程麗娟 何強(qiáng)龍 姜通勝 杜東瑾 劉建明

摘要：本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了烘干機(jī)的水分檢測(cè)與溫度控制系統(tǒng)，其中的主控核心芯片選用了STM32單片機(jī)，并接入了DHT11溫濕度傳感器模塊以及ESP8266Wi-Fi模塊，可以通過(guò)OLED顯示器實(shí)時(shí)顯示谷物含水量以及溫度，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，當(dāng)谷物含水量達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)或熱風(fēng)溫度達(dá)到閾值時(shí)，DHT11傳感器能夠給繼電器傳遞信息，繼電器可以控制風(fēng)機(jī)與加熱絲的啟停，利用單片機(jī)技術(shù)使需要很多人力的烘干作業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化。通過(guò)功能調(diào)試和可靠性測(cè)試后，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)之初的預(yù)期功能并能很好地完成人們所想要完成的工作，而且在長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下仍然可以保持穩(wěn)定可靠，同時(shí)，該設(shè)計(jì)在方案的成本上得到有效控制，使得本次設(shè)計(jì)成果具有非常高的實(shí)用價(jià)值，性價(jià)比高，可用于實(shí)際應(yīng)用的推廣。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；實(shí)時(shí)顯示；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；自動(dòng)控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TK91? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）35-0103-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

谷物烘干機(jī)可以提升食品的品質(zhì)，已經(jīng)成為各類谷物的儲(chǔ)備、糧食加工廠以及其他相關(guān)的食品加工廠所必備設(shè)備，它的市場(chǎng)需求變得越來(lái)越大。而烘干機(jī)開發(fā)難點(diǎn)在于能耗、質(zhì)量還有運(yùn)行模式等，能耗與人工成本相關(guān)，但是烘干質(zhì)量卻要靠產(chǎn)品的自身技術(shù)。運(yùn)行模式是關(guān)鍵，即建立起來(lái)烘干體系，糧食烘干機(jī)是政府對(duì)農(nóng)機(jī)方面補(bǔ)貼的重點(diǎn)，但目前看來(lái)，都是以補(bǔ)貼烘干機(jī)方式來(lái)進(jìn)行，以至于政府無(wú)法做到掌握作業(yè)的質(zhì)量以及數(shù)量，政府怎樣從機(jī)具補(bǔ)貼改成烘干糧食補(bǔ)貼，減少資源的浪費(fèi)，是政府服務(wù)于人民的更好方向[1]。隨著近年來(lái)國(guó)家和政府對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)日益注重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到不同層面政府的投資和補(bǔ)助，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展越來(lái)越好、越來(lái)越快。國(guó)內(nèi)外對(duì)烘干機(jī)的研究已經(jīng)相當(dāng)豐富，但是結(jié)合具體研究成果，這些研究大多專注于技術(shù)層面。我國(guó)烘干機(jī)的制作成本價(jià)格相比于國(guó)外的價(jià)格低了一半，但是大部分大型烘干機(jī)由于體積較大、維修成本高、安裝調(diào)試?yán)щy，所以價(jià)格已經(jīng)不是最大的優(yōu)勢(shì)了，現(xiàn)在的烘干機(jī)企業(yè)想走出市場(chǎng)走向國(guó)外需要專注修煉內(nèi)在。對(duì)于谷物烘干來(lái)說(shuō)，機(jī)械化是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著近年來(lái)我國(guó)的農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營(yíng)以及機(jī)械化收獲水平的快速增長(zhǎng)，逐漸縮短了糧食收獲期，因此，大批的谷物如何得到及時(shí)的烘干，并能夠及時(shí)進(jìn)行安全存放，是目前亟待解決的糧食難題[2]。

