CN104729174B - 用于农作物烘干的热泵干燥控制器及其控制方法 - Google Patents

用于农作物烘干的热泵干燥控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于农作物烘干的热泵干燥控制器及其控制方法，它包括控制板和上位机系统，所述上位机系统包括人机界面和图像处理模块，控制器采用三段式变温循环干燥工艺，操作员根据农作物的初始条件在上位机系统选择所需的干燥模式后，控制器自动控制物料的烘烤过程，同时，上位机系统监视并记录系统运行情况；控制器在干燥过程中通过工业相机实时采样物料的图像，并根据物料图像的处理结果微调烘干方式。本发明解决了农作物热泵自动干燥技术，能够保证烘干后农作物的外观品质和营养价值；控制器运行可靠，烘干后的物料质量稳定；系统干燥效率高，能耗低，无需人工干预，降低了烘干成本；干燥过程中无污染物排放，无噪音污染。

Description

用于农作物烘干的热泵干燥控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种热泵控制器，具体涉及一种用于农作物烘干的热泵干燥控制器及其控制方法。
背景技术
随着热泵干燥技术的成熟，烟叶、草药等采用热泵技术烘干，但是目前热泵控制器存在以下问题：
操作员需要根据经验控制干燥过程，要求操作员及时应对干燥过程中出现的各种问题，干燥效果受人为影响较大，导致产品质量不稳定，干燥效率不高。
目前农作物主要使用热风干燥技术，该技术温度调节不精确，能耗高，干燥过程中有污染物排放。
发明内容
本发明为解决上述技术的不足，提供一种用于农作物烘干的热泵干燥控制器及其控制方法，能保证烘干后的农作物具有良好的外观品质和营养价值。
本发明的思路是，考虑到粮食在干燥过程中经历预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段，结合粮食在干燥过程中淀粉、蛋白质成分随着含水率的改变而变化的情况，使用三段式变温循环干燥工艺，即初始阶段采用较大升温速率高温短时间烘干农作物随后以低温持续烘干农作物最后恒温缓苏，再按照这个过程循环干燥。针对玉米、稻谷、小麦、豆类等农作物在不同初始含水率的情况下设计了不同的升温速率、加热时间、缓苏时间和干燥循环次数，将所设计的温、湿度曲线存储在上位机系统；并且在干燥过程中根据农作物采样图像的分析处理结果微调烘干过程中的升温速率、加热时间，从而保证了烘干后的农作物具有良好的外观品质和营养价值。
本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的一种用于农作物烘干的热泵干燥控制器，它包括上位机系统和控制板，所述上位机系统包括人机界面和图像处理模块；所述控制板通过通信模块实现控制板中的MCU模块和上位机的通信；
所述控制板包括MCU模块和与其连接的电流检测模块、通信模块、电压检测模块、温/湿度传感器、电源模块、图像采集模块、继电器输出模块、存储模块；所述继电器输出模块控制蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热、故障报警器、风门电机的启动与停止；控制板通过温/湿度传感器采集物料的温度，根据采集到的温度和设定值进行比较，若采集到的温度持续低于设定温度曲线当前值，在低于温度设定值的这段时间里，按照开蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热的顺序，控制继电器输出模块依次打开这些设备；若采集到的温度持续高于设定值，按照关电加热、压缩机、关冷凝风机的顺序依次关停这些设备；所述温/湿传感器用于采集物料的湿度，与设置的湿度曲线相比较，据此控制风阀的开度。
所述人机界面包括登陆界面、参数设置模块、运行监视模块、故障报警模块，操作员通过登陆界面进入参数设置模块、运行监视模块和故障报警模块；
所述运行监视模块实时监控控制系统的运行情况。
