紅外復合加熱型連續式智能串烤機設計與試驗

王松磊，弋偉國，王彩霞，何建國，康寧波，羅瑞明

紅外復合加熱型連續式智能串烤機設計與試驗

王松磊1,2，弋偉國1，王彩霞1，何建國1,2※，康寧波2，羅瑞明1

（1.寧夏大學農學院，銀川 750021；2．寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021）

基于Android平臺與ATMEGA328P嵌入式系統開發，結合溫控模型及傳熱分析等多種技術優化研制連續型自動串烤工藝系統及設備。結合中紅外與電熱管復合加熱及同步鏈輸送系統，設計出能適應不同直徑的自旋轉插拔式串簽夾持機構實現物料連續化烤制，建立烤制過程基于熱量平衡原理的溫度控制模型，結合自適應粒子群算法（PSO）優化神經網絡PID算法實現設定參數恒溫控制，利用紅外熱成像技術對不同功率紅外烤制肉制品的傳熱特性、輻射穿透深度、中心截面溫度分布進行分析，開發完成了Atmega328P單片機邏輯運算控制系統及Android 端觸屏控制界面，并對該樣機工藝系統肉制品連續烤制效果進行分析。系統試驗結果表明：同步鏈輸送系統與自旋機構結合實現連續化烤制過程，自旋轉插拔式串簽夾持器可適應直徑2～6 mm范圍串簽，機構夾持力應不低于0.265 N，設備運行速度1 m/min時串簽旋轉速度5.3 r/min，恒溫控制采用PSO優化神經網絡PID模型得=0.218 1，=0.63，=-0.151 9，烤制溫度設定為160 ℃時上下偏差分別為2.4 與2.7 ℃，最大波動范圍5.1℃；不同功率紅外管烤制物料表面溫度達到100 ℃左右時，2 000 W中波紅外管烤制效果較好，物料輻射傳熱穿透層深約2 mm，內部則以熱傳導為主，內外溫差約25 ℃；ATMEGA328P嵌入式控制系統動作準確，Android觸屏控制界面操作響應靈敏；物料烤制時間最短為6 min，生產能力為1 200串/h，為工業連續化串烤生產提供技術參考。

溫度控制；模型；傳熱；連續式串烤機；ATMEGA328P嵌入式系統；Android平臺

0 引 言

烤肉制品因其充分的美拉德反應及濃郁獨特口感風味深受消費者喜愛，也促進了對肉制品烤制設備的廣泛研究。傳統的碳烤方式逐步被燃氣及電烤等較為健康方式替代，智能環保、安全健康的新型烤制設備也成為重要研究方向。目前市場上出現的新型燒烤設備主要有電加熱型及燃氣型，雖然比較環保，但連續自動化程度不夠，缺乏標準化生產工藝規程，效率低下，不能較好滿足串烤食品規模化生產需求，且缺乏肉品烤制傳熱與品質形成物性學研究理論基礎，質量參差不齊。

研究基于Android-ATMEGA328P控制系統，通過多種技術優化研制出能夠較好滿足市場需求的連續化紅外輻射加熱型自動串烤設備。Android平臺因其開放性、兼容性受到眾多應用者的支持，形成多種獨具特色的數據采集及控制功能，成為目前最具潛力的智能控制系統。當前基于Android操作平臺與智能處化理器相結合的控制系統在農業信息化及加工裝備領域得到廣泛應用，成為支撐智慧農業發展的重要技術手段。郭文川等[1-2]基于 Android 手機平臺構建了一種植物葉片面積快速無損測量系統能夠有效測量小麥等植物葉片面積；陳美鎮等[3]基于Android 的智能網關應用軟件開發了以 Exynos4412 為核心處理器的智能網關，實現溫室環境監測中異構網絡的統一管理；吳亞壘等[4]提出一種基于STM32F101和STM32F103 嵌入式技術，結合 4G互聯網、局域WIFI 通信技術及超聲波靶標檢測算法，達到人機分離與精準施藥目的。同時Android平臺在田間管理遠程輔助決策系統[5-8]、免耕播種機監控系統[9-10]、土壤、大氣條件監控系統[11-13]得到廣泛研究應用，檢測達到較高精準度，實現農業信息大數據存儲和智能化管理，并配合機械設計開發出多種智能型裝置[14-15]，為連續式串烤裝備自控系統研發提供技術支撐。