隨著谷物烘干機(jī)投入實(shí)際應(yīng)用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到了顯著優(yōu)化。烘干機(jī)所采用的立體烘干技術(shù)，烘干的過(guò)程中充分利用了高層的空間，顯著縮小了烘干場(chǎng)地的所需占地面積。此外，烘干出來(lái)的糧食也更能保證其烘干品質(zhì)，在糧食烘干過(guò)程中，它自動(dòng)監(jiān)測(cè)含水率的變化，從而保證了糧食烘干所要達(dá)到的含水率最佳標(biāo)準(zhǔn)。谷物烘干的過(guò)程需要在密封的環(huán)境中進(jìn)行操作，這樣能夠有效防止因空氣潮濕、陰雨等因素對(duì)烘干質(zhì)量造成影響[3]。

1 谷物烘干系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)的主要內(nèi)容是谷物烘干機(jī)水分在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)谷物烘干機(jī)控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了一種以STM32單片機(jī)為基礎(chǔ)，以DHT11傳感器為硬件系統(tǒng)核心的水分在線監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)程序進(jìn)行溫度的控制以及ESP8266Wi-Fi模塊的加入，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。谷物烘干機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控是基于遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)而開發(fā)出來(lái)的功能，它可以滿足烘干過(guò)程中對(duì)多樣性數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控的需要，通過(guò)對(duì)烘干系統(tǒng)的整體性功能進(jìn)行開發(fā)，再加上遠(yuǎn)程檢測(cè)，能夠做到對(duì)谷物烘干的智能化控制和監(jiān)測(cè)。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)整個(gè)谷物烘干過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)了智能控制烘干的全部流程[4]。要求將被控系統(tǒng)的熱風(fēng)溫度控制在25～40℃，當(dāng)溫度低于或高于設(shè)定閾值時(shí)應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，關(guān)閉加熱或者關(guān)閉風(fēng)機(jī)。要達(dá)成的目標(biāo)為：

1） 含水量達(dá)到設(shè)定閾值會(huì)停止烘干與加熱。

2） 溫度控制在25～40℃。

3） 將含水量在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從60%下降到40%。

具體的流程描述為：高水分谷物經(jīng)進(jìn)料斗進(jìn)入調(diào)質(zhì)倉(cāng)，當(dāng)調(diào)質(zhì)結(jié)束后，由提升機(jī)送至烘干倉(cāng)進(jìn)行烘干，在烘干倉(cāng)內(nèi)有溫濕度傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)溫度與濕度。烘干結(jié)束時(shí)，烘干倉(cāng)內(nèi)部的濕度在12%左右，這個(gè)數(shù)值是根據(jù)谷物烘干的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的，當(dāng)烘干倉(cāng)內(nèi)部濕度降到12%左右時(shí)，谷物就已經(jīng)達(dá)到了合適的干燥程度，可以進(jìn)行下一步的操作，例如儲(chǔ)存、加工或銷售等，然后流程結(jié)束。不同種類的谷物其適宜的濕度范圍可能會(huì)有所不同，因此在使用烘干機(jī)進(jìn)行谷物烘干時(shí)，需要根據(jù)具體的品種和工藝要求進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)。

2 谷物烘干系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)需要進(jìn)行程序下載和運(yùn)行調(diào)試等操作，因此，最基本的硬件設(shè)計(jì)包括電源和晶振的鏈接、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)。在Proteus仿真軟件中，單片機(jī)自帶最小系統(tǒng)部分，因此即使未繪制這些部分也可以進(jìn)行正常的仿真。但在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中，這些部分是必不可少的。通過(guò)正確的硬件設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試，可以確保單片機(jī)按照預(yù)期正常工作，為后期的編程和控制提供良好的基礎(chǔ)。STM32單片機(jī)如圖 2所示。

2.1 溫度濕度傳感器的介紹及選型

在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，需要選擇一款符合要求并且容易操作的溫濕度傳感器。為了篩選出最適合的傳感器，通過(guò)查閱各種類型的溫濕度傳感器和數(shù)據(jù)手冊(cè)，最終，確定了一款符合本次設(shè)計(jì)要求并且容易操作的傳感器，即DHT11溫濕度傳感器。它具有良好的性價(jià)比，強(qiáng)大的抗干擾性和高度符合人們對(duì)氣體檢測(cè)器的基本要求。因此，最終選擇了DHT11作為本次設(shè)計(jì)中的溫度濕度檢測(cè)部分。

