0、引 言
通常各種作物種子收獲時(shí)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(shí)去除其中的水分，就會使種子發(fā)熱變質(zhì)，或因遭受凍害而喪失發(fā)芽能力。因此對種子進(jìn)行及時(shí)的脫水干燥非常必要。近年來，國家對農(nóng)業(yè)的種子產(chǎn)業(yè)化工程十分重視，在種子的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過程中，種子的加工是重要環(huán)節(jié)，而干燥是種子加工過程中的關(guān)鍵。研究表明：種子耐藏性的關(guān)鍵因子是種子含水率和貯藏溫度，種子經(jīng)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(fèi)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(nèi)外對谷物類作物的干燥工藝和設(shè)備進(jìn)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(jī)及相應(yīng)的控制裝置未見報(bào)道。連正國、關(guān)植基等對種子干燥工藝及種子
干燥機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了研究。應(yīng)義斌、壽明耀對連續(xù)式滾筒式干燥機(jī)用于谷物干燥時(shí)，谷物在滾筒中停留時(shí)間和接觸時(shí)間進(jìn)行了研究。種子是活的有機(jī)體，干后種子仍然具有旺盛的生命力是種子干燥作業(yè)的基本要求。由于各種種子的顆粒大小、結(jié)構(gòu)、組成成分不一樣，對干燥工藝過程和工藝參數(shù)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(shù)進(jìn)行精密、嚴(yán)格的控制。因此對種子干燥機(jī)控制裝置提出了較高要求。根據(jù)實(shí)際需要和萊陽農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)系旱作技術(shù)省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的要求，研制了一臺作物種子干燥機(jī)。在作物種子干燥機(jī)中采用以單片機(jī)為核心的控制裝置實(shí)現(xiàn)對干燥過程的自動(dòng)控制。
1、滾筒式作物種子干燥機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理
滾筒式作物種子干燥機(jī)實(shí)物照片如圖1所示，結(jié)構(gòu)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(fēng)口，圓孔2作為熱風(fēng)輸入口。電熱元件和風(fēng)機(jī)安裝在一個(gè)直徑較小的圓筒中，裝有發(fā)熱元件和風(fēng)機(jī)的圓筒插入到滾筒的圓孔2約3cm，在滾筒的圓孔2的內(nèi)部安裝一圓型不銹鋼網(wǎng)罩，防止?jié)L筒回轉(zhuǎn)時(shí)作物種子灑落進(jìn)裝有發(fā)熱元件和風(fēng)機(jī)的圓筒，同時(shí)又保證熱風(fēng)能吹進(jìn)滾筒。工作時(shí)滾筒回轉(zhuǎn)，但裝有發(fā)熱元件和風(fēng)機(jī)的圓筒不旋轉(zhuǎn)。滾筒外側(cè)正中安裝有圓環(huán)型齒圈，與滾筒焊為一體，它被小齒輪驅(qū)動(dòng)用于帶動(dòng)滾筒回轉(zhuǎn)。在滾筒外側(cè)的兩端安裝有鋼圈，用作滾筒回轉(zhuǎn)的軌道。在滾筒內(nèi)壁鑲有縱向抄板。當(dāng)滾筒回轉(zhuǎn)時(shí)，滾筒底部的種子被抄板抄起，隨著滾筒的回轉(zhuǎn)，抄板中的種子漸漸均勻撒落。處于均勻撒落狀態(tài)的種子受到遠(yuǎn)紅外線的輻射和熱風(fēng)的吹拂，使種子中的水分被蒸發(fā)出來。
2、滾筒式作物種子干燥機(jī)控制裝置的作用及工作過程
熱風(fēng)溫度、風(fēng)速及干燥時(shí)間是影響種子干燥效果及種子干燥質(zhì)量的主要因素�？刂蒲b置的控制對象是遠(yuǎn)紅外加熱器和風(fēng)機(jī)，通過電加熱器調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度，通過風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)速。種子干燥過程的不同階段中對干燥溫度、干燥風(fēng)速有不同的要求，不同種子初始含水率不同、結(jié)構(gòu)不同、適宜的干燥速度不同，干燥過程中含水率的變化規(guī)律不同，因此要求的干燥時(shí)間、干燥溫度、干燥風(fēng)速以及三者的配合關(guān)系不同，為了達(dá)到良好的干燥效果和使干燥機(jī)的工作效率較高，要求控制裝置能對干燥時(shí)間、干燥風(fēng)速、干燥溫度進(jìn)行設(shè)定和自動(dòng)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(xiàn)超溫現(xiàn)象，為此必須設(shè)置特殊的溫度控制算法，以保證種子的安全。以單片機(jī)為核心的干燥機(jī)控制裝置可以靈活設(shè)置干燥時(shí)間、溫度、風(fēng)速、并能實(shí)現(xiàn)對溫度、風(fēng)速、時(shí)間的自動(dòng)控制，是實(shí)現(xiàn)干燥機(jī)高性能控制的較佳選擇。在干燥前，首先進(jìn)行干燥過程的設(shè)置，確定干燥過程分為幾段及每段的時(shí)間、溫度、風(fēng)速，然后按運(yùn)行鍵系統(tǒng)開始運(yùn)行，運(yùn)行中系統(tǒng)對運(yùn)行的段次、時(shí)間、溫度、風(fēng)速進(jìn)行自動(dòng)控制，干燥過程結(jié)束后自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出聲光信號。
3、滾筒式作物種子干燥機(jī)控制裝置硬件電路