溫度對肉制品烤制風味品質起決定性作用，串烤設備核心技術更在于溫度精準控制及場分布均勻性，部分學者也對烤爐及肉串的溫度分布進行建模分析[16-17]，本文結合自適應粒子群算法優化神經網絡PID溫度控制方案及串簽自旋轉輸送機構設計實現肉串準確控溫下的勻場烤制，利用紅外熱成像技術分析烤制過程肉制品溫度場分布及傳熱過程，解析紅外輻射加熱對肉制品不同層深的水分蒸散及品質影響，促進工業連續化串烤裝備系統技術升級及應用。

1 系統設計及原理

1.1 設備工藝流程設計

針對當前市場對燒烤肉制品及相關休閑食品的需求，設計電熱管對流傳熱與紅外輻射加熱復合型工業化連續式肉制品烤制系統。設備工藝流程設計及關鍵技術如圖1所示。

圖1 設備工藝流程及關鍵技術

整機工藝流程設計包括快速插拔式上簽、恒溫勻溫度場烤制、同步鏈自旋轉輸送連續烤制、自動翻轉抹油及相關工藝參數確定等環節，依據相關工藝系統提出關鍵技術研究。樣機則主要由彈力式串簽夾持機構、物料自旋轉鏈輸送系統、碳纖維紅外與電熱管復合加熱系統、Andriod-Atmega328P控制系統、調壓式溫度傳感控制裝置、卸料口外蓋自動翻轉機構、流量可調式刷油裝置、油污收集槽、加熱艙、油煙收集過濾等部分組成，如圖2a、2b所示。設備總長3 500 mm，連續烤制有效距離約3 000 mm，同步鏈傳送在加熱艙運行過程中自動旋轉，右側同步鏈帶U型槽側鏈板主要起串簽支撐作用；紅外加熱管與電加熱管分別安裝于輸送系統上下兩側，肉制品先經過上層紅外高密度熱流烤制形成皮膜減少水分散失，后完成內部蛋白質變性熟化；設備上層進料經過一個往復后同一端底端卸料，另一端回轉處設為刷油區，刷油裝置上部為貯油罐，油在重力作用下經流量調控后，流入棉質刷頭，刷頭具有一定的貯油能力，寬度與串簽長度相當，固定刷頭與運動物料接觸完成刷油過程。輸送系統下端設置可抽出式油污收集槽，側板由推桿電機控制翻轉，便于取出清洗；烤制過程油污槽應保持一定的盛水量，加熱艙上部密封并安裝有油煙收集過濾裝置，電路控制系統安裝于油污槽下部，核心控制采用Atmega328P嵌入式系統，可通過Andriod平臺平板電腦或手機界面藍牙實現控制。物料烤制時間要求與人工烤制過程相當，設定為6～8 min，上下2層有效輸送距離6.4 m，同步鏈運行速度約1 m/min即可保證物料串烤時間不低于6 min，若串簽物料間距設計為4個鏈節長度50.8 mm，則每分鐘可烤制20串，上料可不間斷連續工作，烤制效率1 200串/h，經試驗確定設備總功率14 kW（其中紅外加熱管8 kW，底部兩側電加熱管6 kW）可較好滿足上述烤制要求。

設備啟動后首先啟動加熱管進入預熱階段，當熱電偶檢測溫度達到設定值后，進入烤制階段，紅外管啟動工作，輸送帶運行并開始上簽，將溫度設定值（即輸入控制量）和溫度反饋值同時送入控制電路部分，然后經過調節運算得到輸出控制量，驅動SCR可控硅調壓器相應電壓加到被控對象上，使系統穩定在一定溫度范圍。紅外輻射高熱流密度與低穿透性使肉表皮美拉德反應更充分，形成焦化皮膜阻隔層，保持內部水分，電熱管加熱建立高溫熱場使熱量由外及內逐漸滲透，促進香氣及風味物質形成；使肉制品產生較好的烤制品質。

1.鏈條 2.夾持固定桿 3.夾持機構自旋轉輪 4.嚙合底板 5.紅外加熱管 6.油煙過濾器 7.油煙收集槽 8.油罐 9.鏈托條 10.出料盤 11.加熱管 12.框架 13.減速電機

