谷物烘干機水分監測和溫度控制系統的設計

程麗娟 何強龍 姜通勝 杜東瑾 劉建明

摘要：本系統的設計利用單片機控制技術實現了烘干機的水分檢測與溫度控制系統，其中的主控核心芯片選用了STM32單片機，并接入了DHT11溫濕度傳感器模塊以及ESP8266Wi-Fi模塊，可以通過OLED顯示器實時顯示谷物含水量以及溫度，可以實現遠程監測，當谷物含水量達到所設定的閾值時或熱風溫度達到閾值時，DHT11傳感器能夠給繼電器傳遞信息，繼電器可以控制風機與加熱絲的啟停，利用單片機技術使需要很多人力的烘干作業實現智能化。通過功能調試和可靠性測試后，本系統的設計可實現設計之初的預期功能并能很好地完成人們所想要完成的工作，而且在長期運行狀態下仍然可以保持穩定可靠，同時，該設計在方案的成本上得到有效控制，使得本次設計成果具有非常高的實用價值，性價比高，可用于實際應用的推廣。

關鍵詞：STM32單片機；實時顯示；遠程監測；自動控制系統

中圖分類號：TK91? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）35-0103-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

谷物烘干機可以提升食品的品質，已經成為各類谷物的儲備、糧食加工廠以及其他相關的食品加工廠所必備設備，它的市場需求變得越來越大。而烘干機開發難點在于能耗、質量還有運行模式等，能耗與人工成本相關，但是烘干質量卻要靠產品的自身技術。運行模式是關鍵，即建立起來烘干體系，糧食烘干機是政府對農機方面補貼的重點，但目前看來，都是以補貼烘干機方式來進行，以至于政府無法做到掌握作業的質量以及數量，政府怎樣從機具補貼改成烘干糧食補貼，減少資源的浪費，是政府服務于人民的更好方向[1]。隨著近年來國家和政府對農業生產日益注重，農業生產受到不同層面政府的投資和補助，我國的農業機械化發展越來越好、越來越快。國內外對烘干機的研究已經相當豐富，但是結合具體研究成果，這些研究大多專注于技術層面。我國烘干機的制作成本價格相比于國外的價格低了一半，但是大部分大型烘干機由于體積較大、維修成本高、安裝調試困難，所以價格已經不是最大的優勢了，現在的烘干機企業想走出市場走向國外需要專注修煉內在。對于谷物烘干來說，機械化是其中的關鍵環節。隨著近年來我國的農業規?；洜I以及機械化收獲水平的快速增長，逐漸縮短了糧食收獲期，因此，大批的谷物如何得到及時的烘干，并能夠及時進行安全存放，是目前亟待解決的糧食難題[2]。

隨著谷物烘干機投入實際應用，農業生產條件得到了顯著優化。烘干機所采用的立體烘干技術，烘干的過程中充分利用了高層的空間，顯著縮小了烘干場地的所需占地面積。此外，烘干出來的糧食也更能保證其烘干品質，在糧食烘干過程中，它自動監測含水率的變化，從而保證了糧食烘干所要達到的含水率最佳標準。谷物烘干的過程需要在密封的環境中進行操作，這樣能夠有效防止因空氣潮濕、陰雨等因素對烘干質量造成影響[3]。

1 谷物烘干系統控制方案

本系統的主要內容是谷物烘干機水分在線監測系統的設計。根據谷物烘干機控制系統的研究，設計了一種以STM32單片機為基礎，以DHT11傳感器為硬件系統核心的水分在線監測裝置，通過程序進行溫度的控制以及ESP8266Wi-Fi模塊的加入，從而實現自動控制以及遠程監測。谷物烘干機的遠程監控是基于遠程監控技術而開發出來的功能，它可以滿足烘干過程中對多樣性數據進行監控的需要，通過對烘干系統的整體性功能進行開發，再加上遠程檢測，能夠做到對谷物烘干的智能化控制和監測。通過遠程監控，對整個谷物烘干過程的數據進行監控，從而實現了智能控制烘干的全部流程[4]。要求將被控系統的熱風溫度控制在25～40℃，當溫度低于或高于設定閾值時應能自動進行調整，關閉加熱或者關閉風機。要達成的目標為：

