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微 波 干 燥 恒 温 控 制 系 统 的 设 计 基于 DS18B20 数字温度传感器 陈霖,苏烨,傅秋茗,王治平,莫愁 ( 四川农业大学 信息与工程技术学院,四川 雅安625014) 摘 要: 利用 DS18B20 数字温度传感器对微波加热室内进行实时温度监测, 以 AT89S52 单片机及相关电子元件 为核心控制微波加热过程, 读取实时温度, 比较温度区间。通过断开、 闭合微波炉工作电源, 使其始终保持在预 设温度区间内, 进而实现微波干燥恒温控制。试验结果显示, 使用该系统干燥的作物样品品质明显优于微波场 直接干燥的作物品质。试验表明, 该系统能够实现其预定功能。 关键词:微波干燥; 恒温;自动控制; 数字温度传感器 中图分类号: S2266; S126文献标识码: A 文章编号: 1003 188X( 2012) 02 0193 04 0引言 微波是一种具有穿透特性的电磁波, 可产生高频 电场。微波加热利用的是介质损耗原理, 水分子是极 性分子, 在微波作用下其极性随着外电磁场的变化而 变化, 高速运动的水分子急剧摩擦、 碰撞, 使物料产生 热化和膨化等一系列过程, 从而达到微波加热的目 的。目前, 微波干燥技术以其速度快、 时间短、 样品温 度低、 整体加热等优点, 在食品、 中药、 化学等行业中 的应用越来越广泛 1 5。微波干燥过程中的温度对 于样品的加工时间和最终加工品质具有重要的影响。 但是微波干燥时温度的测量及控制仍然不够成熟, 没 有一种有效的方法可以对微波场中的温度准确测 量 6。为此, 笔者设计了一种新的微波干燥自动控制 系统, 采用 DS18B20 数字温度传感器进行干燥室内的 实时监测, 使用 AT89S52 单片机对系统进行温度控 制, 使其工作在一定的预设区间内, 从而获得更好的 作物品质。 1原理及结构 1 1恒温控制原理 根据微波炉工作原理, 其工作方式可分为连续式 和间歇式。当采用连续式工作方式时, 很容易使微波 炉磁控管工作电压、 电流超过额定值, 致使其工作电 压上下波动, 甚至使磁控管停止工作, 而采用间歇式 收稿日期: 2011 04 13 基金项目: 四川农业大学双支计划项目( 2009) 作者简介: 陈霖( 1969 ) , 女, 四川汉源人, 副教授, ( E mail) lingchen121 163 com。 工作方式则可以很好地避免这个问题。控制温度有 两种方式: 一是改变磁控管的功率( 即改变磁控管阳 极的电压) ; 二是控制磁控管的工作状态( 即电源的开 闭) 。但是由于磁控管阳极电压的变化对磁控管功率 的影响很大, 不易操作, 所以选择控制磁控管的工作 状态来达到恒温的目的 7。为了使作物在微波炉中 进行恒温干燥, 笔者对微波的工作状态进行控制, 通 过温度传感器测量干燥过程中的实时温度, 当达到温 度上限时自动切断微波炉工作电源, 使作物温度降 低, 直至温度下限时自动闭合微波炉工作电源, 继续 加热。通过微波炉的间断工作, 实现了微波炉的间歇 工作, 进而实现恒温干燥, 达到了保护作物干燥品质 的目的。恒温控制系统中的测温电路是最重要的一 部分, 其电路图如图 1 所示。 1 2干燥设备的结构 该微波恒温控制系统( 见图 2 所示) 由温度测量 系统和质量测量系统实时检测微波炉干燥室内作物 的温度与质量的变化, 并由写入单片机的程序自动控 制微波炉工作电源的开闭, 使作物在一个固定的温度 区间内干燥, 实现恒温干燥过程。电子秤实时测量被 干燥物质量, 供计算失水速率及干燥后的含水率使 用; 测温系统实时监测干燥室内部温度供试验者观 察, 并自动控制温度在预设区间内。 2硬件及程序 2 1恒温控制系统硬件组成 试验利用 AT89S52 单片机、 HRS4H S DC6V 继电器、 数码管和 DS18B20 等组成一个闭环控制系 统, 以达到对微波炉的恒温控制, 其结构见图 3 所示。 391 2012 年 2 月 农 机 化 研 究第 2 期 DOI:10.13427/ki.njyi.2012.02.035 目前的温度传感器有热电偶温度传感器、 红外温度传 感器以及光纤温度传感器等, 但是各存在不同的问 题。