1.Chain 2.Fixed rods for gripper 3.Self-spin sprocket of gripper 4.Baseboard of action 5.Infrared tube 6.Fume filter 7.Fume collector 8.Oil tank 9.Supporting rods 10.Tray 11.Heating pipe 12.Frame 13.Deceleration

a. 設備結構原理圖

a. Equipment structural principle picture

圖2 設備原理結構及實物圖

2 工藝系統關鍵技術研究

2.1 插拔式串簽夾持機構設計

插拔式串簽夾持機構設計應具有串簽插拔方便，夾持效果穩定，并能適應不同直徑串簽的要求。圖3a串桿夾持器的設計結構原理，夾持器采用半圓剖2瓣夾具組成，2部分通過油封彈簧固定連接，首先利用半圓剖組成夾緊機構，夾緊機構中間有一直徑2 mm長孔，入口處設計為凹形錐體，錐面最大直徑為14 mm，便于串簽的定位及插入，外圍彈簧圈固定，適應于2 mm以上到6 mm的竹簽，外部有2個環形半圓槽，半圓槽里安裝鎖固彈簧，使插入竹簽產生較好的夾持力。2爪機構半圓剖部分焊接在夾持機構固定桿中心位置，另外半圓構依靠彈簧固定在半圓剖部分，串簽隨同步鏈輸送過程中固定桿齒輪嚙合而不斷旋轉。整個系統采用減速電機拖動，轉速可在5～15 r/min范圍調節。

注：R為烤制物料圓柱體的半徑，m；Rw為夾持器外徑，m；w為烤制物料轉動角速度rad/s；rp為夾持串簽的半徑，m；Ff為彈簧夾持作用下串簽所受摩擦力，N；Fe為彈簧彈力，N；m為摩擦系數，無量綱。

串簽夾持力及鎖固彈簧彈力是該機構設計重要技術參數，若把串簽物料作為理想的圓柱剛體進行受力分析，如圖3b受力分析，計算串簽物料在轉動過程中的轉動慣量、轉矩及夾持力如下

式中為轉動慣量，kg/m2；為烤制物料單位面積質量，kg；為薄圓環的半徑，為烤制物料圓柱體的質量，kg；d為物料圓柱體的軸向質量元；E為烤制物料轉動動能，J；為為烤制物料轉動線速度，m/s；分別為校正系數及摩擦系數，取1.5~2；為轉矩，=d/d為角加速度；rad/s2；若串簽轉動角加速度d/d=2p/3，rad/s2，則烤制物料半徑=20 mm，則其線速度為10.5 mm/s；串簽半徑R=2 mm，串簽上肉的質量=50 g，校正系數取=2，則彈簧彈力應不低于0.265 N；固定桿嚙合齒輪直徑6 cm，則當鏈輸送運行速度為1 m/min時，串簽自旋轉速度為5.3 r/min，保證物料表面受熱均勻。

2.2 紅外輻射烤制傳熱及效果分析

碳纖維紅外加熱管具有控溫精確、熱流密度高、節能安全等優勢，在食品工業廣泛應用。試驗以羊肉為烤制對象，物料切分規格為2 cm正立方體，分別選用中波范圍功率1 000、1 500、2 000、2 500 W 4種型號（管直徑16 mm，長度為1.5 m）紅外管對物料進行烤制，紅外管與肉制品間距3 cm，物料表面溫度達到100 ℃左右作為烤制終點，利用熱成像技術對不同功率紅外管烤制羊肉通過中心橫截面的溫度分布規律進行對比分析，并用NMR核磁共振技術[18-20]（測試設備及方法見參考文獻）對烤制終點樣本水分布狀況進行分析，如圖4、5、6所示。1 000及1 500 W紅外管烤制輻射傳熱速率內外部基本一致，未產生顯著的溫度變化拐點，但低功率管熱流密度也較低，表面溫度達到100 ℃左右時烤制時間長，MRI核磁共振成像顯示其內部水分失水嚴重，肉質較硬，1 000 W烤制樣本內部最大溫差21 ℃，1 500 W烤制時上下表面溫差則為23 ℃，肉表面也缺乏應有的色澤，說明風味物質形成及美拉德反應不充分；2 000及2 500 W紅外管烤制物料表面出現顯著溫度衰減層，在肉深度2 mm處溫度產生明顯的拐點，說明中波紅外對肉的輻射穿透深度約為2 mm，深度超過2 mm熱量則以傳導為主，溫度在拐點處下降后又呈上升趨勢，說明該層存在水分的大量蒸散帶走熱量溫度降低，樣本內部最大溫差25 ℃，該功率烤制樣品可使表層快速升溫產生皮膜層，減少內部水分散失，如圖6中MRI水分分布圖像所示，樣本內部水分含量相對較高，使烤制肉制品具有較好的口感品質；2 500 W紅外管烤制肉樣本雖然MRI圖像顯示含水量較高，但內部最大溫差高達33 ℃，差值過大使肉制品烤制中產生外糊里生現象，不利于肉制品烤制，因此選用2 000 W紅外管進行烤制效果較佳，確定設備左右兩側安裝紅外管共4根總功率為8 kW。

