紅外復(fù)合加熱型連續(xù)式智能串烤機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王松磊，弋偉國(guó)，王彩霞，何建國(guó)，康寧波，羅瑞明

紅外復(fù)合加熱型連續(xù)式智能串烤機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王松磊1,2，弋偉國(guó)1，王彩霞1，何建國(guó)1,2※，康寧波2，羅瑞明1

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；2．寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021）

基于Android平臺(tái)與ATMEGA328P嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，結(jié)合溫控模型及傳熱分析等多種技術(shù)優(yōu)化研制連續(xù)型自動(dòng)串烤工藝系統(tǒng)及設(shè)備。結(jié)合中紅外與電熱管復(fù)合加熱及同步鏈輸送系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出能適應(yīng)不同直徑的自旋轉(zhuǎn)插拔式串簽夾持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物料連續(xù)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(jié)合自適應(yīng)粒子群算法（PSO）優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法實(shí)現(xiàn)設(shè)定參數(shù)恒溫控制，利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)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(jìn)行分析，開發(fā)完成了Atmega328P單片機(jī)邏輯運(yùn)算控制系統(tǒng)及Android 端觸屏控制界面，并對(duì)該樣機(jī)工藝系統(tǒng)肉制品連續(xù)烤制效果進(jìn)行分析。系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明：同步鏈輸送系統(tǒng)與自旋機(jī)構(gòu)結(jié)合實(shí)現(xiàn)連續(xù)化烤制過程，自旋轉(zhuǎn)插拔式串簽夾持器可適應(yīng)直徑2～6 mm范圍串簽，機(jī)構(gòu)夾持力應(yīng)不低于0.265 N，設(shè)備運(yùn)行速度1 m/min時(shí)串簽旋轉(zhuǎn)速度5.3 r/min，恒溫控制采用PSO優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID模型得=0.218 1，=0.63，=-0.151 9，烤制溫度設(shè)定為160 ℃時(shí)上下偏差分別為2.4 與2.7 ℃，最大波動(dòng)范圍5.1℃；不同功率紅外管烤制物料表面溫度達(dá)到100 ℃左右時(shí)，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(nèi)部則以熱傳導(dǎo)為主，內(nèi)外溫差約25 ℃；ATMEGA328P嵌入式控制系統(tǒng)動(dòng)作準(zhǔn)確，Android觸屏控制界面操作響應(yīng)靈敏；物料烤制時(shí)間最短為6 min，生產(chǎn)能力為1 200串/h，為工業(yè)連續(xù)化串烤生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

溫度控制；模型；傳熱；連續(xù)式串烤機(jī)；ATMEGA328P嵌入式系統(tǒng)；Android平臺(tái)

0 引 言

烤肉制品因其充分的美拉德反應(yīng)及濃郁獨(dú)特口感風(fēng)味深受消費(fèi)者喜愛，也促進(jìn)了對(duì)肉制品烤制設(shè)備的廣泛研究。傳統(tǒng)的碳烤方式逐步被燃?xì)饧半娍镜容^為健康方式替代，智能環(huán)保、安全健康的新型烤制設(shè)備也成為重要研究方向。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的新型燒烤設(shè)備主要有電加熱型及燃?xì)庑?，雖然比較環(huán)保，但連續(xù)自動(dòng)化程度不夠，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工藝規(guī)程，效率低下，不能較好滿足串烤食品規(guī)?；a(chǎn)需求，且缺乏肉品烤制傳熱與品質(zhì)形成物性學(xué)研究理論基礎(chǔ)，質(zhì)量參差不齊。

研究基于Android-ATMEGA328P控制系統(tǒng)，通過多種技術(shù)優(yōu)化研制出能夠較好滿足市場(chǎng)需求的連續(xù)化紅外輻射加熱型自動(dòng)串烤設(shè)備。Android平臺(tái)因其開放性、兼容性受到眾多應(yīng)用者的支持，形成多種獨(dú)具特色的數(shù)據(jù)采集及控制功能，成為目前最具潛力的智能控制系統(tǒng)。當(dāng)前基于Android操作平臺(tái)與智能處化理器相結(jié)合的控制系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)信息化及加工裝備領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為支撐智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)手段。郭文川等[1-2]基于 Android 手機(jī)平臺(tái)構(gòu)建了一種植物葉片面積快速無損測(cè)量系統(tǒng)能夠有效測(cè)量小麥等植物葉片面積；陳美鎮(zhèn)等[3]基于Android 的智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用軟件開發(fā)了以 Exynos4412 為核心處理器的智能網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理；吳亞壘等[4]提出一種基于STM32F101和STM32F103 嵌入式技術(shù)，結(jié)合 4G互聯(lián)網(wǎng)、局域WIFI 通信技術(shù)及超聲波靶標(biāo)檢測(cè)算法，達(dá)到人機(jī)分離與精準(zhǔn)施藥目的。同時(shí)Android平臺(tái)在田間管理遠(yuǎn)程輔助決策系統(tǒng)[5-8]、免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[9-10]、土壤、大氣條件監(jiān)控系統(tǒng)[11-13]得到廣泛研究應(yīng)用，檢測(cè)達(dá)到較高精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和智能化管理，并配合機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)出多種智能型裝置[14-15]，為連續(xù)式串烤裝備自控系統(tǒng)研發(fā)提供技術(shù)支撐。