所述参数设置模块存储了多种干燥模式，可以针对不同初始条件下不同种类的农作物的特点选择相应的干燥模式，控制系统在自动操作模式下根据所选择的干燥模式自动控制农作物的干燥过程。
所述的用于农作物烘干的热泵干燥控制器，所述MCU模块采用具有100Mhz高操作频率的Cortex-M3内核微处理器LPC1766作为控制板的核心，该处理器中断速度快，功耗低，成本效益高。
所述电流检测模块采用基于电流镜结构的电路检测三相电流，该电路中的电感、电容、电阻、功率管和二极管组成降压转换器拓扑结构，检测三相电流，若电流过大，则MCU模块发出停机信号给继电器输出模块，同时在故障报警模块显示相应报警信息；
所述通信模块使用具有低功耗和高通信速率的RS485收发器MAX485ESE来实现MCU模块与上位机系统的通信；
所述电压检测模块由TC783A和外围电路组成，用于检测三相电压，如果出现缺相或者相序错误，则MCU模块发出停机信号给继电器输出模块，同时在故障报警模块显示相应报警信息；
所述温/湿度传感器包括泵房内的上棚温度传感器、上棚湿度传感器、下棚温度传感器以及下棚湿度传感器，温/湿度传感器使用单总线数字传感器DS18b20；
所述电源模块采用LM2576作为核心元件，配合相关外围电路把输入的6-24V直流电压经过稳压后输出5V直流电压；
所述图像采集模块采用TMS320DM642作为核心器件，该模块使用彩色CCD摄像头采集现场图像，摄像头输出的模拟信号通过SAA7115进行数字化处理后上传至上位机系统，上位机系统通过图像处理模块进行图像处理，包括裂纹的识别和物料颜色的识别，MCU模块根据图像处理的结果自动调整烘干方式；
所述继电器输出模块采用PC817光电耦合电路驱动接触器，控制蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热的启动与停止以及风门的开度；
所述存储模块包括为SD卡和为其提供3.3V电源的电压转换芯片REG1117-3.3实现数据存储。
所述的用于农作物烘干的热泵干燥控制器的控制方法，包括以下步骤：
①操作员由登陆界面进入参数设置模块，根据农作物的初始条件选择一种干燥模式，也可以手动设置工艺曲线，随后选择“自动运行”；
②MCU模块将所选的干燥模式内包含的温度曲线和湿度曲线作为参考曲线；
其温度控制过程为：把温/湿度传感器采集到的温度同温度参考曲线作比较，若温度传感器采集到的温度持续低于参考温度曲线当前值，在低于参考温度曲线当前值这段时间里，按照开冷凝风机、蒸发风机、压缩机、电加热的顺序，MCU模块控制继电器输出模块依次打开这些设备；若采集到的温度持续高于参考温度曲线当前值，按照关电加热、关蒸发风机和压缩机、关冷凝风机的顺序依次关停这些设备；
其湿度控制过程为：把温/湿度传感器采集到的湿度同湿度参考曲线作比较，若物料的湿度在30s内持续高于湿度参考曲线当前值，则风门开启5°，风门开启后，若物料的湿度仍高于湿度参考曲线当前值时间长达30s，则风门继续开大5°，风门每次开大的角度为5°，直到风门开启90°为止；若物料的湿度在30s内持续低于湿度参考曲线当前值，则风门关闭5°，若物料的湿度持续低于湿度参考曲线当前值时间长达30s，则风门继续关闭5°，风门每次开大的角度为5°，直到风门完全关闭；
③系统自动运行开始后，图像采集模块通过彩色CCD相机每隔10s采集一次物料的图像，图像采集模块对图像进行中值滤波后发送给上位机系统，上位机系统通过图像处理模块对滤波后的物料图像进行处理，计算焦糊率和裂纹率，MCU模块根据物料图像的处理结果微调烘干方式；
④根据所选干燥模式确定上述②～③步骤的循环次数。
本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：
①该热泵干燥控制器使用三段式变速率循环干燥工艺，针对不同品种、不同含水率的农作物在干燥过程中的特点设计了相应的干燥模式，并存储在上位机系统。控制器根据所选择的工作模式自动控制压缩机、风机、风门的工作状态，精确调节干燥箱内的温度和湿度，工作效率高，操作简便，烘干后的物料质量稳定，节约了烘干成本。