2.2 紅外線傳感器的介紹及設(shè)計(jì)

紅外線又稱紅外光，它有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。對(duì)于紅外線而言，不管是任何物質(zhì)，有任何物理特征，只要它的溫度高于絕對(duì)零度，都會(huì)向外輻射出紅外線，而絕對(duì)零度是目前宇宙理論上的最低溫度，對(duì)于目前人類認(rèn)知水平而言，還沒有任何物質(zhì)低于絕對(duì)零度，因此，理論上來(lái)說(shuō)，紅外線傳感器可以檢測(cè)任何物質(zhì)。此外，紅外線傳感器在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，不需要直接接觸被測(cè)物體，故而不存在摩擦，并且因其所具有的性質(zhì)，紅外線傳感器具有反應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[5]。

熱敏電阻是熱敏元件中使用最廣泛的一種。在紅外光照射下，熱敏電阻器的溫度上升，使其電阻產(chǎn)生改變（由于熱敏電阻器可以分成溫度系數(shù)為正值的熱敏電阻器和正值的溫度系數(shù)為負(fù)值的熱敏電阻器），并經(jīng)過(guò)一個(gè)變換電路而成為一個(gè)電信號(hào)輸出[6]。

2.3 顯示模塊的介紹及選型

為了確定最適合本次設(shè)計(jì)的顯示器，在查詢資料的基礎(chǔ)上，從多方面對(duì)比了這兩款顯示器。首先，在功耗方面，人們發(fā)現(xiàn)OLED顯示屏比LCD屏幕要低一些，在某些情況下具有一些優(yōu)勢(shì)。其次，在響應(yīng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)顯示方面，OLED顯示屏表現(xiàn)更好，響應(yīng)時(shí)間更短，動(dòng)態(tài)顯示更加突出，可以提供更加流暢的視覺體驗(yàn)。此外，在硬件電路連接上，OLED顯示屏的引腳數(shù)量要少一些，比較靈活，具有更高的可集成性。綜合比較下來(lái)，人們認(rèn)為OLED屏幕在各個(gè)方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以為人們的設(shè)計(jì)提供更好的幫助和表現(xiàn)，因此決定最終選擇OLED顯示屏作為本次設(shè)計(jì)的顯示模塊，以滿足人們的需求和要求。

2.4 ESP8266模塊

ESP8266是一種強(qiáng)大的Wi-Fi模塊，它由ESPRESSIF SYSTEMS公司開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)通信的功能。ESP8266在物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛使用，可以通過(guò)串行通信接口連接到微控制器，例如Arduino，以實(shí)現(xiàn)智能家居、智能燈光、智能車輛等應(yīng)用場(chǎng)景。

3 谷物烘干系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

程序的主要設(shè)計(jì)流程可以總結(jié)如下：首先進(jìn)行初始化，包括對(duì)各個(gè)模塊的引腳、模式、波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。然后，通過(guò)控制器接收來(lái)自DHT11處理的溫濕度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)。此時(shí)，程序?qū)⒎謩e將接收到的溫度和濕度值與事先設(shè)置好的溫濕度預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果處理相應(yīng)的邏輯控制。具體來(lái)說(shuō)，會(huì)有以下幾種情況：

情況一：溫濕度傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)未達(dá)到設(shè)定的閾值，意味著谷物水分還未烘干到指定數(shù)值，此時(shí)風(fēng)機(jī)與熱風(fēng)會(huì)一直保持開啟狀態(tài)，知道谷物的水分達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，停止加熱與吹風(fēng)。