溫度對(duì)肉制品烤制風(fēng)味品質(zhì)起決定性作用，串烤設(shè)備核心技術(shù)更在于溫度精準(zhǔn)控制及場(chǎng)分布均勻性，部分學(xué)者也對(duì)烤爐及肉串的溫度分布進(jìn)行建模分析[16-17]，本文結(jié)合自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID溫度控制方案及串簽自旋轉(zhuǎn)輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)肉串準(zhǔn)確控溫下的勻場(chǎng)烤制，利用紅外熱成像技術(shù)分析烤制過程肉制品溫度場(chǎng)分布及傳熱過程，解析紅外輻射加熱對(duì)肉制品不同層深的水分蒸散及品質(zhì)影響，促進(jìn)工業(yè)連續(xù)化串烤裝備系統(tǒng)技術(shù)升級(jí)及應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

1.1 設(shè)備工藝流程設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)燒烤肉制品及相關(guān)休閑食品的需求，設(shè)計(jì)電熱管對(duì)流傳熱與紅外輻射加熱復(fù)合型工業(yè)化連續(xù)式肉制品烤制系統(tǒng)。設(shè)備工藝流程設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示。

圖1 設(shè)備工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)

整機(jī)工藝流程設(shè)計(jì)包括快速插拔式上簽、恒溫勻溫度場(chǎng)烤制、同步鏈自旋轉(zhuǎn)輸送連續(xù)烤制、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)抹油及相關(guān)工藝參數(shù)確定等環(huán)節(jié)，依據(jù)相關(guān)工藝系統(tǒng)提出關(guān)鍵技術(shù)研究。樣機(jī)則主要由彈力式串簽夾持機(jī)構(gòu)、物料自旋轉(zhuǎn)鏈輸送系統(tǒng)、碳纖維紅外與電熱管復(fù)合加熱系統(tǒng)、Andriod-Atmega328P控制系統(tǒng)、調(diào)壓式溫度傳感控制裝置、卸料口外蓋自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、流量可調(diào)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(shè)備總長(zhǎng)3 500 mm，連續(xù)烤制有效距離約3 000 mm，同步鏈傳送在加熱艙運(yùn)行過程中自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，右側(cè)同步鏈帶U型槽側(cè)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(tǒng)上下兩側(cè)，肉制品先經(jīng)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(nèi)部蛋白質(zhì)變性熟化；設(shè)備上層進(jìn)料經(jīng)過一個(gè)往復(fù)后同一端底端卸料，另一端回轉(zhuǎn)處設(shè)為刷油區(qū)，刷油裝置上部為貯油罐，油在重力作用下經(jīng)流量調(diào)控后，流入棉質(zhì)刷頭，刷頭具有一定的貯油能力，寬度與串簽長(zhǎng)度相當(dāng)，固定刷頭與運(yùn)動(dòng)物料接觸完成刷油過程。輸送系統(tǒng)下端設(shè)置可抽出式油污收集槽，側(cè)板由推桿電機(jī)控制翻轉(zhuǎn)，便于取出清洗；烤制過程油污槽應(yīng)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(tǒng)安裝于油污槽下部，核心控制采用Atmega328P嵌入式系統(tǒng)，可通過Andriod平臺(tái)平板電腦或手機(jī)界面藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)控制。物料烤制時(shí)間要求與人工烤制過程相當(dāng)，設(shè)定為6～8 min，上下2層有效輸送距離6.4 m，同步鏈運(yùn)行速度約1 m/min即可保證物料串烤時(shí)間不低于6 min，若串簽物料間距設(shè)計(jì)為4個(gè)鏈節(jié)長(zhǎng)度50.8 mm，則每分鐘可烤制20串，上料可不間斷連續(xù)工作，烤制效率1 200串/h，經(jīng)試驗(yàn)確定設(shè)備總功率14 kW（其中紅外加熱管8 kW，底部?jī)蓚?cè)電加熱管6 kW）可較好滿足上述烤制要求。