圖4 不同功率紅外管烤制羊肉通過中心橫截面溫度分布

烤制肉制品效果如圖5所示。

圖5 1 000、1 500及2 000 W紅外管烤制羊肉效果

圖6 不同加熱管烤制終點MRI核磁共振檢測水分分布

試驗進一步選用規格為2 000 W紅外加熱管與每米2 kW（兩側各3根1 kW，距離樣本5 cm，共計6 kW）電加熱管進行非連續式復合烤制，羊肉樣本切分規格為2 cm正立方體，中心插入探針式熱電偶進行溫度測定，系統預熱至設定溫度160 ℃后試驗開始，中心溫度達到 75 ℃時為烤制終點，試驗重復3次取平均值，則中心溫度隨時間變化如圖7所示。

圖7 復合加熱烤制中心溫度隨時間變化規律

肉樣本初始中心溫度為2.3 ℃，冷鮮肉肌纖維結構排列規則，肌肉細胞與水分子結合緊密，水分含量及熱容較高，內外溫差驅動能力弱，升溫較慢；當中心溫度達到20 ℃左右時，此時肉表面溫度已達60～70 ℃，由表及里蛋白質逐漸發生變性，肌肉間隙中有水分、脂肪滲出，肌肉內膜及肌束膜收縮，肌纖維結構排列變緊密[21]，內部物質向外滲出過程中形成熱流擴散通道，同時表面油脂由于升溫較快使熱傳導過程加強，內外溫差加大，肌肉進入快速升溫階段；隨著中心溫度升高至接近70 ℃時，肌肉內部蛋白質變性完成，形成結實緊密且富有彈性的空間結構，熱導率降低，且水分、油脂滴落帶走部分表面熱量，肌肉內部升溫速率略有降低；試驗結果顯示烤制時間為6 min時，中心溫度可達74.2 ℃，因此系統烤制6～7 min即可達到烤制熟化要求。

2.3 改進粒子群算法優化的神經網絡PID恒溫控制模型

溫度精準控制是烤制過程中品質形成的關鍵因素，通常電加熱烤制設備溫度控制過程具有慣性及滯后性強，非線性及慢時變等問題，傳統PID控溫精度較低，難以整定相關參數，控制結果欠佳，利用神經網絡按照有監督的Hebb學習規則實現PID權重系數的自動調整，可達到溫度精準控制的較優效果，但神經網絡PID控制存在超調量過大、穩定時間過長，隨機初始權值易使神經網絡梯度學習陷入局部最優，試驗采用粒子群算法（PSO）對神經網絡PID模型初始值進行優化，并在PSO算法基礎上引入自適應變異操作，對部分變量以一定概率再次初始化，變異操作可拓展迭代運算中不斷縮小的搜索空間，使粒子跳出之前得到的最優位置，同時也可保持種群多樣性，提高算法系統尋優效果及溫度控制精度。

根據烤制過程熱量平衡原理首先得到其溫度控制系統的數學模型[18-21]，某時刻加熱器件發出的熱量等于物料吸收熱量、設備體散失熱量及溢出熱空氣帶走熱量，如下公式（5）所示。

對公式（5）進行整理如下：

對上式進行拉普拉斯變換得，并對相關常數項進行合并簡化整理，得到該系統溫度控制模型

試驗首先基于Matlab軟件采用自適應變異改進的PSO算法對推導出的簡化數學模型進行計算分析，根據初步試驗確定烤制模型參數K1=5，K2=20，tt=10 s，T=20 s，變異算子設定為0.99，進化代數選為400，種群規模設置為40，算法中每個粒子代表一個潛在解，每個粒子代表極值優化問題的一個潛在最優解，用位置、速度、適應度值3項指標表示該粒子特征，適應度最小的粒子確定為最佳權值，最優個體適應度值變化如圖8所示，最終得到最佳初始權值為0.044 2，粒子位置及速度為0.094 8、0.091 9，把0.044 2作為神經網絡PID模型算法初始值進行后續分析。

