。
3.3.1 循环速度的控制
通过DlA转换器DAC0832输出控制量，控制变频器的输入电压，调整排粮轮的转速，以调整循环速度。CPU接收到水分检测仪和温度传感器输入的离散化数字量后，做出控制判断，查规则表确定排粮电机的转速，向变频器输出0～5V的标准电压信号的控制模拟量，由变频器控制排粮电机的转速。DAC的输出采用单缓冲方式，将二级寄存器的控制信号并接，输入数据在控制信号作用下直接写入DAC寄存器中。
3.3.2进粮控制
通过PI()8155的PB.0口连接的固态继电器控制提升机的电源。系统接通电源复位，启动提升机。在干燥烘干机上部装有光电料位传感器，当料位达到预定量时，输出端发出粮满报警信号和控制信号，控制电路的继电器断开常闭开关，切断提升机的电源，停止运转。在进粮过程中采用查询等待方式检测进粮状态。
3.3.3 水分检测控制
自行研制了电阻式在线水分检测装置。PI08155的PB.1口控制水分检测仪驱动电机电源。由程序控制采样时间间隔。检测的模拟量经模数转换存储在寄存器(SFR)中。在水分计将检测到的含水率送入模数ADC转换器后，CPU即发出中断指令，切断水分检测驱动电机电源，完成一次检测。
3.3.4燃烧器的控制
干燥过程中热风温度因受到各种干扰因素的影响而不停地波动。为保持燃烧的稳定性，把燃烧器的供油量固定在相对较小的变化范围内，通过调整送风量和排粮速度达到改变干燥温度和干燥时间的目的。PI08155的PB.2口控制燃烧器的电源开关，按温度传感器的反馈信息设计干燥烘干机模糊控制。为防止温度过高、过低的安全隐患，在干燥室热风入口处安装极限温度控制器，用热电偶测量温度，输出继电器开关控制信号，常闭触点开关与燃烧器的电源线连为一体，常开开关连接报警指示灯。
3.3.5风机的控制
风机在干燥过程中处于连续运转状态，控制较为简单。PI08155的PB.3口控制风机的电源开关。在干燥烘干机开始进粮的同时启动风机通风，按照干燥工艺要求，初期的通风量相对较大，低水分阶段风量减小，温度随之升高。干燥结束时，首先中断燃烧器供油，继续通风10min，使油路中的燃料燃尽，高温部件得到充分冷却。
3.4键盘设定显示模块
键盘、显示器是控制系统的输入、输出设备，可实现人机对话、参数设定、测量结果、查询内容等功能。在干燥过程控制系统中，要求完成多路参数巡回检测、数据处理、控制计算等工作，实时性要求高。为节省CPU工作时间，键盘显示器采用硬件扫描方式。选用通用键盘、显示接口芯片8279。
3.5 安全检测报警模块
干燥过程出现异常时的中断申请均设计成低电平申请响应，8031的P3.2、P3.3分别是外部中断“0”和外部中断“1”的引脚，通过按键与电源模拟连接。申请中断时按下中断键，等待CPU响应，转入执行程序。外部中断“0”是紧急停机，包括停止燃油供给和各电机运转等。外部中断“1”是执行数据查询和干燥运转方式功能，运转方式包括定时运转和自动运转两种方式。为了更清楚的观察干燥烘干机运转情况，在控制面板上设计了各种运转状态指示灯，选用发光二极管作为指示灯，以PI08155的PC. 0～5口和8031的Pl. 0～1.7口为输出口，Pl口在CPU复位后为高电平状态，所以与Pl口连结的发光二极管共阳极，815 5PC口连结的发光二极管共阴极。
4、结束语
本研究开发了单片机干燥过程控制系统并实现了单片机与计算机的双向通讯，将谷物深层干燥专家系统用于干燥烘干机处理过程控制系统，为开发智能型集中控制干燥中心奠定了技术基础。
我国谷物干燥的机械化存在诸多问题，许多方面都与干燥过程的控制技术研究跟不上有关，使得干燥烘干机很难在作业效率、干燥能量消耗及干燥产品质量保护、设备投资成本、安全性等方面有突破性的进展。本文针对循环式缓苏干燥烘干机的工作特性，进行控制系统硬件设计。
l、控制系统方案
1.1干燥烘干机工作原理
