谷物烘干机水分监测和温度控制系统的设计

程丽娟 何强龙 姜通胜 杜东瑾 刘建明

摘要：本系统的设计利用单片机控制技术实现了烘干机的水分检测与温度控制系统，其中的主控核心芯片选用了STM32单片机，并接入了DHT11温湿度传感器模块以及ESP8266Wi-Fi模块，可以通过OLED显示器实时显示谷物含水量以及温度，可以实现远程监测，当谷物含水量达到所设定的阈值时或热风温度达到阈值时，DHT11传感器能够给继电器传递信息，继电器可以控制风机与加热丝的启停，利用单片机技术使需要很多人力的烘干作业实现智能化。通过功能调试和可靠性测试后，本系统的设计可实现设计之初的预期功能并能很好地完成人们所想要完成的工作，而且在长期运行状态下仍然可以保持稳定可靠，同时，该设计在方案的成本上得到有效控制，使得本次设计成果具有非常高的实用价值，性价比高，可用于实际应用的推广。

关键词：STM32单片机；实时显示；远程监测；自动控制系统

中图分类号：TK91        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）35-0103-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

谷物烘干机可以提升食品的品质，已经成为各类谷物的储备、粮食加工厂以及其他相关的食品加工厂所必备设备，它的市场需求变得越来越大。而烘干机开发难点在于能耗、质量还有运行模式等，能耗与人工成本相关，但是烘干质量却要靠产品的自身技术。运行模式是关键，即建立起来烘干体系，粮食烘干机是政府对农机方面补贴的重点，但目前看来，都是以补贴烘干机方式来进行，以至于政府无法做到掌握作业的质量以及数量，政府怎样从机具补贴改成烘干粮食补贴，减少资源的浪费，是政府服务于人民的更好方向[1]。随着近年来国家和政府对农业生产日益注重，农业生产受到不同层面政府的投资和补助，我国的农业机械化发展越来越好、越来越快。国内外对烘干机的研究已经相当丰富，但是结合具体研究成果，这些研究大多专注于技术层面。我国烘干机的制作成本价格相比于国外的价格低了一半，但是大部分大型烘干机由于体积较大、维修成本高、安装调试困难，所以价格已经不是最大的优势了，现在的烘干机企业想走出市场走向国外需要专注修炼内在。对于谷物烘干来说，机械化是其中的关键环节。随着近年来我国的农业规模化经营以及机械化收获水平的快速增长，逐渐缩短了粮食收获期，因此，大批的谷物如何得到及时的烘干，并能够及时进行安全存放，是目前亟待解决的粮食难题[2]。

随着谷物烘干机投入实际应用，农业生产条件得到了显著优化。烘干机所采用的立体烘干技术，烘干的过程中充分利用了高层的空间，显著缩小了烘干场地的所需占地面积。此外，烘干出来的粮食也更能保证其烘干品质，在粮食烘干过程中，它自动监测含水率的变化，从而保证了粮食烘干所要达到的含水率最佳标准。谷物烘干的过程需要在密封的环境中进行操作，这样能够有效防止因空气潮湿、阴雨等因素对烘干质量造成影响[3]。

1 谷物烘干系统控制方案

本系统的主要内容是谷物烘干机水分在线监测系统的设计。根据谷物烘干机控制系统的研究，设计了一种以STM32单片机为基础，以DHT11传感器为硬件系统核心的水分在线监测装置，通过程序进行温度的控制以及ESP8266Wi-Fi模块的加入，从而实现自动控制以及远程监测。谷物烘干机的远程监控是基于远程监控技术而开发出来的功能，它可以满足烘干过程中对多样性数据进行监控的需要，通过对烘干系统的整体性功能进行开发，再加上远程检测，能够做到对谷物烘干的智能化控制和监测。通过远程监控，对整个谷物烘干过程的数据进行监控，从而实现了智能控制烘干的全部流程[4]。要求将被控系统的热风温度控制在25～40℃，当温度低于或高于设定阈值时应能自动进行调整，关闭加热或者关闭风机。要达成的目标为：

1） 含水量达到设定阈值会停止烘干与加热。

2） 温度控制在25～40℃。

3） 将含水量在规定时间内从60%下降到40%。

具体的流程描述为：高水分谷物经进料斗进入调质仓，当调质结束后，由提升机送至烘干仓进行烘干，在烘干仓内有温湿度传感器用来监测温度与湿度。烘干结束时，烘干仓内部的湿度在12%左右，这个数值是根据谷物烘干的经验来确定的，当烘干仓内部湿度降到12%左右时，谷物就已经达到了合适的干燥程度，可以进行下一步的操作，例如储存、加工或销售等，然后流程结束。不同种类的谷物其适宜的湿度范围可能会有所不同，因此在使用烘干机进行谷物烘干时，需要根据具体的品种和工艺要求进行设置和调节。

2 谷物烘干系统硬件设计

在实际应用中，单片机需要进行程序下载和运行调试等操作，因此，最基本的硬件设计包括电源和晶振的链接、复位电路和时钟电路的设计。在Proteus仿真软件中，单片机自带最小系统部分，因此即使未绘制这些部分也可以进行正常的仿真。但在实际的硬件设计中，这些部分是必不可少的。通过正确的硬件设计和仿真测试，可以确保单片机按照预期正常工作，为后期的编程和控制提供良好的基础。STM32单片机如图 2所示。

