顺流式玉米烘干塔温度控制系统开发与改进

蔡有杰 吴志东 王雪峰 包 丽 张金峰

(1. 齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2. 黑龙江景星机械制造有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

顺流式玉米烘干塔温度控制系统开发与改进

蔡有杰1吴志东1王雪峰1包 丽1张金峰2

(1. 齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2. 黑龙江景星机械制造有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

为有效保证粮食的烘干温度保持在设定的安全温度范围之内，采用多传感器均匀布点检测与模糊控制技术，设计一种顺流式玉米烘干塔温度控制系统。以AT89C51单片机为开发平台，利用可编程温度传感器DS18B20，通过串口通信传输至LabVIEW系统上位机显示，并以检测的温度数据作为系统调节反馈，采用抗饱和PID控制算法，调节单片机输出占空比的大小，从而使驱动电路控制热风机的转速。与传统装置相比，改进后的温度控制系统具有主机接口简单、结构灵活、调试方便、测温系统转换速度快、精度高的特点。

玉米；烘干塔；温度控制；上位机；单片机

收后干燥是玉米安全储藏的重要环节，而干燥过程机械自动化是中国粮食生产的重要研究方向，在烘干技术中如低温干燥、蒸气干燥等新技术的研究应用，实行干燥过程自动控制，对玉米干燥生产效率、安全及提高玉米品质都具有重要的意义。

从20世纪40年代开始，国外就进行了粮食干燥技术的研究，70年代已经达到粮食产后烘干机械化，90年代后烘干设备就向着高效节能的方向发展，并逐步形成标准化、系列化。

中国粮食烘干技术起步较晚，全国已发展有50多个烘干设备厂家，但机型较少且不成熟、产量不高、能耗高、技术较低[1]。玉米烘干塔温度控制多是在烘干塔粮食入口和出口处设置温度传感器采用热敏电阻、湿敏电阻作为传感器件，通过检测电阻的变化来反映粮食温度的变化，为烘干塔粮食烘干提供参考依据。其原理多采用单点局部测量，通过信号调理送入单片机，单片机通过算法对信息进行运算处理，送出显示并控制风机动作[2]。但热敏电阻的单点局部测量可靠性差，测量温度准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。

为克服上述缺点，结合可编程温度传感器DS18B20的特点，借鉴多传感器均匀布点检测与模糊控制技术在数据采集、机器人控制等领域应用中体现出来的反应灵敏，控制精度高；可模块化设计，扩展性强；成本低，易于推广等优势。本研究采用DS18B20数字温度传感器均匀布点，代替传统的热敏电阻温度传感器，以AT89C51代替8031单片机，通过在每个塔层设置温度传感器，对按时序逻辑获得的多传感器采集的信息进行综合分析和处理，同时采用PID控制算法避免粮食烘干塔烘干温度的超调，并采用闭环控制，实时采集粮食烘干过程中的烘干温度，使粮食的烘干温度能够精确地控制在安全的范围内。旨在建立一套以计算机自动控制粮食烘干过程的实时监测控制系统，以优化粮食烘干塔干燥过程自动化水平，降低粮食在烘干过程中因温度监测不准确而导致的损坏。

1 顺流式玉米烘干塔组成及系统功能设计

顺流式玉米烘干塔其整体结构可分为三大部分，两段加热，一段冷却。塔体主要由底座、塔顶、储粮段、排粮段和各烘干塔层组成。其烘干原理为粮食经清选后，由提升机送至烘干塔储粮段，料位器自动控制上粮，粮食在烘干塔内运行方向与热风(冷风)流动方向成顺流，实现预热、干燥、缓苏、冷却的整个过程，通过控制系统自动监测控制排粮，从而达到理想的烘干效果，最后由排粮机送出。

根据烘干塔工作流程和参数要求，顺流式玉米烘干塔控制系统的工作方式及相关的功能为：在烘干塔温度控制方面，采集塔体各层的温度数据，经驱动电路调节热风机的转速，使烘干塔温度保持在设定值范围，保持玉米良好的属性；玉米烘干的目的就是保证烘干后的玉米水分含量在安全的储藏要求的范围之内，在玉米水分控制方面，利用在线式玉米水分检测传感器测量进出口玉米的水分含量，根据测得的玉米水分含量，控制排粮机构的运转速度，以玉米层在烘干塔内的流动速度，使出口的玉米水分达到储藏要求；图1、2分别为改进前、后系统控制总框图，前者热敏电阻传感器要经多路开关多线分别经A/D转换送入单片机处理后经扩展接口电路通过数码显示；改进后的多点传感器通过并行通信方式直接送至单片机，并通过主控芯片与上位机串口通信，在上位机显示烘干塔数据并控制系统运行。