設(shè)備啟動(dòng)后首先啟動(dòng)加熱管進(jìn)入預(yù)熱階段，當(dāng)熱電偶檢測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定值后，進(jìn)入烤制階段，紅外管啟動(dòng)工作，輸送帶運(yùn)行并開始上簽，將溫度設(shè)定值（即輸入控制量）和溫度反饋值同時(shí)送入控制電路部分，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)運(yùn)算得到輸出控制量，驅(qū)動(dòng)SCR可控硅調(diào)壓器相應(yīng)電壓加到被控對(duì)象上，使系統(tǒng)穩(wěn)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(yīng)更充分，形成焦化皮膜阻隔層，保持內(nèi)部水分，電熱管加熱建立高溫?zé)釄?chǎng)使熱量由外及內(nèi)逐漸滲透，促進(jìn)香氣及風(fēng)味物質(zhì)形成；使肉制品產(chǎn)生較好的烤制品質(zhì)。

1.鏈條 2.夾持固定桿 3.夾持機(jī)構(gòu)自旋轉(zhuǎn)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(jī)

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(shè)備結(jié)構(gòu)原理圖

a. Equipment structural principle picture

圖2 設(shè)備原理結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

2 工藝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 插拔式串簽夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

插拔式串簽夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)具有串簽插拔方便，夾持效果穩(wěn)定，并能適應(yīng)不同直徑串簽的要求。圖3a串桿夾持器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)中間有一直徑2 mm長(zhǎng)孔，入口處設(shè)計(jì)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(yīng)于2 mm以上到6 mm的竹簽，外部有2個(gè)環(huán)形半圓槽，半圓槽里安裝鎖固彈簧，使插入竹簽產(chǎn)生較好的夾持力。2爪機(jī)構(gòu)半圓剖部分焊接在夾持機(jī)構(gòu)固定桿中心位置，另外半圓構(gòu)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(zhuǎn)。整個(gè)系統(tǒng)采用減速電機(jī)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速可在5～15 r/min范圍調(diào)節(jié)。

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(zhuǎn)動(dòng)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(shù)，無量綱。

串簽夾持力及鎖固彈簧彈力是該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)重要技術(shù)參數(shù)，若把串簽物料作為理想的圓柱剛體進(jìn)行受力分析，如圖3b受力分析，計(jì)算串簽物料在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩及夾持力如下

式中為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2；為烤制物料單位面積質(zhì)量，kg；為薄圓環(huán)的半徑，為烤制物料圓柱體的質(zhì)量，kg；d為物料圓柱體的軸向質(zhì)量元；E為烤制物料轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，J；為為烤制物料轉(zhuǎn)動(dòng)線速度，m/s；分別為校正系數(shù)及摩擦系數(shù)，取1.5~2；為轉(zhuǎn)矩，=d/d為角加速度；rad/s2；若串簽轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhì)量=50 g，校正系數(shù)取=2，則彈簧彈力應(yīng)不低于0.265 N；固定桿嚙合齒輪直徑6 cm，則當(dāng)鏈輸送運(yùn)行速度為1 m/min時(shí)，串簽自旋轉(zhuǎn)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(jié)能安全等優(yōu)勢(shì)，在食品工業(yè)廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)以羊肉為烤制對(duì)象，物料切分規(guī)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(hào)（管直徑16 mm，長(zhǎng)度為1.5 m）紅外管對(duì)物料進(jìn)行烤制，紅外管與肉制品間距3 cm，物料表面溫度達(dá)到100 ℃左右作為烤制終點(diǎn)，利用熱成像技術(shù)對(duì)不同功率紅外管烤制羊肉通過中心橫截面的溫度分布規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，并用NMR核磁共振技術(shù)[18-20]（測(cè)試設(shè)備及方法見參考文獻(xiàn)）對(duì)烤制終點(diǎn)樣本水分布狀況進(jìn)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(nèi)外部基本一致，未產(chǎn)生顯著的溫度變化拐點(diǎn)，但低功率管熱流密度也較低，表面溫度達(dá)到100 ℃左右時(shí)烤制時(shí)間長(zhǎng)，MRI核磁共振成像顯示其內(nèi)部水分失水嚴(yán)重，肉質(zhì)較硬，1 000 W烤制樣本內(nèi)部最大溫差21 ℃，1 500 W烤制時(shí)上下表面溫差則為23 ℃，肉表面也缺乏應(yīng)有的色澤，說明風(fēng)味物質(zhì)形成及美拉德反應(yīng)不充分；2 000及2 500 W紅外管烤制物料表面出現(xiàn)顯著溫度衰減層，在肉深度2 mm處溫度產(chǎn)生明顯的拐點(diǎn)，說明中波紅外對(duì)肉的輻射穿透深度約為2 mm，深度超過2 mm熱量則以傳導(dǎo)為主，溫度在拐點(diǎn)處下降后又呈上升趨勢(shì)，說明該層存在水分的大量蒸散帶走熱量溫度降低，樣本內(nèi)部最大溫差25 ℃，該功率烤制樣品可使表層快速升溫產(chǎn)生皮膜層，減少內(nèi)部水分散失，如圖6中MRI水分分布圖像所示，樣本內(nèi)部水分含量相對(duì)較高，使烤制肉制品具有較好的口感品質(zhì)；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(nèi)部最大溫差高達(dá)33 ℃，差值過大使肉制品烤制中產(chǎn)生外糊里生現(xiàn)象，不利于肉制品烤制，因此選用2 000 W紅外管進(jìn)行烤制效果較佳，確定設(shè)備左右兩側(cè)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(diǎn)MRI核磁共振檢測(cè)水分分布