情況二：當(dāng)其中任意一數(shù)值達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)也會(huì)有不同情況，當(dāng)熱風(fēng)溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)繼電器1會(huì)關(guān)閉停止加熱，但水分未達(dá)到指定量時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)繼續(xù)吹風(fēng)。當(dāng)水分達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，繼電器1和3會(huì)關(guān)閉使風(fēng)機(jī)與熱風(fēng)會(huì)停止。遮擋紅外傳感器時(shí)繼電器2打開。

以上所述的幾種情況，是本設(shè)計(jì)的核心控制邏輯，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)所在。這個(gè)檢測(cè)的過(guò)程將一直持續(xù)進(jìn)行，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果的不同來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的邏輯決策，以實(shí)現(xiàn)所設(shè)想的溫濕度控制和管理功能。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)溫濕度值的檢測(cè)和預(yù)設(shè)值的比較，程序可以進(jìn)行自我調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境的良好維護(hù)和控制。這種持續(xù)的檢測(cè)和決策過(guò)程，可以讓控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，能夠在變化多樣的環(huán)境中保持良好的運(yùn)作狀態(tài)。如圖4主程序的運(yùn)行流程圖。

3.2 DHT11子程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由DHT11作為主要檢測(cè)元件，它起到了至關(guān)重要的作用，通過(guò)檢測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)來(lái)控制繼電器。然后，來(lái)控制風(fēng)機(jī)的啟停與熱風(fēng)的開啟和關(guān)閉。DHT11時(shí)序圖如圖4 所示。

DHT11的整個(gè)交流過(guò)程，第一個(gè)步驟是：由主控端發(fā)出啟動(dòng)訊號(hào)，由主控端發(fā)出對(duì)應(yīng)訊號(hào)，然后由主控端回復(fù)信號(hào)。第二個(gè)步驟：將主訊號(hào)線拉高，為接收資料做好準(zhǔn)備。第三步驟：?jiǎn)?dòng)數(shù)據(jù)的接收（每次40比特）。

第一步：DHT11通電后（DHT11通電后，需要1S的時(shí)間來(lái)度過(guò)一個(gè)不穩(wěn)定的階段，在這段時(shí)間內(nèi)，DHT11不能發(fā)出任何命令），對(duì)周圍的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并通過(guò)上拉電阻將DHT11的DATA數(shù)據(jù)線拉高，使其始終處于高電平；在這一點(diǎn)上，DHT11的數(shù)據(jù)管腳被設(shè)置為輸入，并且在該時(shí)間點(diǎn)上對(duì)外界信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。

第二步：將微處理器的I/O設(shè)定為輸出，并同時(shí)輸出一個(gè)低電平，而且在低電平所需要保持的時(shí)間不少于18 ms，接著將微處理器的I/O設(shè)定為輸入，因?yàn)樯侠娮璧脑?，微處理器的I/O，也就是DHT11的DATA數(shù)據(jù)線也因此升高，DHT11做出回復(fù)信號(hào)后，發(fā)送信號(hào)如圖5所示。

第三步：當(dāng)DHT11的DATA管腳探測(cè)到有一個(gè)低電平的外界信號(hào)時(shí)，DHT11的DATA管腳就會(huì)進(jìn)入一個(gè)輸出模式，并將一個(gè)80微秒的低電平輸出作為一個(gè)響應(yīng)信號(hào)。隨后將會(huì)輸出80微秒的高電平，并使外部的設(shè)備進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，此時(shí)的微處理器I/O為輸入，在檢測(cè)到I/O有低電平（DHT11應(yīng)答信號(hào)）后，等待80微秒。

第四步：從DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)，此時(shí)，微處理器會(huì)根據(jù)I/O電平變化為根據(jù)來(lái)接收這40位數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)“0”的格式為：50～55微秒的低電平以及25微秒左右的高電平，位數(shù)據(jù)“1”的格式為：50～55微秒的低電平加上70微秒的高電平[7]。想要將DHT11和控制器的電路進(jìn)行連接是十分簡(jiǎn)單，只用把DATA的引腳連接到控制器上的任一通用輸入輸出口的引腳即可，由控制器的電源電路對(duì)VCC和GND進(jìn)行供電[8]。