2.1 温度湿度传感器的介绍及选型

在实际的设计中，需要选择一款符合要求并且容易操作的温湿度传感器。为了筛选出最适合的传感器，通过查阅各种类型的温湿度传感器和数据手册，最终，确定了一款符合本次设计要求并且容易操作的传感器，即DHT11温湿度传感器。它具有良好的性价比，强大的抗干扰性和高度符合人们对气体检测器的基本要求。因此，最終选择了DHT11作为本次设计中的温度湿度检测部分。

2.2 红外线传感器的介绍及设计

红外线又称红外光，它有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。对于红外线而言，不管是任何物质，有任何物理特征，只要它的温度高于绝对零度，都会向外辐射出红外线，而绝对零度是目前宇宙理论上的最低温度，对于目前人类认知水平而言，还没有任何物质低于绝对零度，因此，理论上来说，红外线传感器可以检测任何物质。此外，红外线传感器在进行测量时，不需要直接接触被测物体，故而不存在摩擦，并且因其所具有的性质，红外线传感器具有反应速度快、灵敏度高等优点[5]。

热敏电阻是热敏元件中使用最广泛的一种。在红外光照射下，热敏电阻器的温度上升，使其电阻产生改变（由于热敏电阻器可以分成温度系数为正值的热敏电阻器和正值的温度系数为负值的热敏电阻器），并经过一个变换电路而成为一个电信号输出[6]。

2.3 显示模块的介绍及选型

为了确定最适合本次设计的显示器，在查询资料的基础上，从多方面对比了这两款显示器。首先，在功耗方面，人们发现OLED显示屏比LCD屏幕要低一些，在某些情况下具有一些优势。其次，在响应时间和动态显示方面，OLED显示屏表现更好，响应时间更短，动态显示更加突出，可以提供更加流畅的视觉体验。此外，在硬件电路连接上，OLED显示屏的引脚数量要少一些，比较灵活，具有更高的可集成性。综合比较下来，人们认为OLED屏幕在各个方面都有明显的优势，可以为人们的设计提供更好的帮助和表现，因此决定最终选择OLED显示屏作为本次设计的显示模块，以满足人们的需求和要求。

2.4 ESP8266模块

ESP8266是一种强大的Wi-Fi模块，它由ESPRESSIF SYSTEMS公司开发，可以实现与网络通信的功能。ESP8266在物联网中被广泛使用，可以通过串行通信接口连接到微控制器，例如Arduino，以实现智能家居、智能灯光、智能车辆等应用场景。

3 谷物烘干系统软件设计

3.1 主程序设计

程序的主要设计流程可以总结如下：首先进行初始化，包括对各个模块的引脚、模式、波特率等参数进行设置。然后，通过控制器接收来自DHT11处理的温湿度传感器检测到的数据。此时，程序将分别将接收到的温度和湿度值与事先设置好的温湿度预设值进行比较，根据比较结果处理相应的逻辑控制。具体来说，会有以下几种情况：

情况一：温湿度传感器检测的数据未达到设定的阈值，意味着谷物水分还未烘干到指定数值，此时风机与热风会一直保持开启状态，知道谷物的水分达到设定的阈值时，停止加热与吹风。

情况二：当其中任意一数值达到设定阈值时也会有不同情况，当热风温度超过设定温度时继电器1会关闭停止加热，但水分未达到指定量时，风机会继续吹风。当水分达到设定阈值时，继电器1和3会关闭使风机与热风会停止。遮挡红外传感器时继电器2打开。

以上所述的几种情况，是本设计的核心控制逻辑，也是设计的重点所在。这个检测的过程将一直持续进行，并根据检测结果的不同来执行相应的逻辑决策，以实现所设想的温湿度控制和管理功能。在这个过程中，通过对温湿度值的检测和预设值的比较，程序可以进行自我调整和优化，以实现环境的良好维护和控制。这种持续的检测和决策过程，可以让控制系统具有很强的适应性和稳定性，能够在变化多样的环境中保持良好的运作状态。如图4主程序的运行流程图。

3.2 DHT11子程序设计

本设计主要由DHT11作为主要检测元件，它起到了至关重要的作用，通过检测到的温湿度数据来控制继电器。然后，来控制风机的启停与热风的开启和关闭。DHT11时序图如图4 所示。

DHT11的整个交流过程，第一个步骤是：由主控端发出启动讯号，由主控端发出对应讯号，然后由主控端回复信号。第二个步骤：将主讯号线拉高，为接收资料做好准备。第三步骤：启动数据的接收（每次40比特）。

第一步：DHT11通电后（DHT11通电后，需要1S的时间来度过一个不稳定的阶段，在这段时间内，DHT11不能发出任何命令），对周围的温度和湿度进行检测，并对数据进行记录，并通过上拉电阻将DHT11的DATA数据线拉高，使其始终处于高电平；在这一点上，DHT11的数据管脚被设置为输入，并且在该时间点上对外界信号进行检测。