從圖9中可以看出當烤制溫度設定為160 ℃時，自適應優化后神經網絡PID算法能夠在較短時間內達到穩態，有效避免超調量的產生，系統通過傳感器輸入人為引起20 ℃超調偏差時，溫控系統能夠快速響應，有效消除溫度偏差，體現出該算法較好的調穩功能。右圖則為PID穩定值輸出，最終得到最佳模型=0.218 1，=0.63，=?0.151 9。

注：P、I、D分別為偏差的比例、積分和微分。

設備加熱管功率為14 kW，當烤制溫度設定為160 ℃時，利用常規熱電偶及繼電器通斷控制最高溫度可達168.2 ℃，最低溫度為154.8 ℃，波動范圍13.4 ℃，而采用改進粒子群算法優化神經網絡PID溫控模型，依靠傳感器采集溫度信號，通過ATM32單片機運算后輸出PWM信號，通過PWM占空比改變可控硅調壓器（SCR型50A）對加熱管電壓進行調整，達到恒溫控制目的，則最高溫度為162.4 ℃，最低溫度為157.3 ℃，上下偏差分別為2.4℃與2.7 ℃，最大波動范圍5.1 ℃，顯著優于繼電器通斷控制系統，且減少繼電器控制加熱裝置通斷，在滿足溫度條件的同時減少了能量損耗，實現較好的烤制品質提升及節能目的。

3 基于Android-ATMEGA328P控制系統設計

基于Andriod平臺及Atmega328P單片機的自動控制系統設計研制：控制核心部分采用嵌入式開發系統及溫度傳感模塊、電機驅動模塊、電壓自整定模塊及繼電器控制模塊組成，設備運行采用單片程序控制，并利用平板電腦生成APK文件實現良好的人機界面交互操作，平板電腦與單片機通過USART串行異步接口和藍牙模塊進行通訊；單片機控制程序由C語言編寫，人機交互界面程序由Java語言編寫。烤制過程首先預熱，當溫度達到設定之后進入烤制階段，控制系統原理如圖10所示。

圖10 設備控制系統工作原理圖

3.1 Atmega328P單片機控制系統設計

Atmega328P單片機作為邏輯運算控制核心，該芯片具備1 MIPS / MHz的高速運行處理能力，先進的超功能精簡指令集（RISC）結構，高性能，低功耗的AVR（R）8位微控制器，是一款基于低功耗8位CMOS微控制器,增強的AVR RISC架構，數據吞吐率1 MIPS/MHz，所有寄存器都直接連接到算術邏輯單元（ALU），具有六通道PWM及32KB在系統編程FLASH存儲器和23個可編程的I/O 口，PWM脈寬平滑調速，片內集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能。溫度檢測系統通過標準SPI串行外設總線與MAX6675單片熱電偶數字轉換器連接，熱電偶采用PT100，MAX6675電路內部具有信號調節放大器、12位的模擬/數字化熱電偶轉換器、冷端補償傳感和校正、數字控制器、1個SPI兼容接口和1個相關的邏輯控制；頂蓋升降所用直流推桿電機及串簽旋轉傳動系統的直流電機則由L298N直流電機驅動器控制，驅動器則通過I2C總線方式與單片機進行通訊，電加熱及紅外加熱管則通過單片機根據采集溫度經優化后PID模型進行控制精準控制，加熱器首先與SCR電力控制調壓模塊電路連接，通過MCU接口與單片機進行通訊，單片機與Android系統通訊則通過USART串口及CSR BC04 藍牙芯片實現，CSR BC04 藍牙芯片靈敏度(誤碼率)達到 -80 dBm，內置2.4 GHz天線，發射功率 3dBm，當Android系統啟動藍牙接口時，首先搜索HC-05配對設備建立通訊連接，單片機工作由專用直流5V電源供電，電源正端為VCC，電源地為GND。電路連接方式如圖11、圖12所示。