1） 含水量達到設定閾值會停止烘干與加熱。

2） 溫度控制在25～40℃。

3） 將含水量在規定時間內從60%下降到40%。

具體的流程描述為：高水分谷物經進料斗進入調質倉，當調質結束后，由提升機送至烘干倉進行烘干，在烘干倉內有溫濕度傳感器用來監測溫度與濕度。烘干結束時，烘干倉內部的濕度在12%左右，這個數值是根據谷物烘干的經驗來確定的，當烘干倉內部濕度降到12%左右時，谷物就已經達到了合適的干燥程度，可以進行下一步的操作，例如儲存、加工或銷售等，然后流程結束。不同種類的谷物其適宜的濕度范圍可能會有所不同，因此在使用烘干機進行谷物烘干時，需要根據具體的品種和工藝要求進行設置和調節。

2 谷物烘干系統硬件設計

在實際應用中，單片機需要進行程序下載和運行調試等操作，因此，最基本的硬件設計包括電源和晶振的鏈接、復位電路和時鐘電路的設計。在Proteus仿真軟件中，單片機自帶最小系統部分，因此即使未繪制這些部分也可以進行正常的仿真。但在實際的硬件設計中，這些部分是必不可少的。通過正確的硬件設計和仿真測試，可以確保單片機按照預期正常工作，為后期的編程和控制提供良好的基礎。STM32單片機如圖 2所示。

2.1 溫度濕度傳感器的介紹及選型

在實際的設計中，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，通過查閱各種類型的溫濕度傳感器和數據手冊，最終，確定了一款符合本次設計要求并且容易操作的傳感器，即DHT11溫濕度傳感器。它具有良好的性價比，強大的抗干擾性和高度符合人們對氣體檢測器的基本要求。因此，最終選擇了DHT11作為本次設計中的溫度濕度檢測部分。

2.2 紅外線傳感器的介紹及設計

紅外線又稱紅外光，它有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。對于紅外線而言，不管是任何物質，有任何物理特征，只要它的溫度高于絕對零度，都會向外輻射出紅外線，而絕對零度是目前宇宙理論上的最低溫度，對于目前人類認知水平而言，還沒有任何物質低于絕對零度，因此，理論上來說，紅外線傳感器可以檢測任何物質。此外，紅外線傳感器在進行測量時，不需要直接接觸被測物體，故而不存在摩擦，并且因其所具有的性質，紅外線傳感器具有反應速度快、靈敏度高等優點[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，使其電阻產生改變（由于熱敏電阻器可以分成溫度系數為正值的熱敏電阻器和正值的溫度系數為負值的熱敏電阻器），并經過一個變換電路而成為一個電信號輸出[6]。

2.3 顯示模塊的介紹及選型

為了確定最適合本次設計的顯示器，在查詢資料的基礎上，從多方面對比了這兩款顯示器。首先，在功耗方面，人們發現OLED顯示屏比LCD屏幕要低一些，在某些情況下具有一些優勢。其次，在響應時間和動態顯示方面，OLED顯示屏表現更好，響應時間更短，動態顯示更加突出，可以提供更加流暢的視覺體驗。此外，在硬件電路連接上，OLED顯示屏的引腳數量要少一些，比較靈活，具有更高的可集成性。綜合比較下來，人們認為OLED屏幕在各個方面都有明顯的優勢，可以為人們的設計提供更好的幫助和表現，因此決定最終選擇OLED顯示屏作為本次設計的顯示模塊，以滿足人們的需求和要求。