第二步：将微处理器的I/O设定为输出，并同时输出一个低电平，而且在低电平所需要保持的时间不少于18 ms，接着将微处理器的I/O设定为输入，因为上拉电阻的原因，微处理器的I/O，也就是DHT11的DATA数据线也因此升高，DHT11做出回复信号后，发送信号如图5所示。

第三步：当DHT11的DATA管脚探测到有一个低电平的外界信号时，DHT11的DATA管脚就会进入一个输出模式，并将一个80微秒的低电平输出作为一个响应信号。随后将会输出80微秒的高电平，并使外部的設备进行接收数据的准备，此时的微处理器I/O为输入，在检测到I/O有低电平（DHT11应答信号）后，等待80微秒。

第四步：从DHT11的DATA引脚输出40位数据，此时，微处理器会根据I/O电平变化为根据来接收这40位数据，位数据“0”的格式为：50～55微秒的低电平以及25微秒左右的高电平，位数据“1”的格式为：50～55微秒的低电平加上70微秒的高电平[7]。想要将DHT11和控制器的电路进行连接是十分简单，只用把DATA的引脚连接到控制器上的任一通用输入输出口的引脚即可，由控制器的电源电路对VCC和GND进行供电[8]。

3.3 OLED显示模块子程序设计

在本次设计中，另一个重要的模块是显示模块。经过对比，最终选择了OLED显示模块。与其他模块相比，该模块的优点更多，优势也更为明显。查询数据手册后，了解到该模块的工作过程包括以下几个部分。

首先进行初始化，对OLED的各个功能进行定义。这包括OLED开始工作、OLED结束工作、写一个字节、写一个命令、写一个数据、反显设置等。

然后需要确定要在哪个位置显示内容。由于OLED屏幕是128×64的，类似于一个128列64行的阵列，每个位置都可以控制其中一个小灯泡的亮灭。因此，在显示任何内容之前，需要确定要显示内容的位置信息，例如第几列、第几行、显示的字符或图形所占用的位置范围等。这就需要使用数据手册中的确定页寻址模式，来确定所需的位置信息，然后控制OLED显示模块将对应的小灯泡点亮，从而显示出所需内容。

在确定了OLED显示模块需要显示数据的位置之后，接下来需要确定具体显示的内容。在具体操作过程中，需要将要显示的字符、符号、数字等数据通过写入16进制代码来实现对应的灯泡点亮。例如，如果要显示一个字符或符号，需要将其对应的16进制代码输入到OLED显示模块中，从而让对应的灯泡点亮，呈现出想要显示的内容。然而，手动编制每个字符或符号的16进制代码非常烦琐且容易出错，因此，可以使用工具生成字符库，从而简化这个过程，大大提高效率和准确性。

字符库生成工具可以为图片、字符、数字等生成相应的字符库，非常方便快捷。在工具中，可以选择字符模式或图形模式，将需要生成的内容输入进去，并进行相关参数配置，就可以生成相应的字符库。在程序中，只须将该字符库复制贴至程序文件中，在需要时直接调用即可。通过合理应用字符库生成工具，可以让程序设计更加高效、准确。屏幕子程序设计流程图如图6所示。

4 结束语

本设计系统主要由传统的谷物烘干机的系统进行相应的改造而来，传统的控制系统大致流程就是手动开始烘干粮食，手动检测谷物水分，然后到达烘干时间后手动停止。在此基础上，对其进行了大幅度改造，DHT11温湿度传感器模块，可以让其显示实时谷物的水分与实时的温度，并且可以自动控制风机的启停与热风的启停，同时增加了ESP8266Wi-Fi模块，能够实现远程检测，以此来实时检测谷物烘干的程度。通过传感器与继电器的配合，来实现烘干智能化，不仅提高了谷物烘干的效率，也大幅度减少了人们的工作量，这些模块的使用不仅极大地增强了该控制系统的控制功能，也更加完善了该控制系统。

参考文献：

[1] 张军，孙守民.高效谷物烘干机智能控制及作业监管系统[J].农业装备与车辆工程，2019，57（S1）：77-82.

[2] 本刊编辑部.谷物烘干机械市场前景可期[J].农机市场，2021（9）：1.

[3] 韩长生，佟童，姜岩，等.不同种类谷物烘干机技术特征与合理选择[J].农机使用与维修，2022（7）：4-6.

[4] 貢军，陈露瑶，柏雨晴.谷物烘干机远程监控系统的性能研究[J].农机质量与监督，2020（7）：23，43.

[5] 王翠芝.多传感器融合技术在移动机器人中的应用[D].北京：北方工业大学，2010.

[6] 李嘉欣.红外感应智能筷子的设计[J].产业与科技论坛，2015，14（21）：49-50.

[7] 汤义好，赵子洲，周洋.基于树莓派的语音智能节能系统的研究与终端设计[J].河南科技，2022，41（1）：20-24.

[8] 刘小滨，刘寅，沈文浩.基于STM32单片机的环境温/湿度远程监控系统设计[J].中国造纸学报，2022，37（3）：118-125.

【通联编辑：梁书】