如热电偶传感器在微波环境下受微波的影响很 大, 测温不准确; 红外传感器只是测得样品的表面温 度, 不能测得样品的内部温度; 而光纤温度传感器造 价太高 8 10 。最终试验测温选用 DS18B20 数字温度 传感器。该传感器采用外部供电方式, 供电只需 200s 即可完成信号转换处理。由于 DS18B20 不能 直接应用于微波场, 因此本系统利用金属管密封传感 器, 以屏蔽微波的影响。 图 1系统测温电路图 Fig1Temperature measurement circuit 图 2微波干燥恒温控制系统设备简图 Fig 2Schematic diagram of microwave drying temperature control system 图 3 恒温控制系统硬件结构图 Fig 3Hardware structure temperature control system 2 2程序流程 由于恒温控制过程中要求温度控制准确及时, 所 以系统的软件设计必须满足预定的工作流程( 见图 4 所示) , 即读取实时温度和比较温度区间。若高于上 限, 断开微波炉工作电源; 若低于下限, 闭合微波炉工 作电源。通过控制磁控管的工作情况来控制干燥室 的温度, 使其始终保持在预设温度区间内, 最终达到 恒温干燥的目的。 3试验与结果 试验以新鲜蚕豆为原材料, 以 100g 为计量单位, 随机分成若干份, 进行不同试验条件的干燥试验。干 燥功率因素分 6 个挡位, 即 1 2, 2 36, 3. 52, 4 68, 5 84W/g, 7W/g。试验选用 1 2, 2 36, 3 52W/g 等 3 个 功率因素进行试验验证。 3 1无恒温控制系统试验 蚕豆的失水速率曲线( 无恒温控制) 如图 5 所示。 经过 3 种不同功率因素连续干燥发现: 功率因素越 高, 蚕豆失水速率越快, 最高速率达 3 8g/min, 最高温 491 2012 年 2 月 农 机 化 研 究第 2 期 度时可达 100 以上。在 1 2W/g 的功率因素下, 干 燥 1h 后失水 31g, 少量蚕豆爆裂, 子叶熟化, 干燥品质 差; 在 3 52W/g 的功率因素下, 仅仅干燥了 30min, 蚕 豆部分焦糊、 爆裂, 子叶全部熟化, 干燥品质极差。 微波干燥功率越大, 温度升高得越快, 干燥速率 越快, 总干燥时间缩短。后期随着被干燥物内含水量 的减少, 干燥速率迅速下降, 但干燥功率过大, 易导致 物料温度过高和干燥速率过快, 易引起被干燥物焦化 和品质严重下降 11 。图 5 中, 功率因素为 1 2W/g 时, 由于被干燥物温度上升较慢, 所以其失水速率较 低; 功率因素为 3 52W/g 时, 被干燥物温度急剧上升, 在开始阶段失水速率非常快。该现象符合未控制温 度情况的微波干燥的特点。 图 4程序流程图 Fig4Program flowchart 图 5蚕豆的失水速率曲线图( 无恒温控制) Fig 5Water loss rate curve of bean( Out of the system) 3 2恒温控制系统试验 使用相同批次蚕豆作为试验材料, 将温度区间设 置为 35 40, 在 3 种相同的功率因素条件下进行恒 温试验, 蚕豆的失水速率曲线如图 6 所示。由图 6 可 以发现: 2 36W/g 的功率因素下, 干燥到第 5min 时, 蚕豆失水速率最大, 达到了 2 2g/min, 其他两种功率 因素的最大失水速率均在1 0g/min 以下; 当进入恒速 干燥时( 第 10 min 以后) , 蚕豆的失水速率均在 0 7g/ min 以下; 在 3 52W/g 的功率因素下, 失水质量最大, 达到了 29 6g。干燥完成后, 蚕豆子叶外观正常, 与自 然条件干燥的蚕豆基本无区别, 干燥品质较好。 图 6蚕豆的失水速率曲线图( 恒温控制) Fig6Water loss rate curve of bean( Under the system) 图 6 中, 恒温控制功率因素为 2 36W/g 时, 所达到的最大失水速率比 3 52W/g 快, 其原因是: 功率因 591 2012 年 2 月 农 机 化 研 究第 2 期 素为 3 52W/g 时蚕豆温度上升快, 在较短时间内变到 达了温度上限值, 从而较早进入恒温干燥阶段; 功率 因素为 2 36W/g 时温度上升相对 3 52W/g 慢, 失水 速率在相同干燥时间内较小, 但是其进入恒温干燥阶 段的时间比 3 52W/g 长, 因此才会在功率因素为 2. 