參考有關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了作物種子干燥機(jī)的以單片機(jī)為核心的控制裝置，電路框圖如圖3所示。以8031單片機(jī)作為控制電路的核心組成控制系統(tǒng)。單片機(jī)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(shí)間改變電熱器的發(fā)熱功率，實(shí)現(xiàn)溫度的反饋控制；D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓到雙向可控硅觸發(fā)控制電路，改變風(fēng)速控制單元的數(shù)字量就可改變D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而控制可控硅的導(dǎo)通角，改變風(fēng)機(jī)電壓，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。當(dāng)工頻交流電由正變負(fù)過零點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生外部中斷信號，單片機(jī)響應(yīng)中斷進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在該程序中完成工頻電周期數(shù)計(jì)數(shù)及控制周期數(shù)和導(dǎo)通周期數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成0～5V的電壓信號。采用12位的AlD轉(zhuǎn)換器AD574將電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。當(dāng)溫度在0～99.9℃之間時(shí)，調(diào)節(jié)變送器使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)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(shí)間改變電熱器的發(fā)熱功率，實(shí)現(xiàn)溫度的反饋控制；系統(tǒng)的加熱元件采用管狀遠(yuǎn)紅外輻射元件，采用雙向可控硅對其進(jìn)行開關(guān)控制。為了不出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，由單片機(jī)控制使加熱器從低功率開始逐步增加功率，發(fā)熱功率的增加速度低于加熱系統(tǒng)的熱慣性。溫度傳感器檢測熱空氣的溫度，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定溫度和實(shí)測溫度的比較結(jié)果，使雙向可控硅在下一個(gè)控制周期內(nèi)的導(dǎo)通的時(shí)間增加一個(gè)周波或減少一個(gè)周波。當(dāng)發(fā)熱元件處于發(fā)熱狀態(tài)時(shí)，其熱慣性較少。實(shí)驗(yàn)測得在環(huán)境為熱穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)熱元件通入電流5s后，就可使空氣溫度發(fā)生變化，因此系統(tǒng)設(shè)定控制周期為5s。
3.3工頻正弦交流電周波數(shù)、過零檢測電路
為了實(shí)現(xiàn)雙向可控硅導(dǎo)通周波數(shù)控制，及總控制周期的控制，需要獲得電網(wǎng)電壓周波數(shù)信號。該部分電路由降壓變壓器、整流二極管、穩(wěn)壓管、光電耦合器、與非門等器件組成。當(dāng)工頻電壓由正變負(fù)過零點(diǎn)時(shí)，8031的外部中斷INT1獲得一個(gè)負(fù)跳變的有效中斷請求信號。8031執(zhí)行中斷轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，使周波數(shù)計(jì)數(shù)單元加1。
3.4風(fēng)機(jī)控制電路
采用額定電壓為220V的單相風(fēng)機(jī)，通過改變雙向可控硅的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速，可控硅的導(dǎo)通角受單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器0832輸出電壓控制。
3.5其它電路部分
采用3位數(shù)碼管進(jìn)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(shù)碼管顯示。系統(tǒng)采用薄膜開關(guān)作為輸入裝置，作為聲音報(bào)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(tài)信號輸入端。當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，如可控硅擊穿失控，使熱風(fēng)溫度超過設(shè)定溫度2℃時(shí)，輸出信號，發(fā)出音響報(bào)警。變?yōu)楦唠娖�，使交流接觸器釋放，切斷交流電源。通常在種子干燥時(shí)，其設(shè)定溫度遠(yuǎn)低于使種子損壞的溫度。因此超過設(shè)定溫度2℃不會造成種子的損壞。
4、滾筒式作物種子干燥機(jī)控制裝置軟件設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)主程序
當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)被加電，主程序開始運(yùn)行。系統(tǒng)對有關(guān)單元初始化后等待按鍵輸入。若為參數(shù)設(shè)定鍵按下，則轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)定程序，參數(shù)設(shè)定完成后返回主程序。若為運(yùn)行鍵，則轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行程序，干燥過程結(jié)束后轉(zhuǎn)主程序。
4.2 參數(shù)設(shè)定程序