图1 传统温度控制系统总框图Figure 1 Temperature control system of total diagram before improvement

图2 改进后系统控制总框图Figure 2 The improved temperature control system block diagram

2 烘干塔温度控制设计

玉米烘干过程中温度的控制对玉米的烘干效率以及玉米的属性有着重要的影响。烘干塔的温度控制设计分为温度检测及处理、烘干段恒温控制算法设计、温度控制执行设计等部分[3]。

2.1 烘干塔的温度检测

2.1.1 温度传感器与单片机接口电路 烘干塔的温度采集，如图3采用8个DS18B20温度传感器采集8路温度数据，8路温度分别是：1路外部温度、1路冷却段温度、2路加热段1的温度、1路热风口1的温度、2路加热段2的温度、1路热风口2的温度[4]。为克服图1中使用单总线读取8个传感器时操作周期较长，不能满足系统的实时性要求，尤其在读取器件的序列号时需要大量时间的缺点，在烘干塔温度采集的电路接口设计中，采取牺牲单片机IO口的方法，使用一组单片机IO口(P2)并行操作8个DS18B20，当电路中一根总线上只有一个DS18B20温度传感器器件时，可以通过写入指令“Writ_onebyte(0xCC)”，跳过读取温度传感器序列号，从而节省大量温度传感器的操作时间，应用该电路设计可以在1 s之内将8个温度传感器的16字节的数据读取完成[5]。

图3 温度传感器与单片机接口电路Figure 3 The temperature sensor and single chip microcomputer interface circuit

2.1.2 烘干塔温度采集与数据处理 单片机采用AT89C51代替原来的8031，8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入[6]。而AT89C51因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片，且由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使整个设计显得简单明了。

烘干塔的温度数据采集操作，分为以下几个步骤：① 复位8路DS18B20温度传感器芯片[Init_Ds18b20()]；② 写入忽略ROM指令[Writ_onebyte(0xCC)]；③ 写入开始转换指令[Writ_onebyte(0x44)]；④ 延时等待转换完成；⑤ 复位8路DS18B20温度传感器芯片[Init_Ds18b20()]；⑥ 写入忽略ROM指令[Writ_onebyte(0xCC)]；⑦ 写入读取温度数据指令[Writ_onebyte(0xBE)]。

每路温度数据分为高、低两个字节，并行采集8路温度数据时，单片机从低位到高位依次读取8路温度传感器的串行数据，8路温度数据的每一位组成1字节的数据[7]。将16字节数据存储在数组中并进行以下数据处理：① 将数组中进行数据进行拆位处理，转化为每路温度传感器有效的高、低两字节数据。并将两字节数据处理为单精度的温度数据;② 将得到的单精度温度数据转换为4字节十六进制数据存储在发送缓冲区，发送至上位机;③ 将测量的加热段1、2的温度反馈至抗饱和PID控制器，对烘干塔的烘干温度进行闭环控制;④ 将冷却段的玉米温度与外部温度比较后，控制排粮机构的输出。烘干塔的温度采集与数据处理框图见图4。

图4 烘干塔的温度采集与数据处理框图Figure 4 Diagram of the temperature acquisition and data processing

2.2 烘干段恒温控制算法设计

烘干塔温度较为复杂，改进后的温度控制采用PID控制算法， PID控制框图见图5。粮食烘干过程中要防止温度超调，传统的控制系统在烘干过程中，如果温度超调，只能停止热风机的运行，进行自然冷却降低温度，由于减少了热空气与粮食层的相对流动从而降低了粮食烘干的效率[8]。而使用抗饱和PID控制算法能够有效避免粮食烘干塔烘干温度的超调，达到设计范围内恒温控制的目的。

图5 PID控制框图Figure 5 PID control block diagram

烘干塔温度抗饱和PID程序设计：

float Hg_kbh_pid(float set_value,float rea_value,float kp,float ki,float kd)

{

float result,ki_work,kp_work,kd_work,err;// 定义局部变量

err=set_value-rea_value; //计算误差

kp_work = kp*err; //比例项

ki_work = ki*Erradd; //积分项

kd_work = kd*(err-Lasterr); //微分项

if(Erradd>(set_value+10)) //积分值限制

{

if(err<0)