2.4 ESP8266模塊

ESP8266是一種強大的Wi-Fi模塊，它由ESPRESSIF SYSTEMS公司開發，可以實現與網絡通信的功能。ESP8266在物聯網中被廣泛使用，可以通過串行通信接口連接到微控制器，例如Arduino，以實現智能家居、智能燈光、智能車輛等應用場景。

3 谷物烘干系統軟件設計

3.1 主程序設計

程序的主要設計流程可以總結如下：首先進行初始化，包括對各個模塊的引腳、模式、波特率等參數進行設置。然后，通過控制器接收來自DHT11處理的溫濕度傳感器檢測到的數據。此時，程序將分別將接收到的溫度和濕度值與事先設置好的溫濕度預設值進行比較，根據比較結果處理相應的邏輯控制。具體來說，會有以下幾種情況：

情況一：溫濕度傳感器檢測的數據未達到設定的閾值，意味著谷物水分還未烘干到指定數值，此時風機與熱風會一直保持開啟狀態，知道谷物的水分達到設定的閾值時，停止加熱與吹風。

情況二：當其中任意一數值達到設定閾值時也會有不同情況，當熱風溫度超過設定溫度時繼電器1會關閉停止加熱，但水分未達到指定量時，風機會繼續吹風。當水分達到設定閾值時，繼電器1和3會關閉使風機與熱風會停止。遮擋紅外傳感器時繼電器2打開。

以上所述的幾種情況，是本設計的核心控制邏輯，也是設計的重點所在。這個檢測的過程將一直持續進行，并根據檢測結果的不同來執行相應的邏輯決策，以實現所設想的溫濕度控制和管理功能。在這個過程中，通過對溫濕度值的檢測和預設值的比較，程序可以進行自我調整和優化，以實現環境的良好維護和控制。這種持續的檢測和決策過程，可以讓控制系統具有很強的適應性和穩定性，能夠在變化多樣的環境中保持良好的運作狀態。如圖4主程序的運行流程圖。

3.2 DHT11子程序設計

本設計主要由DHT11作為主要檢測元件，它起到了至關重要的作用，通過檢測到的溫濕度數據來控制繼電器。然后，來控制風機的啟停與熱風的開啟和關閉。DHT11時序圖如圖4 所示。

DHT11的整個交流過程，第一個步驟是：由主控端發出啟動訊號，由主控端發出對應訊號，然后由主控端回復信號。第二個步驟：將主訊號線拉高，為接收資料做好準備。第三步驟：啟動數據的接收（每次40比特）。

第一步：DHT11通電后（DHT11通電后，需要1S的時間來度過一個不穩定的階段，在這段時間內，DHT11不能發出任何命令），對周圍的溫度和濕度進行檢測，并對數據進行記錄，并通過上拉電阻將DHT11的DATA數據線拉高，使其始終處于高電平；在這一點上，DHT11的數據管腳被設置為輸入，并且在該時間點上對外界信號進行檢測。

第二步：將微處理器的I/O設定為輸出，并同時輸出一個低電平，而且在低電平所需要保持的時間不少于18 ms，接著將微處理器的I/O設定為輸入，因為上拉電阻的原因，微處理器的I/O，也就是DHT11的DATA數據線也因此升高，DHT11做出回復信號后，發送信號如圖5所示。

第三步：當DHT11的DATA管腳探測到有一個低電平的外界信號時，DHT11的DATA管腳就會進入一個輸出模式，并將一個80微秒的低電平輸出作為一個響應信號。隨后將會輸出80微秒的高電平，并使外部的設備進行接收數據的準備，此時的微處理器I/O為輸入，在檢測到I/O有低電平（DHT11應答信號）后，等待80微秒。

第四步：從DHT11的DATA引腳輸出40位數據，此時，微處理器會根據I/O電平變化為根據來接收這40位數據，位數據“0”的格式為：50～55微秒的低電平以及25微秒左右的高電平，位數據“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和控制器的電路進行連接是十分簡單，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VCC和GND進行供電[8]。