圖11 Atmega328P單片機控制電路設計圖

圖12 Atmega328P單片機控制電路

3.2 Andriod移動端無線通信與控制界面設計

本文采用Android系統的平板電腦（或手機）作為人機交互和復雜算法處理平臺，其主要作用是執行系統核心算法，通過藍牙模塊實現與單片機的雙工通信，并提供友好的人機交互界面。Andorid是一種以Linux為核心的操作系統，隨著平板電腦、手機、智能終端等移動設備的普及，其市場占有率越來越高。

Andorid系統對藍牙有較好的支持，藍牙近距離通訊具有靈敏度高、信號穩定等特點，非常適合本系統的單片機和Android數據通信頻繁、數據量較大的工況，Android系統的通信模塊設計使用的是Android藍牙類庫，包含藍牙設置、啟動、查找、連接等內容，可以高效的進行開發，程序開發主要包括以下幾步：1）為軟件添加藍牙控制權限；2）在App啟動時候初始化bluetooth Adapter；3）注冊廣播；4）當點擊開啟藍牙時搜索藍牙設備；5）獲取藍牙socket對象；6）連接藍牙設備，開啟通信線程；7）利用通信協議格式化通信數據。

本文設計的移動端軟件需要適應于不同屏幕尺寸的平板電腦和手機，設計是需要兼容不同的屏幕尺寸，Application Framework 提供的接口以及 Java 類庫提供解決方案，可使界面設計相對簡單。 Activity作為一個具有某一類功能的獨立頁面，實現與用戶之間的交互。多個Activity 之間通過Intent進行通信，用戶對頁面的打開、關閉、隱藏等操作可以通過Active/Running、Paused、Stoped 和 Killed 等狀態轉換之間回調接口實現。頁面中Button、Label、TextView等用戶交互和顯示控件，都是由其父類View 提供。本系統通信協議采用Modbus主從RTU傳輸方式，Android系統作為主機，單片機作為從機，Modbus的RTU協議規定了數據的結構、命令和應答方式，其模式數據幀包含設備地址、功能碼、數據信息和CRC校驗碼等。移動端軟件部分界面如圖13所示。

圖13 人機交互控制界面

4 結 論

1）設計出插拔式串簽夾持機構，設計應具有串簽插拔方便，夾持效果穩定，可適應于2 mm以上到6 mm的竹簽，轉速可在5～15 r/min范圍調節，則彈簧彈力應不低于0.265 N，正常運行串簽自旋轉速度5.3 r/min。

2）利用不同功率中波紅外管對肉制品烤制確定2 000 W加熱管相當熱流密度烤制較為適宜，樣品內部存在輻射傳熱和熱傳導兩種方式，輻射穿透深度約2 mm，超過2 mm主要以熱傳導為主，內部溫差為25 ℃；MRI成像顯示內部具有相對較高的含水量，優于低功率紅外管烤制，而高功率（2 500 W）相當熱流密度烤制肉制品內外溫差達33 ℃，易造成樣本外糊里生現象。

3）根據烤制過程熱量平衡原理結合拉氏變換得到系統溫度控制數學模型，采用自適應變異優化粒子群算法（PSO）對溫控模型初始值進行優化，PSO算法得到初始權值為0.044 2，建立神經網絡PID算法，得到最佳模型=0.218 1，=0.63，=?0.151 9，系統溫控升溫迅速，最大波動范圍5.1 ℃，超調量小，穩定性、動態跟蹤性良好，降低能量損耗，實現較好的烤制品質提升及節能目的。

4）基于Andriod平臺及Atmega328P單片機設計研制自動控制系統，核心部分采用嵌入式開發系統及溫度傳感模塊、電機驅動模塊、電壓自整定模塊及繼電器控制模塊組成，人機界面操作便捷，控制精準，達到較高水平控制要求。研制出連續式自動化控制串烤設備樣機，經初步試驗設備設計加熱功率14 kW（中紅外加熱8 kW，電加熱管6 kW）可較好滿足烤制要求，設備運行速度1 m/min，烤制時間最短為6 min，生產能力1 200串/h，為工業化串烤設備研發提供參考。

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Fang Junlong, Yang Sensen, Zhao Zhaoyang, et al. Soybean seeds visual classification system based on DSP and ARM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(8): 1－6. (in Chinese with English abstract)

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Ma Tianlan, Wang Songlei, He Xiaoguang, et al. Study on the detection of mutton freshness by LF-NMR relaxation characteristics[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2017, 31(6): 1110－1118. (in Chinese with English abstract)