谷物循环式缓苏干燥烘干机主要由升运器、风机、加热装置、控制箱、干燥室、缓苏仓、排粮装置等构成。干燥时谷物靠自重在干燥烘干机内连续流动，在流动的过程中实现干燥与缓苏。通过改变排粮装置的转速，可以控制谷物在干燥室的滞留时间，调整整批谷物干燥的均匀性；通过调控风机的引风量和燃烧器燃烧状态，实现干燥工艺过程控制。
1.2干燥烘干机运转过程
干燥烘干机接通电源后，系统完成复位自检，显示待工作状态。设定干燥温度、干燥目标值，然后按“进粮”按钮，快速喂入湿谷。按下“干燥”功能键，按照内存程序的设定选择干燥方式，确定引风机和燃烧器的工作状态。由单片机根据物料水分、温度、风压测定结果自动调整风量、干燥温度，实时控制燃烧器供油状态。当物料含水率达到目标值时，干燥烘干机按照设定的停机程序切断供油，通风冷却，切断风机、排粮电机电源，所有中断均按“停止”按钮。
1.3干燥过程控制
干燥过程的控制量v(t)是干燥温度和风机引风量。干燥温度（进风温度）是干燥过程控制系统的给定量，同时又是燃烧器控制系统的输出量。对燃烧器采用了如图1所示计算机反馈控制系统。
干燥温度控制系统的扰动量f(t)不仅有环境的温度、湿度、物料的水分状态，同时还有通风量的波动。干燥烘干机运转初期的给定值x(t)是干燥温度和物料终了含水率。干燥过程中的r(t)由干燥工艺要求的控制程序设定，即由专家系统ri,2]给出过程控制规律。过程检测的主要信号是热风温度、风压和物料含水率。温度测量采用热电阻温度计，物料含水率检测采用自行研制的谷物含水率测定装置，测定规律由程序设定。
2、单片机控制系统结构
采用单片机80C51作为控制器的CPU。外部扩展EPROM 2764，RAM 6264，通用I/()口8155，数模转换器DAC0832输出变频器控制信号，由变频器控制排粮装置和升运器转速。模数转换器采用ADC0809，键盘、显示器选8279芯片控制。外部中断“0”设计为紧急停机，外部中断“1”为执行数据查询和干燥运转方式。控制系统分为数据检测模块、动作执行模块、键盘设定显示模块、安全检测报警模块、数据通讯模块，结构如图2所示。
影响谷物干燥的主要因素有：环境温湿度、排气温湿度、热风温度、风量、排粮速度、谷物含水率、干燥时间、谷层厚度等。干燥过程中热风温度的变化最为频繁，采用设定热风温度上下限值和控制供油量的控制手段保证热风温度在允许范围内。通过调控干燥烘干机排粮轮、排粮螺旋输送器以及升运器的转速来调节处理过程，以实时控制谷物在干燥段受热的滞留时间。谷物含水状态是确定干燥条件以及处理干燥方式、干燥时间、热风流动状态等过程控制量的主要依据，是干燥中的决策变量。
3、系统控制模块设计
3.1 数据采集模块
数据采集模块由温度传感器、变送器、模数转换电路、单片机组成。选用PT100热敏电阻器及S108高分子湿敏电容作为感温、感湿元件，配以WS302温湿度变送器，将物理信号转换成0～5 V的标准电压信号输出。温度测量范围在0N100 C，精度为±0.5 C;采用自制的测试系统检测物料含水率，测量精度±1%。测量模拟信号依次送入ADC0809，经过A/D转换进入单片机。A/D转换选用ADC0809芯片，分辨力为0.4。ADC0809的时钟取自8031的AI}E经二分频的信号，当A/D转换完毕，8031读取转换后的数字量。ADC0809与片外的RAM统一编址。数据采集模块完成信息采集后，经单片机处理、显示输出的同时，亦可通过串行口向外部传输。
数据采集按照设定的时间间隔进行，通过改变定时器中断次数得到不同定时间隔。每采集15个数据为一数据样，采用“冒泡排序法”、平均滤波法和移动平均加权滤波法确定数据的权重，受干扰较小的数据权重较大，受干扰大的数据权重较小。
采集到的模拟量经ADC0809转换为计算机可辨识的二进制数字量，进行运算判断，执行控制程序。经过数制转换在显示面板上显示十进制。
3.2 数据通讯模块
干燥过程检测到的数据可以传输到外部接收设备，如集录仪或计算机，可以自动追踪干燥烘干机的运行数据。单片机的P3.0、P3.1口作为串行通讯输入输出。由于异步通信双方各自有自己的时钟源，为保证捕捉到的信号正确，选择的时钟频率比波特率高64倍。晶振采用11. 059 MHz，定时器产生2 400的波特率。选用ICIJ232转换芯片，实现单片机与外部集录仪或计算机通讯。