Erradd+=err;

}

if(Erradd<(set_value-10))

{

if(err>0)

Erradd+=err;

}

Lasterr=err;// 用于下次微分项计算

result =kp_work+ki_work+kd_work;// 结果输出

// Resultback=result;

return result;

}

2.3 温度控制执行设计

2.3.1 热风机选择及驱动电路 烘干塔的温度控制可以通过调节热风机的风量的大小来控制烘干塔的温度，温度控制的执行原件主要分为两个部分，分别是引风机和电机调速两个部分。以200T/D玉米烘干塔所需的引风机功率约为15 kW[9]，热风机选用的是Y5-48 No8C型Y160L-4引风机，功率15 kW，转速1 600 r/min，全压1 948 Pa，流量15 765 m3/h。电机调速驱动电路使用是变频器，采用西门子6SE7023-4EC61变频器额定功率15 kW，它具有控制电机的功耗实现设备节能、便于维护设备、运转过程中对电路和电机的保护的特点[10]。变频器接受到发出的控制信息，通过改变电源的频率，来对电机进行调速。单片机管脚PWM输出要加上限流电阻，与变频器的控制接口采用光耦隔离进行保护，电机驱动电路原理图见图6。

2.3.2 热风机软件控制设计 利用AT89C51单片机通过调节PWM输出的占空比调节电压信号，通过写入PCA_PWMn模块寄存器的EBSn_1和EBSn_0位，设置模块为6～8位PWM输出[11]。模块0的PWM寄存器见表1。

EBS0_1,EBS0_0:当单片机的PCA模块0工作在PWM模式时

0 , 0:模块工作在8位PWM

0 , 1:模块工作在7位PWM

1 , 0:模块工作在7位PWM

1 , 1:无效，模块工作在8位PWM

单片机的三路PCA模块共用一个16位PCA定时器，如图7所示，通过写入选择定时器的时钟频率，在设计中选择定时器2的溢出率(1/T)为PCA定时器的时钟频率。定时器的工作模式固定为16位自动重装，通过设置初装值及定时器2的时钟频率设定定时器2的溢出率，从而设定PCA模块的频率。设置PCA的频率，则PWM为选择输入源频率的1/256；因为PWM为8位；时钟源选择可以是fosc/12或者fosc/2、定时器T0/T2溢出率、也可以是外部时钟输入ECI/P3.4，或者fosc、fosc/4、fosc/6、fosc/8；可以通过T0定时器的工作方式及初始值设定一定频率的PWM输出，写入相应模块捕获寄存器CCAPnH和CCAPnL的值，控制PWM占空比输出，调节控制电压的大小，进而达到控制烘干温度的目的。

烘干塔热风机部分软件控制程序：

Resultback=Hg_kbh_pid(hot1.settemp,ByteFloat(DataScope_OutPut_Buffer,5),

hot1.setkp,hot1.setki,hot1.setkd);//使用烘干段1的结构体数据控制烘干段1

if(Resultback>100)//PID输出范围限定

Resultback=100;

if(Resultback<0)

Resultback=1;

图6 电机驱动电路原理图Figure 6 Motor drive circuit principle diagram

表1 模块0的PWM寄存器Table 1 PWM module 0 registers

图7 PCA定时器/计数器结构Figure 7 Motor drive circuit principle diagram

CCAP0H =255-((uint8)((Resultback/100)*255));//比例对应调节

Delay5x_ms(10);

Resultback=0;

Resultback=Hg_kbh_pid(hot2.settemp,ByteFloat(DataScope_OutPut_Buffer,6),

hot2.setkp,hot2.setki,hot2.setkd);//控制烘干段2

if(Resultback>100)

Resultback=100;

if(Resultback<0)

Resultback=1;

CCAP1H =255-((uint8)((Resultback/100)*255));