②对现场采集到的物料图像进行裂纹率和焦糊率的分析，控制器根据分析处理结果自动调整工作模式，保证烘干后农作物的品质。
③干燥过程中无污染物排放，无噪音污染。
④针对干燥设备设计了相应的保护方式，延长了它们的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的控制系统结构示意图；
具体实施方式
下面参照附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
本发明一种用于农作物烘干的热泵干燥控制器，它包括上位机系统(200)和控制板(100)，所述上位机系统(200)包括人机界面(205)和图像处理模块(206)；所述控制板(100)通过通信模块(102)实现控制板(100)中的MCU模块和上位机(200)的通信；所述控制板(100)包括MCU模块和与其连接的电流检测模块(101)、通信模块(102)、电压检测模块(103)、温/湿度传感器(104)、电源模块(105)、图像采集模块(106)、继电器输出模块(107)、存储模块(108)；所述继电器输出模块(107)控制蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热、故障报警器、风门电机的启动与停止；控制板(100)通过温/湿度传感器(104)采集物料的温度，根据采集到的温度和设定值进行比较，若采集到的温度持续低于设定温度曲线当前值，在低于温度设定值的这段时间里，按照开蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热的顺序，控制继电器输出模块(107)依次打开这些设备；若采集到的温度持续高于设定值，按照关电加热、压缩机、关冷凝风机的顺序依次关停这些设备；所述温/湿传感器(104)用于采集物料的湿度，与设置的湿度曲线相比较，据此控制风阀的开度。
如图1所示，本发明提供的用于农作物烘干的热泵干燥控制器，操作员由登陆界面(204)进入参数设置模块(201)，根据农作物的初始条件选择一种干燥模式，然后选择“自动运行”，热泵控制器开始工作，操作员可以通过运行监视模块(202)实时监控运行数据。
上位机系统(200)通过通信模块(102)将数据传送给MCU模块，MCU模块将所选的干燥模式内包含的温度曲线和湿度曲线作为参考曲线。
温度控制过程为：MCU模块把温/湿度传感器(104)采集到的温度同温度给定值作比较，若采集到的温度持续低于参考温度曲线当前值，时长达到1min，MCU模块控制继电器输出模块(107)启动冷凝风机；冷凝风机启动后，若温度仍低于参考温度曲线当前值，时长达1min，则MCU模块控制继电器输出模块(107)启动蒸发风机、压缩机；蒸发风机和压缩机启动后，若温度仍低于参考温度曲线当前值，时长达3min，则MCU模块控制继电器输出模块(107)启动电加热。若采集到的温度持续高于给定温度曲线当前值，时长达到3min，且如果当时电加热已开启，则关电加热，如果当时电加热未开，则关闭蒸发风机和压缩机；关闭蒸发风机和压缩机后，若采集到的温度仍然持续高于给定温度曲线当前值，时长达30s，则关冷凝风机。
热泵控制器开始工作后，在调节温度的同时，图像采集模块(106)通过彩色CCD相机每隔10s采集一次物料的图像，图像采集模块(106)对图像进行中值滤波后发送给上位机系统(200)。上位机的图像处理模块(206)对滤波后的物料图像进行处理，计算焦糊率和裂纹率。
焦糊率的计算过程为：图像处理模块(206)采用阈值分割法将物料所占用的区域从图像中分割出来，统计分割后图像的像素数，并计算灰度值大于阈值的像素数与物料区域像素数的比值，得到焦糊部分占所有物料的比例。如果焦糊率超过0.5％，则降低升温速率，同时在故障报警模块(203)显示相应报警信息；如果焦糊率超过1％，则降低参考温度值，缩短加热时间，同时在故障报警模块(203)显示相应报警信息；如果焦糊率超过2％，则控制器发出终止干燥指令，同时在故障报警模块(203)显示相应报警信息。