3.3 动作执行模块
动作执行机构包括水分检测计、提升机、燃烧器、风机、排粮电机等，单片机控制系统由PI()8155的通用I/0口控制外部各执行机构，通过固态继电器(SSR)等中间设备实现弱电控制强电。数字信号经8155芯片转变成模拟信号，然后由0～5 V的电压信号驱动外部执行机构。
3.3.1 循环速度的控制
通过DlA转换器DAC0832输出控制量，控制变频器的输入电压，调整排粮轮的转速，以调整循环速度。CPU接收到水分检测仪和温度传感器输入的离散化数字量后，做出控制判断，查规则表确定排粮电机的转速，向变频器输出0～5V的标准电压信号的控制模拟量，由变频器控制排粮电机的转速。DAC的输出采用单缓冲方式，将二级寄存器的控制信号并接，输入数据在控制信号作用下直接写入DAC寄存器中。
3.3.2进粮控制
通过PI()8155的PB.0口连接的固态继电器控制提升机的电源。系统接通电源复位，启动提升机。在干燥烘干机上部装有光电料位传感器，当料位达到预定量时，输出端发出粮满报警信号和控制信号，控制电路的继电器断开常闭开关，切断提升机的电源，停止运转。在进粮过程中采用查询等待方式检测进粮状态。
3.3.3 水分检测控制
自行研制了电阻式在线水分检测装置。PI08155的PB.1口控制水分检测仪驱动电机电源。由程序控制采样时间间隔。检测的模拟量经模数转换存储在寄存器(SFR)中。在水分计将检测到的含水率送入模数ADC转换器后，CPU即发出中断指令，切断水分检测驱动电机电源，完成一次检测。
3.3.4燃烧器的控制
干燥过程中热风温度因受到各种干扰因素的影响而不停地波动。为保持燃烧的稳定性，把燃烧器的供油量固定在相对较小的变化范围内，通过调整送风量和排粮速度达到改变干燥温度和干燥时间的目的。PI08155的PB.2口控制燃烧器的电源开关，按温度传感器的反馈信息设计干燥烘干机模糊控制。为防止温度过高、过低的安全隐患，在干燥室热风入口处安装极限温度控制器，用热电偶测量温度，输出继电器开关控制信号，常闭触点开关与燃烧器的电源线连为一体，常开开关连接报警指示灯。
3.3.5风机的控制
风机在干燥过程中处于连续运转状态，控制较为简单。PI08155的PB.3口控制风机的电源开关。在干燥烘干机开始进粮的同时启动风机通风，按照干燥工艺要求，初期的通风量相对较大，低水分阶段风量减小，温度随之升高。干燥结束时，首先中断燃烧器供油，继续通风10min，使油路中的燃料燃尽，高温部件得到充分冷却。
3.4键盘设定显示模块
键盘、显示器是控制系统的输入、输出设备，可实现人机对话、参数设定、测量结果、查询内容等功能。在干燥过程控制系统中，要求完成多路参数巡回检测、数据处理、控制计算等工作，实时性要求高。为节省CPU工作时间，键盘显示器采用硬件扫描方式。选用通用键盘、显示接口芯片8279。
3.5 安全检测报警模块
干燥过程出现异常时的中断申请均设计成低电平申请响应，8031的P3.2、P3.3分别是外部中断“0”和外部中断“1”的引脚，通过按键与电源模拟连接。申请中断时按下中断键，等待CPU响应，转入执行程序。外部中断“0”是紧急停机，包括停止燃油供给和各电机运转等。外部中断“1”是执行数据查询和干燥运转方式功能，运转方式包括定时运转和自动运转两种方式。为了更清楚的观察干燥烘干机运转情况，在控制面板上设计了各种运转状态指示灯，选用发光二极管作为指示灯，以PI08155的PC. 0～5口和8031的Pl. 0～1.7口为输出口，Pl口在CPU复位后为高电平状态，所以与Pl口连结的发光二极管共阳极，815 5PC口连结的发光二极管共阴极。
4、结束语
本研究开发了单片机干燥过程控制系统并实现了单片机与计算机的双向通讯，将谷物深层干燥专家系统用于干燥烘干机处理过程控制系统，为开发智能型集中控制干燥中心奠定了技术基础。