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Pan Teng, Meng Jing, Ge Keshan, et al. Mathematical model for predicting core temperature of commercial mutton chops during grilling[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 233－238. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of continuous intelligent skewer-roasted machine with infrared compound heating

Wang Songlei1,2, Yi Weiguo1, Wang Caixia1, He Jianguo1,2※, Kang Ningbo2, Luo Ruiming1

(1.,,750021,; 2.,,750021,)

Developed an continuous and automatic roasting process system and equipment with Android platform and ATMEGA328P embedded system through the optimization of temperature control model, heat transfer analysis and other technologies, Combined the research and development of compound heating system of infrared and electric heat pipes with conveyor system of synchronous chain, and then the process of continuous roasting was achieved by designing self-rotating skewer-roasting structure which can adapt to different diameters of skewers. Meanwhile a temperature control model based on the principle of heat balance was established for this roasting process, and the neural network PID algorithm which based on adaptive particle swarm optimization (PSO) was used to achieve the setting temperature controlling. And then the heat transfer characteristics, depth of radiation penetration and temperature distribution of the central section of infrared grilled meat products with different powers by using infrared thermal imaging technology, finally completed the development of Atmega328P single-chip microcomputer logic operation control system and Android terminal touch screen control interface, and the continuous grill results of meat products got from prototype process system was analyzed. The experimental results showed that The synchronous chain conveyor system and the spin mechanism were combined to reach the continuous roasting process, the plug-pull gripper can adapt to the skewer range of 2-6 mm in diameter which clamping force should not be less than 0.265 N, the skewing-rotation speed was 5.3 r/min when the conveyor system runs was programmed at 1m/min.The initial value of the temperature control model was optimized by the adaptive mutation optimization particle swarm optimization (PSO) algorithm, and the initial weight obtained was 0.044 2 and then the parameters of=0.218 1,=0.63,=0.151 9 were acquired by the PSO algorithm optimized neural network PID model which control temperature upper and lower deviation were 2.4 and 2.7 ℃ when the grilling temperature was set at 160 ℃, the maximum deviation was 5.1 ℃ of this constant temperature system. Compared with the effects of different infrared heater when the roasting samples surface temperature reaches 100 ℃, we got the best baking of 2 000 W medium-wave infrared heater and acquired the gradient temperature difference between surface to center was 25℃ from infrared thermal imaging technology, in the meantime we got the depth of radiation heat tranfer penetration in meat was about 2 mm which similar to the heater of 2 500 W, the inner part of the meat samples heat transfer was mainly by conduction,on the other hand the nuclear magnetic resonance imaging (MRI) showed that the internal moisture content of the meat samples were better than the roasting effects of 1 000 and 1 500 W infrared heater. The core parts of automatic controls system was composed of embedded development system and temperature sensing module, motor driving module, bluetooth communication module,voltage self-setting module and relay control module,and the ATMEGA328P embedded control system acted accurately, and the Android touch screen control interface responsed rapidly. The shortest time of meat samples grilled by this equipment system was 6 minutes when the system power was designed to be 14 kW, and the yield of it was up to 1 200 strings/h. It provides a perfect technical reference for development of industrial and continuous skewer roasting equipments.

temperature control; models; heat transfer; continuous roasting machine; ATMEGA328P embedded control system; Android platform

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.009

TS251.4+2

A

1002-6819(2019)-15-0063-08

2019-03-31

2019-08-22

寧夏自治區重點研發計劃項目，國家重點研發計劃課題（2018YFD0400101）

王松磊，博士生，主要從事農產品無損檢測技術及加工裝備研發。Email：wangsonglei163@126.com

何建國，教授，博導，主要從事農產品智能加工裝備研發。Email：Hejg@nxu.edu.cn

王松磊，弋偉國，王彩霞，何建國，康寧波，羅瑞明. 紅外復合加熱型連續式智能串烤機設計與試驗[J]. 農業工程學報，2019，35(15)：63－70. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.009 http://www.tcsae.org

Wang Songlei, Yi Weiguo, Wang Caixia, He Jianguo, Kang Ningbo, Luo Ruiming. Design and experiment of continuous intelligent skewer-roasted machine with infrared compound heating[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 63－70. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.009 http://www.tcsae.org