裂纹率的计算过程为：图像处理模块(206)采用分水岭算法从物料现场图像中提取物料的单体颗粒，同时分割叠加在一起的颗粒，并计算颗粒的数目。将颗粒的彩色图像转换为灰度图像，计算单体颗粒每行的灰度指数差分，得到差分曲线，统计存在波谷的曲线数目即得到有裂纹的颗粒的数目，得到裂纹率，裂纹率在0.5％以内，降低参考温度值，缩短加热时间，同时在故障报警模块(203)显示相应报警信息；若裂纹率超过1％，则控制器发出终止干燥指令，同时在故障报警模块(203)显示相应报警信息。
调节温度的过程中，MCU模块的程序设计了如下的保护功能：
①同一台设备的启动和停止时间至少间隔30s。
②当三相电流过大时，电流检测模块(101)检测到大电流并传送给MCU模块，MCU模块输出停机信号给继电器输出模块(107)，关闭设备，并在人机界面(205)显示相应故障信息。
③当三相电压出现缺相或者相序错误时，电压检测模块(103)输出信号给MCU模块，MCU模块输出停机信号给继电器输出模块(107)，关闭设备，并在人机界面(205)显示相应故障信息。
湿度控制过程为：MCU模块把温/湿度传感器(104)采集到的湿度同湿度给定值作比较，当风门关闭时，若物料的湿度在30s内持续高于湿度给定值，则风门开启5°；风门开启5°后，若物料的湿度仍高于湿度给定值时间长达30s，则风门继续开大5°，风门每次开大的角度为5°，直到风门开启90°为止；当风门已经打开时，若物料的湿度在30s内持续低于湿度给定值，则风门关闭5°；若物料的湿度持续低于湿度给定值时间长达30s，则风门继续关闭5°，风门每次关闭的角度为5°，直到风门完全关闭。
本控制器使用三段式变温循环干燥工艺，针对不同品种、不同含水率的农作物在干燥过程中的特点设计了相应的干燥模式，选择所需的干燥模式后控制器自动控制物料的烘烤过程；控制器在干燥过程中实时采样物料的图像，并根据物料图像的处理结果微调烘干方式。该控制器能够保证烘干后农作物的外观品质和营养价值；控制器运行可靠，烘干后的物料质量稳定；系统干燥效率高，能耗低；干燥过程中无污染物排放，无需人工干预，降低了烘干成本。

Claims (5)

1.一种用于农作物烘干的热泵干燥控制器，其特征是，它包括上位机系统(200)和控制板(100)，所述上位机系统(200)包括人机界面(205)和图像处理模块(206)；所述控制板(100)通过通信模块(102)实现控制板(100)中的MCU模块和上位机(200)的通信；
所述控制板(100)包括MCU模块和与其连接的电流检测模块(101)、通信模块(102)、电压检测模块(103)、温/湿度传感器(104)、电源模块(105)、图像采集模块(106)、继电器输出模块(107)、存储模块(108)；所述继电器输出模块(107)控制蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热、故障报警器、风门电机的启动与停止；控制板(100)通过温/湿度传感器(104)采集物料的温度，根据采集到的温度和设定值进行比较，若采集到的温度持续低于设定温度曲线当前值，在低于温度设定值的这段时间里，按照开蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热的顺序，控制继电器输出模块(107)依次打开这些设备；若采集到的温度持续高于设定值，按照关电加热、压缩机、关冷凝风机的顺序依次关停这些设备；所述温/湿传感器(104)用于采集物料的湿度，与设置的湿度曲线相比较，据此控制风阀的开度。
2.如权利要求1所述的用于农作物烘干的热泵干燥控制器，其特征是，所述人机界面(205)包括登陆界面(204)、参数设置模块(201)、运行监视模块(202)、故障报警模块(203)，操作员通过登陆界面(204)进入参数设置模块(201)、运行监视模块(202)和故障报警模块(203)；
所述运行监视模块(202)实时监控控制系统的运行情况。
3.如权利要求2所述的用于农作物烘干的热泵干燥控制器，其特征是，所述参数设置模块(201)存储了多种干燥模式，可以针对不同初始条件下不同种类的农作物的特点选择相应的干燥模式，控制系统在自动操作模式下根据所选择的干燥模式自动控制农作物的干燥过程。