3 烘干塔温度控制仿真验证

玉米烘干塔的温度控制仿真在Code Block与MATLAB软件中实施。分为以下几个步骤：

(1) 建立简化的烘干塔温度控制对象的数学模型。

(2) 将被控对象微分方程进行差分化处理。

(3) 将离散的被控对象模型用C语言表示。

(4) 进行PID参数整定，使被控对象的输出达到系统设计要求。烘干塔温度控制属于大惯性、大滞后、时变非线性的控制系统，难以建立精确的数学模型，通过简化系统输入输出的关系，建立系统的微分方程，用来描述实际系统温度特性随时间演变的过程[12]。PID参数的整定顺序为比例(P)、积分(I)、微分(D)。三个环节对于误差的作用各不相同。① 对于比例环节，当误差产生时立即作用，其输出波形是误差波形乘以比例系数；② 积分环节的作用是消除静差，只要误差存在，便会一直作用，当调节器输出的误差不等于0，则积分会在该方向一直累加；③ 微分在系统抖动的时候作用，且作用较强，在大惯性的系统中，积分项可以提高系统的反应速度。当取比例Kp=30，积分Ki=1.0，微分Kd= 20，给定值为阶跃信号 60，惯性环节的惯性系数取5 833时，通过以下PID算法进行参数整定，得到烘干塔出口温度仿真图形。

PID算法：

pid_out=generalpid(30,1.0,20,60,sys_realout);//比例积分微分分别为30，1.0，20

sys_realout=InertialElement(5833,pid_out);

烘干塔出口温度仿真图形结果见图8。由图8可知，系统出口温度随时间推移、数据采集次数增到300次以上，温度波动较小，说明温控系统控制精度较高，完全满足玉米烘干温度恒定要求。

图8 烘干塔温度控制仿真Figure 8 Drying tower temperature control simulation

4 结论

通过烘干塔温度控制系统的温度采集电路、温度数据的处理、烘干塔恒温控制算法优化设计、执行部分软硬件设计，并简化烘干塔温控的数学模型，使用设计的抗饱和PID算法对烘干塔的温度控制进行了仿真。通过整定PID参数，达到烘干塔自动控制工作要求。

[1] 赵学伟, 周兵. 我国玉米干燥技术现状及发展方向[J]. 玉米与饲料业, 2003, 26(2): 15-17.

[2] 邹莉. 实验用温控对象模拟器的设计[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2009: 2-4.

[3] 李红刚, 张素萍. 基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J]. 国外电子测量技术, 2014, 33(4): 62-67.

[4] 林凡, 吴孙桃, 郭东辉. 半导体温度传感器及其芯片集成技术[J]. 仪表技术与传感器, 2003, 40(12): 1-2.

[5] 刘鸿文. 材料力学Ⅰ[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 189-193.

[6] 李振涛, 张阳, 张丽梅. 玉米水分在线检测传感器[J]. 辽宁大学学报: 自然科学版, 2006, 40(3): 241-243.

[7] 丁向荣. 单片机微机原理与技术接口[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012: 95-101.

[8] 张金. LabVIEW程序设计与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2015: 234-236.

[9] 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程: 入门、提高、开发、拓展全攻略[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009: 105-114.

[10] 陈荷娟. 机电一体化系统设计[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2008: 25-29.

[11] 吕孝荣. 玉米烘干过程智能控制的理论与试验研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2005: 44-47.

[12] 王巧芝. Altium Designer电路设计标准教程[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2012: 80-84.

The exploring and improvement of the temperature control system in the corn drying tower

CAI You-jie1WUZhi-dong1WANGXue-feng1BAOLi1ZHANGJin-feng2

(1.MechanicalandElectronicEngineeringInstitute,QiqiharUniversity,Qiqihar,Heilongjiang161006,China; 2.HeilongjiangJingxingMachineryManufacturingCo.,LTD,Qiqihar,Heilongjiang161006,China)

To effectively guarantee the grain drying temperature to keep in safe range, a downstream type corn drying tower temperature control system was designed combining the multi-sensor detection and the even putting fuzzy control technology. With AT89C51 as the development platform, and the programmable temperature sensor DS18B20 was used via a serial port communication and transport to the LabVIEW system. Moreover, according to the upper machine, the temperature was detected as the data for feedback system adjustment, and anti-saturation PID control algorithm, the size of single chip microcomputer output duty cycle was adjusted. Thus the drive circuit heat fan speed was controlled finally. Compared with the traditional device, this improved temperature control system contained a simple host interface, a flexible structure, a convenient debugging, an efficient and precious temperature detection and transformation.

corn; drying tower; temperature control; upper computer; single chip microcomputer

齐齐哈尔市科技局科学技术计划项目工业攻关(编号：GYGG-201418，GYGG-201505)；黑龙江省教育厅基本业务专项理工青年骨干项目(编号：135109310)；黑龙江省规划办项目(编号：16Q148)

蔡有杰(1966—)，男，齐齐哈尔大学副教授。E-mail: 86464642@qq.com

2016-08-28

10.13652/j.issn.1003-5788.2017.02.019