微波干燥恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

莫 愁 陳 霖 陳 懿 陳歡歡

MO Chou CHEN lin CHEN yi CHEN huan－h(huán)uan

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014）

（Sichuan Agricultural University，College of Information and Engineering Technology，Ya‘a(chǎn)n，Sichuan 625014，China）

微波一般是頻率為300 MHz～300 GHz的具有穿透特性的電磁波。微波加熱利用的是介質(zhì)損耗原理。物料中的水分子是極性分子，在微波作用下，其極性取向隨著外電磁場(chǎng)的變化而變化［1－3］。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家微波干燥技術(shù)已在輕工業(yè)、食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工等領(lǐng)域得到應(yīng)用；中國(guó)微波干燥技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，目前很多農(nóng)產(chǎn)品都成功應(yīng)用了微波干燥［4］。但是微波干燥時(shí)溫度的測(cè)量及控制仍然不夠成熟［5］。普通微波干燥設(shè)備不能使作物的干燥溫度穩(wěn)定在一定的區(qū)間內(nèi)，作物溫度上升快，干燥后作物的品質(zhì)也有比較大的波動(dòng)，甚至有時(shí)作物會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部焦糊的現(xiàn)象，因此不能大范圍推廣使用［6］。為了達(dá)到自動(dòng)控制干燥室溫度，提高干燥速率和干燥品質(zhì)，設(shè)計(jì)一種能夠在微波干燥過(guò)程中自動(dòng)控制干燥室內(nèi)部溫度，使作物干燥時(shí)的溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，從而保證作物干燥的品質(zhì)。

1 微波恒溫控制系統(tǒng)的工作原理

為了使作物在微波爐中進(jìn)行恒溫干燥，對(duì)微波的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，即通過(guò)微波爐的間斷工作來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫過(guò)程。根據(jù)作物特性，在單片機(jī)中的程序里設(shè)置相應(yīng)的溫度區(qū)間。通過(guò)溫度傳感器測(cè)量干燥過(guò)程中的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)達(dá)到溫度上限時(shí)自動(dòng)切斷微波爐工作電源，使作物溫度降低，直至溫度下限時(shí)自動(dòng)閉合微波爐工作電源，繼續(xù)加熱。通過(guò)微波爐的間斷工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒溫干燥，保護(hù)作物干燥品質(zhì)。

恒溫控制系統(tǒng)中的測(cè)溫電路是最重要的一部分，其電路圖見(jiàn)圖1。

2 微波恒溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

微波恒溫控制系統(tǒng)由溫度測(cè)量系統(tǒng)和質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，設(shè)備簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。微波恒溫控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)微波爐干燥室內(nèi)作物的溫度和質(zhì)量的變化，并由寫(xiě)入單片機(jī)的程序自動(dòng)控制微波爐工作電源的開(kāi)閉，使作物在一個(gè)固定的溫度區(qū)間內(nèi)干燥，從而實(shí)現(xiàn)恒溫干燥。

3 微波恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

恒溫控制系統(tǒng)的硬件由AT89S52單片機(jī)、AD590溫度傳感器、ADC0804 A／D轉(zhuǎn)換芯片、74HC573N鎖存器、繼電器和數(shù)碼顯示塊等組成（見(jiàn)圖3）。根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)計(jì)成溫度測(cè)量及控制系統(tǒng)，其中溫度測(cè)量系統(tǒng)是最重要的部分。

目前的溫度傳感器有熱電偶溫度傳感器、紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器等，但是都存在各種問(wèn)題，如熱電偶傳感器在微波環(huán)境下受微波的影響很大，測(cè)溫不準(zhǔn)確；紅外傳感器測(cè)的只是樣品的表面溫度，不能測(cè)得樣品的內(nèi)部溫度；光纖溫度傳感器造價(jià)太貴［7－9］。因此本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體材料的AD590溫度傳感器。但是由于在微波場(chǎng)中的測(cè)溫環(huán)境非常惡劣，將AD590二次封裝入一端開(kāi)口的薄壁金屬管內(nèi)，以避免微波對(duì)傳感器造成損壞。