4.如权利要求1所述的用于农作物烘干的热泵干燥控制器，其特征是，所述MCU模块采用具有100Mhz高操作频率的Cortex-M3内核微处理器LPC1766作为控制板的核心，该处理器中断速度快，功耗低，成本效益高；
所述电流检测模块(101)采用基于电流镜结构的电路检测三相电流，该电路中的电感、电容、电阻、功率管和二极管组成降压转换器拓扑结构，检测三相电流，若电流过大，则MCU模块发出停机信号给继电器输出模块(107)，同时在故障报警模块(203)显示相应报警信息；
所述通信模块(102)使用具有低功耗和高通信速率的RS485收发器MAX485ESE来实现MCU模块与上位机系统(200)的通信；
所述电压检测模块(103)由TC783A和外围电路组成，用于检测三相电压，如果出现缺相或者相序错误，则MCU模块发出停机信号给继电器输出模块(107)，同时在故障报警模块(203)显示相应报警信息；
所述温/湿度传感器(104)包括泵房内的上棚温度传感器、上棚湿度传感器、下棚温度传感器以及下棚湿度传感器，温/湿度传感器使用单总线数字传感器DS18b20；
所述电源模块(105)采用LM2576作为核心元件，配合相关外围电路把输入的6-24V直流电压经过稳压后输出5V直流电压；
所述图像采集模块(106)采用TMS320DM642作为核心器件，该模块使用彩色CCD摄像头采集现场图像，摄像头输出的模拟信号通过SAA7115进行数字化处理后上传至上位机系统(200)，上位机系统(200)通过图像处理模块(206)进行图像处理，包括裂纹的识别和物料颜色的识别，MCU模块根据图像处理的结果自动调整烘干方式；
所述继电器输出模块(107)采用PC817光电耦合电路驱动接触器，控制蒸发风机、压缩机、冷凝风机、电加热的启动与停止以及风门的开度；
所述存储模块(108)包括为SD卡和为其提供3.3V电源的电压转换芯片REG1117-3.3实现数据存储。
5.如权利要求1所述的用于农作物烘干的热泵干燥控制器的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
①操作员由登陆界面(204)进入参数设置模块(201)，根据农作物的初始条件选择一种干燥模式，也可以手动设置工艺曲线，随后选择“自动运行”；
②MCU模块将所选的干燥模式内包含的温度曲线和湿度曲线作为参考曲线；
其温度控制过程为：把温/湿度传感器(104)采集到的温度同温度参考曲线作比较，若温度传感器(104)采集到的温度持续低于参考温度曲线当前值，在低于参考温度曲线当前值这段时间里，按照开冷凝风机、蒸发风机、压缩机、电加热的顺序，MCU模块控制继电器输出模块(107)依次打开这些设备；若采集到的温度持续高于参考温度曲线当前值，按照关电加热、关蒸发风机和压缩机、关冷凝风机的顺序依次关停这些设备；
其湿度控制过程为：把温/湿度传感器(104)采集到的湿度同湿度参考曲线作比较，若物料的湿度在30s内持续高于湿度参考曲线当前值，则风门开启5°，风门开启后，若物料的湿度仍高于湿度参考曲线当前值时间长达30s，则风门继续开大5°，风门每次开大的角度为5°，直到风门开启90°为止；若物料的湿度在30s内持续低于湿度参考曲线当前值，则风门关闭5°，若物料的湿度持续低于湿度参考曲线当前值时间长达30s，则风门继续关闭5°，风门每次开大的角度为5°，直到风门完全关闭；
③系统自动运行开始后，图像采集模块(106)通过彩色CCD相机每隔10s采集一次物料的图像，图像采集模块(106)对图像进行中值滤波后发送给上位机系统(200)，上位机系统(200)通过图像处理模块(206)对滤波后的物料图像进行处理，计算焦糊率和裂纹率，MCU模块根据物料图像的处理结果微调烘干方式；
④根据所选干燥模式确定上述②～③步骤的循环次数。
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