微波干燥恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計

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的變化而變化［1－3］。工業(yè)發(fā)達國家微波干燥技術(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；中國微波干燥技術(shù)開始于20世紀70年代，目前很多農(nóng)產(chǎn)品都成功應(yīng)用了微波干燥［4］。但是微波干燥時溫度的測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，甚至有時作物會產(chǎn)生內(nèi)部焦糊的現(xiàn)象，因此不能大范圍推廣使用［6］。為了達到自動控制干燥室溫度，提高干燥速率和干燥品質(zhì)，設(shè)計一種能夠在微波干燥過程中自動控制干燥室內(nèi)部溫度，使作物干燥時的溫度穩(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行恒溫干燥，對微波的工作狀態(tài)進行控制，即通過微波爐的間斷工作來實現(xiàn)恒溫過程。根據(jù)作物特性，在單片機中的程序里設(shè)置相應(yīng)的溫度區(qū)間。通過溫度傳感器測量干燥過程中的實時溫度，當達到溫度上限時自動切斷微波爐工作電源，使作物溫度降低，直至溫度下限時自動閉合微波爐工作電源，繼續(xù)加熱。通過微波爐的間斷工作，進而實現(xiàn)恒溫干燥，保護作物干燥品質(zhì)。

恒溫控制系統(tǒng)中的測溫電路是最重要的一部分，其電路圖見圖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)由溫度測量系統(tǒng)和質(zhì)量測量系統(tǒng)兩個部分組成，設(shè)備簡圖見圖2。微波恒溫控制系統(tǒng)實時檢測微波爐干燥室內(nèi)作物的溫度和質(zhì)量的變化，并由寫入單片機的程序自動控制微波爐工作電源的開閉，使作物在一個固定的溫度區(qū)間內(nèi)干燥，從而實現(xiàn)恒溫干燥。

3 微波恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

恒溫控制系統(tǒng)的硬件由AT89S52單片機、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（見圖3）。根據(jù)試驗要求設(shè)計成溫度測量及控制系統(tǒng)，其中溫度測量系統(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，但是都存在各種問題，如熱電偶傳感器在微波環(huán)境下受微波的影響很大，測溫不準確；紅外傳感器測的只是樣品的表面溫度，不能測得樣品的內(nèi)部溫度；光纖溫度傳感器造價太貴［7－9］。因此本系統(tǒng)選擇半導(dǎo)體材料的AD590溫度傳感器。但是由于在微波場中的測溫環(huán)境非常惡劣，將AD590二次封裝入一端開口的薄壁金屬管內(nèi)，以避免微波對傳感器造成損壞。

圖1 系統(tǒng)測溫電路圖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

為了實現(xiàn)恒溫控制的過程，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。通過對微波發(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)，進而達到恒溫干燥的目的。程序設(shè)計流程見圖4。

5 試驗效果

將新鮮未脫殼花生以100 g為計量單位隨機分成若干份，在不同條件下進行干燥試驗。干燥功率分6個檔位：1.20，2.36，3.52，4.68，5.84，7.00 W／g。試驗選用1.20，2.36，3.52 W／g 3個功率進行驗證實驗。

5.1 無恒溫控制系統(tǒng)試驗結(jié)果

3 種不同功率連續(xù)干燥的試驗結(jié)果見圖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3.2 g／min，最高溫度可達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)試驗結(jié)果

使用相同批次花生作為試驗材料，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行恒溫試驗，試驗結(jié)果見圖6。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，在3.52 W／g的功率下，干燥到第5分時數(shù)據(jù)顯示其失水速率最大，達到了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；當進入恒速干燥時（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，達到了23.2 g。干燥完成后花生子葉外觀正常，無花生油溢出，同自然條件干燥的花生基本無區(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行有效的控制，實現(xiàn)恒溫干燥。

6 結(jié)束語

該微波恒溫控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測微波干燥室內(nèi)部被干燥作物的溫度以及質(zhì)量，并通過控制微波爐工作電源的開閉實現(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)試驗證明該系統(tǒng)能夠較好的達到預(yù)定效果，實現(xiàn)微波干燥的恒溫控制。

本試驗系統(tǒng)以格蘭仕WBBH0809型微波爐為平臺，并添加自己設(shè)計制作的恒溫控制系統(tǒng)、質(zhì)量檢測系統(tǒng)、制作成試驗用的微波恒溫控制系統(tǒng)試驗設(shè)備。該系統(tǒng)以較小質(zhì)量的作物樣品作為試驗對象取得了一定成績，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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