3.3 OLED顯示模塊子程序設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，另一個(gè)重要的模塊是顯示模塊。經(jīng)過(guò)對(duì)比，最終選擇了OLED顯示模塊。與其他模塊相比，該模塊的優(yōu)點(diǎn)更多，優(yōu)勢(shì)也更為明顯。查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)后，了解到該模塊的工作過(guò)程包括以下幾個(gè)部分。

首先進(jìn)行初始化，對(duì)OLED的各個(gè)功能進(jìn)行定義。這包括OLED開始工作、OLED結(jié)束工作、寫一個(gè)字節(jié)、寫一個(gè)命令、寫一個(gè)數(shù)據(jù)、反顯設(shè)置等。

然后需要確定要在哪個(gè)位置顯示內(nèi)容。由于OLED屏幕是128×64的，類似于一個(gè)128列64行的陣列，每個(gè)位置都可以控制其中一個(gè)小燈泡的亮滅。因此，在顯示任何內(nèi)容之前，需要確定要顯示內(nèi)容的位置信息，例如第幾列、第幾行、顯示的字符或圖形所占用的位置范圍等。這就需要使用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的確定頁(yè)尋址模式，來(lái)確定所需的位置信息，然后控制OLED顯示模塊將對(duì)應(yīng)的小燈泡點(diǎn)亮，從而顯示出所需內(nèi)容。

在確定了OLED顯示模塊需要顯示數(shù)據(jù)的位置之后，接下來(lái)需要確定具體顯示的內(nèi)容。在具體操作過(guò)程中，需要將要顯示的字符、符號(hào)、數(shù)字等數(shù)據(jù)通過(guò)寫入16進(jìn)制代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的燈泡點(diǎn)亮。例如，如果要顯示一個(gè)字符或符號(hào)，需要將其對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制代碼輸入到OLED顯示模塊中，從而讓對(duì)應(yīng)的燈泡點(diǎn)亮，呈現(xiàn)出想要顯示的內(nèi)容。然而，手動(dòng)編制每個(gè)字符或符號(hào)的16進(jìn)制代碼非常煩瑣且容易出錯(cuò)，因此，可以使用工具生成字符庫(kù)，從而簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，大大提高效率和準(zhǔn)確性。

字符庫(kù)生成工具可以為圖片、字符、數(shù)字等生成相應(yīng)的字符庫(kù)，非常方便快捷。在工具中，可以選擇字符模式或圖形模式，將需要生成的內(nèi)容輸入進(jìn)去，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)配置，就可以生成相應(yīng)的字符庫(kù)。在程序中，只須將該字符庫(kù)復(fù)制貼至程序文件中，在需要時(shí)直接調(diào)用即可。通過(guò)合理應(yīng)用字符庫(kù)生成工具，可以讓程序設(shè)計(jì)更加高效、準(zhǔn)確。屏幕子程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由傳統(tǒng)的谷物烘干機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造而來(lái)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)大致流程就是手動(dòng)開始烘干糧食，手動(dòng)檢測(cè)谷物水分，然后到達(dá)烘干時(shí)間后手動(dòng)停止。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了大幅度改造，DHT11溫濕度傳感器模塊，可以讓其顯示實(shí)時(shí)谷物的水分與實(shí)時(shí)的溫度，并且可以自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的啟停與熱風(fēng)的啟停，同時(shí)增加了ESP8266Wi-Fi模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)，以此來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)谷物烘干的程度。通過(guò)傳感器與繼電器的配合，來(lái)實(shí)現(xiàn)烘干智能化，不僅提高了谷物烘干的效率，也大幅度減少了人們的工作量，這些模塊的使用不僅極大地增強(qiáng)了該控制系統(tǒng)的控制功能，也更加完善了該控制系統(tǒng)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】