系統(tǒng)干燥運(yùn)行前首先通過鍵盤設(shè)定干燥過程的控制段數(shù)及每個(gè)控制段的時(shí)間長度、控制溫度、風(fēng)速，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定完成后返回主程序。
4.3系統(tǒng)運(yùn)行控制程序
控制程序流程圖如圖4所示。系統(tǒng)設(shè)定完成后，按運(yùn)行鍵系統(tǒng)開始干燥運(yùn)行。系統(tǒng)首先將有關(guān)單元數(shù)據(jù)初始化，檢測串聯(lián)于雙向可控硅前的交流接觸器是否接通，當(dāng)檢測到交流接觸器接通時(shí)，單片機(jī)輸出信號使可控硅以初始設(shè)定的周波數(shù)導(dǎo)通，使電加熱器以較少的功率發(fā)熱，根據(jù)設(shè)定的風(fēng)速要求進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬電壓，控制風(fēng)機(jī)按要求的風(fēng)速工作。然后開中斷、讀出設(shè)定溫度，采樣實(shí)際溫度，根據(jù)采樣值與設(shè)定值的比較，使導(dǎo)通周波數(shù)計(jì)數(shù)單元加1或減1。系統(tǒng)檢測己導(dǎo)通周波數(shù)計(jì)數(shù)單元和已經(jīng)過周波數(shù)計(jì)數(shù)單元，當(dāng)導(dǎo)通周波數(shù)達(dá)到設(shè)定的周波數(shù)時(shí)，關(guān)斷雙向可控硅，繼續(xù)檢測已經(jīng)過導(dǎo)通周波數(shù)計(jì)數(shù)單元，當(dāng)己導(dǎo)通周波數(shù)等于控制周期數(shù)時(shí)，開始下一個(gè)控制周期，然后檢測干燥工作的段次及時(shí)間，讀出該段次和時(shí)間的風(fēng)速控制單元值，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，控制風(fēng)機(jī)工作。在工頻交流電由正到負(fù)的過零點(diǎn)產(chǎn)生外部中斷，轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序中，在中斷服務(wù)程序中將己導(dǎo)通周波數(shù)和己通過周波數(shù)計(jì)數(shù)單元分別加1。在運(yùn)行中系統(tǒng)記錄系統(tǒng)運(yùn)行的段數(shù)及本段的運(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)間比較，根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)按預(yù)定的時(shí)間、溫度、風(fēng)速運(yùn)行。
5、滾筒式作物種子干燥機(jī)作物種子的裝卸
由于滾筒內(nèi)抄板的影響，采用通常的方法卸下種子很費(fèi)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(jié)構(gòu)內(nèi)部光滑，無縫隙，無死角，當(dāng)需要卸下種子時(shí)，按下卸料按鈕，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，滾筒傾斜，滾筒內(nèi)的種子從左端口滑落流出。在機(jī)體安裝有限位行程開關(guān)，當(dāng)機(jī)體傾斜到一定程度時(shí)傾倒電機(jī)自動(dòng)斷電，保證了卸料安全。
6、滾筒式作物種子干燥機(jī)的試驗(yàn)
對所研制的滾筒式作物種子干燥機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。試驗(yàn)材料分別是100 kg濕態(tài)玉米和95 kg濕態(tài)小麥。玉米和小麥均采用三段式干燥，各段的參數(shù)設(shè)置如表1所示。干燥進(jìn)行前和完成后進(jìn)行了參數(shù)檢測，種子濕度檢測采用LSKC-4糧食水分快速測定儀。測量時(shí)隨機(jī)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(biāo)準(zhǔn)差。隨機(jī)選取100顆種子進(jìn)行發(fā)芽率試驗(yàn)，發(fā)芽率為100%。隨機(jī)選出100顆種子觀察種子的裂紋數(shù)，由于干燥溫度較低，沒有發(fā)現(xiàn)有裂紋的種子。
7、結(jié) 論
所研制的作物種子干燥機(jī)己投入使用2年多，使用結(jié)果表明具有以下特點(diǎn)：1）由于采用滾筒結(jié)構(gòu)和單片機(jī)控制裝置，使其適應(yīng)性較廣，能適應(yīng)大部分作物種子干燥的要求。2）由于干燥機(jī)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(xiàn)串種、混種現(xiàn)象。3）其中的單片機(jī)控制裝置可實(shí)現(xiàn)對干燥時(shí)間、干燥風(fēng)速、干燥溫度進(jìn)行設(shè)定和自動(dòng)控制，使作物種子干燥機(jī)具有良好的干燥性能。使用表明：所設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制裝置能靈活進(jìn)行干燥過程的設(shè)定，滿足不同種子的干燥要求，由于采用導(dǎo)通周波數(shù)控制，從較低的溫度升溫至設(shè)定溫度，升溫速度低于系統(tǒng)的熱慣性，系統(tǒng)不會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，且使溫度控制精度較高，超溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)合理，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)可靠的切斷電源，保證了種子的安全干燥。系統(tǒng)采用單相風(fēng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速，調(diào)速范圍大，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速方便簡單。