36W/g 时有最大的失水速率; 而功率因素为 1 2W/ g 时蚕豆温度上升慢, 因此失水速率小, 并且进入恒温 控制后的失水速率基本相同。 4总结 该微波干燥恒温控制系统能够实时监测微波干燥 室内被干燥作物的温度以及质量, 供试验者记录, 并 通过继电器直接控制微波炉工作电源的开闭, 实现间 断性微波干燥, 使被干燥作物的干燥温度稳定在设定 的区间内, 既保证了被干燥作物的干燥品质, 又提高 了干燥效率。试验证明, 该系统能够较好地完成预定 目标, 实现微波干燥的恒温控制。 参考文献: 1甘正明, 韩杰 氰化钠装置微波干燥系统的改造J 石 化技术与应用, 2004, 22( 2) : 108 110 2郭胜利, 张宝林 微波干燥技术的应用进展J 河南化 工, 2002( 2) : l 3 3段振华, 汪菊兰 微波干燥技术在食品工业中的应用研 究 J 食品研究与开发, 2007, 28( 1) : 155 158 4马梅芳, 陈腾蛟 微波干燥灭菌技术在中药领域的应用 研究 J 中医药导报, 2008, 14( 2) : 155 158 5张黎华, 杨仁强 花椒微波间歇干燥的试验研究J 农 机化研究, 2008( 5) : 125 127 6李建国, 杨薇 微波干燥自动控制系统J 安徽农业科 学, 2009, 37( 7) : 3294, 3321 7吴海涛, 梁列峰, 何培祥, 等 间歇式与连续式功率控制 方式在微波烘茧中的应用 J 研究与技术, 2006( 7) : 26 27 8Li Wang N A microcontroller based,feedback power con- trol system for microwave drying processes J Applied Engi- neering in Agriculture, 2006, 22( 2) : 309 314 9潘志铭 微波加热中的温度检测J 深圳大学学报( 理 工版) , 2002, 19( 2) : 81 84 10崔凤英, 李莉 微波场的温度测量J 计量阔测试, 2002( 5) : 36 37 11朱德泉, 周杰敏, 王继先, 等 玉米微波干燥特性及工艺 参数的研究 J 包装与食品机械, 2005, 23( 3) : 5 9 The Microwave Drying Temperature Control System Based on DS18B20 Digital Temperature Sensor Chen Lin, Su Ye, Fu Qiuming, Wang Zhiping, Mo Chou ( Sichuan Agricultural University,Institute of Information and Engineering Technology, Ya an 625014, China) Abstract: We take use of digital temperature sensor DS18B20 to monitor the microwave heating indoor temperature , make AT89S52 SCM and other related electronic components as the core device to control the microwave heating process Then read the real time temperature and judge whether it is at the pre set temperature range Through the disconnec- ting or closing microwave oven work power automatically,it realizes microwave drying temperature control The test re- sults show that the

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