圖1 系統(tǒng)測(cè)溫電路圖Figure 1 Temperature measurement circuit

圖2 微波干燥恒溫控制系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)圖Figure 2 Schematic diagram of microwave drying temperature control system

圖3 恒溫控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Hardware structure temperature control system

4 微波恒溫控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)恒溫控制的過(guò)程，系統(tǒng)的軟件需要滿足預(yù)定的工作流程，即讀取溫度。若低于下限，閉合微波爐工作電源；若高于上限，切斷微波爐工作電源。通過(guò)對(duì)微波發(fā)生器的工作情況控制干燥室的溫度，使其在許可區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而達(dá)到恒溫干燥的目的。程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖4。

5 試驗(yàn)效果

將新鮮未脫殼花生以100 g為計(jì)量單位隨機(jī)分成若干份，在不同條件下進(jìn)行干燥試驗(yàn)。干燥功率分6個(gè)檔位：1.20，2.36，3.52，4.68，5.84，7.00 W／g。試驗(yàn)選用1.20，2.36，3.52 W／g 3個(gè)功率進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

5.1 無(wú)恒溫控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

3 種不同功率連續(xù)干燥的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，功率越高花生失水速率越快，最高達(dá)3.2 g／min，最高溫度可達(dá)100℃以上。在1.20 W／g的功率因素下，干燥1 h后失水31.4 g，部分花生焦糊，溢出少量花生油，干燥品質(zhì)差；在3.52 W／g的功率因素下，僅僅干燥了20 min，花生便產(chǎn)生了焦糊現(xiàn)象，溢出大量花生油，干燥品質(zhì)極差。

圖5 花生的失水速率曲線圖（無(wú)恒溫控制）Figure 5 Water loss rate curve of peanut（Out of the system）

5.2 有恒溫控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

使用相同批次花生作為試驗(yàn)材料，將溫度區(qū)間設(shè)置為35～40℃。

在3種相同的功率因素條件下進(jìn)行恒溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在3.52 W／g的功率下，干燥到第5分時(shí)數(shù)據(jù)顯示其失水速率最大，達(dá)到了1.0 g／min，其他兩種功率的最大失水速率均在0.8 g／min以下；當(dāng)進(jìn)入恒速干燥時(shí)（干燥15 min以后）花生的失水速率均在0.5 g／min以下；在3.52 W／g的功率下失水質(zhì)量最大，達(dá)到了23.2 g。干燥完成后花生子葉外觀正常，無(wú)花生油溢出，同自然條件干燥的花生基本無(wú)區(qū)別，干燥品質(zhì)較好。

圖6 花生的失水速率曲線圖（恒溫控制）Figure 6 Water loss rate curve of peanut（Under the system）

通過(guò)分析兩種干燥環(huán)境下花生干燥后的數(shù)據(jù)及品質(zhì)，可知該微波干燥恒溫控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ桓稍镒魑锏臏囟冗M(jìn)行有效的控制，實(shí)現(xiàn)恒溫干燥。

6 結(jié)束語(yǔ)

該微波恒溫控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)微波干燥室內(nèi)部被干燥作物的溫度以及質(zhì)量，并通過(guò)控制微波爐工作電源的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)間斷性微波干燥，使被干燥作物的溫度穩(wěn)定在設(shè)定的區(qū)間內(nèi)，保證了被干燥作物的干燥品質(zhì)。經(jīng)試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠較好的達(dá)到預(yù)定效果，實(shí)現(xiàn)微波干燥的恒溫控制。

本試驗(yàn)系統(tǒng)以格蘭仕WBBH0809型微波爐為平臺(tái)，并添加自己設(shè)計(jì)制作的恒溫控制系統(tǒng)、質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、制作成試驗(yàn)用的微波恒溫控制系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)以較小質(zhì)量的作物樣品作為試驗(yàn)對(duì)象取得了一定成績(jī)，待到技術(shù)完善后，可以發(fā)展為流水線工作式的大型化的微波恒溫干燥設(shè)備。

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