3.3 OLED顯示模塊子程序設計

在本次設計中，另一個重要的模塊是顯示模塊。經過對比，最終選擇了OLED顯示模塊。與其他模塊相比，該模塊的優點更多，優勢也更為明顯。查詢數據手冊后，了解到該模塊的工作過程包括以下幾個部分。

首先進行初始化，對OLED的各個功能進行定義。這包括OLED開始工作、OLED結束工作、寫一個字節、寫一個命令、寫一個數據、反顯設置等。

然后需要確定要在哪個位置顯示內容。由于OLED屏幕是128×64的，類似于一個128列64行的陣列，每個位置都可以控制其中一個小燈泡的亮滅。因此，在顯示任何內容之前，需要確定要顯示內容的位置信息，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。這就需要使用數據手冊中的確定頁尋址模式，來確定所需的位置信息，然后控制OLED顯示模塊將對應的小燈泡點亮，從而顯示出所需內容。

在確定了OLED顯示模塊需要顯示數據的位置之后，接下來需要確定具體顯示的內容。在具體操作過程中，需要將要顯示的字符、符號、數字等數據通過寫入16進制代碼來實現對應的燈泡點亮。例如，如果要顯示一個字符或符號，需要將其對應的16進制代碼輸入到OLED顯示模塊中，從而讓對應的燈泡點亮，呈現出想要顯示的內容。然而，手動編制每個字符或符號的16進制代碼非常煩瑣且容易出錯，因此，可以使用工具生成字符庫，從而簡化這個過程，大大提高效率和準確性。

字符庫生成工具可以為圖片、字符、數字等生成相應的字符庫，非常方便快捷。在工具中，可以選擇字符模式或圖形模式，將需要生成的內容輸入進去，并進行相關參數配置，就可以生成相應的字符庫。在程序中，只須將該字符庫復制貼至程序文件中，在需要時直接調用即可。通過合理應用字符庫生成工具，可以讓程序設計更加高效、準確。屏幕子程序設計流程圖如圖6所示。

4 結束語

本設計系統主要由傳統的谷物烘干機的系統進行相應的改造而來，傳統的控制系統大致流程就是手動開始烘干糧食，手動檢測谷物水分，然后到達烘干時間后手動停止。在此基礎上，對其進行了大幅度改造，DHT11溫濕度傳感器模塊，可以讓其顯示實時谷物的水分與實時的溫度，并且可以自動控制風機的啟停與熱風的啟停，同時增加了ESP8266Wi-Fi模塊，能夠實現遠程檢測，以此來實時檢測谷物烘干的程度。通過傳感器與繼電器的配合，來實現烘干智能化，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了該控制系統的控制功能，也更加完善了該控制系統。

參考文獻：

[1] 張軍，孫守民.高效谷物烘干機智能控制及作業監管系統[J].農業裝備與車輛工程，2019，57（S1）：77-82.

[2] 本刊編輯部.谷物烘干機械市場前景可期[J].農機市場，2021（9）：1.

[3] 韓長生，佟童，姜巖，等.不同種類谷物烘干機技術特征與合理選擇[J].農機使用與維修，2022（7）：4-6.

[4] 貢軍，陳露瑤，柏雨晴.谷物烘干機遠程監控系統的性能研究[J].農機質量與監督，2020（7）：23，43.

[5] 王翠芝.多傳感器融合技術在移動機器人中的應用[D].北京：北方工業大學，2010.

[6] 李嘉欣.紅外感應智能筷子的設計[J].產業與科技論壇，2015，14（21）：49-50.

[7] 湯義好，趙子洲，周洋.基于樹莓派的語音智能節能系統的研究與終端設計[J].河南科技，2022，41（1）：20-24.

[8] 劉小濱，劉寅，沈文浩.基于STM32單片機的環境溫/濕度遠程監控系統設計[J].中國造紙學報，2022，37（3）：118-125.

【通聯編輯：梁書】