試驗(yàn)進(jìn)一步選用規(guī)格為2 000 W紅外加熱管與每米2 kW（兩側(cè)各3根1 kW，距離樣本5 cm，共計(jì)6 kW）電加熱管進(jìn)行非連續(xù)式復(fù)合烤制，羊肉樣本切分規(guī)格為2 cm正立方體，中心插入探針式熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)定，系統(tǒng)預(yù)熱至設(shè)定溫度160 ℃后試驗(yàn)開始，中心溫度達(dá)到 75 ℃時(shí)為烤制終點(diǎn)，試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，則中心溫度隨時(shí)間變化如圖7所示。

圖7 復(fù)合加熱烤制中心溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

肉樣本初始中心溫度為2.3 ℃，冷鮮肉肌纖維結(jié)構(gòu)排列規(guī)則，肌肉細(xì)胞與水分子結(jié)合緊密，水分含量及熱容較高，內(nèi)外溫差驅(qū)動(dòng)能力弱，升溫較慢；當(dāng)中心溫度達(dá)到20 ℃左右時(shí)，此時(shí)肉表面溫度已達(dá)60～70 ℃，由表及里蛋白質(zhì)逐漸發(fā)生變性，肌肉間隙中有水分、脂肪滲出，肌肉內(nèi)膜及肌束膜收縮，肌纖維結(jié)構(gòu)排列變緊密[21]，內(nèi)部物質(zhì)向外滲出過程中形成熱流擴(kuò)散通道，同時(shí)表面油脂由于升溫較快使熱傳導(dǎo)過程加強(qiáng)，內(nèi)外溫差加大，肌肉進(jìn)入快速升溫階段；隨著中心溫度升高至接近70 ℃時(shí)，肌肉內(nèi)部蛋白質(zhì)變性完成，形成結(jié)實(shí)緊密且富有彈性的空間結(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率降低，且水分、油脂滴落帶走部分表面熱量，肌肉內(nèi)部升溫速率略有降低；試驗(yàn)結(jié)果顯示烤制時(shí)間為6 min時(shí)，中心溫度可達(dá)74.2 ℃，因此系統(tǒng)烤制6～7 min即可達(dá)到烤制熟化要求。

2.3 改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID恒溫控制模型

溫度精準(zhǔn)控制是烤制過程中品質(zhì)形成的關(guān)鍵因素，通常電加熱烤制設(shè)備溫度控制過程具有慣性及滯后性強(qiáng)，非線性及慢時(shí)變等問題，傳統(tǒng)PID控溫精度較低，難以整定相關(guān)參數(shù)，控制結(jié)果欠佳，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則實(shí)現(xiàn)PID權(quán)重系數(shù)的自動(dòng)調(diào)整，可達(dá)到溫度精準(zhǔn)控制的較優(yōu)效果，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制存在超調(diào)量過大、穩(wěn)定時(shí)間過長(zhǎng)，隨機(jī)初始權(quán)值易使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)梯度學(xué)習(xí)陷入局部最優(yōu)，試驗(yàn)采用粒子群算法（PSO）對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID模型初始值進(jìn)行優(yōu)化，并在PSO算法基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)變異操作，對(duì)部分變量以一定概率再次初始化，變異操作可拓展迭代運(yùn)算中不斷縮小的搜索空間，使粒子跳出之前得到的最優(yōu)位置，同時(shí)也可保持種群多樣性，提高算法系統(tǒng)尋優(yōu)效果及溫度控制精度。

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

對(duì)公式（5）進(jìn)行整理如下：

對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換得，并對(duì)相關(guān)常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行合并簡(jiǎn)化整理，得到該系統(tǒng)溫度控制模型

試驗(yàn)首先基于Matlab軟件采用自適應(yīng)變異改進(jìn)的PSO算法對(duì)推導(dǎo)出的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)初步試驗(yàn)確定烤制模型參數(shù)K1=5，K2=20，tt=10 s，T=20 s，變異算子設(shè)定為0.99，進(jìn)化代數(shù)選為400，種群規(guī)模設(shè)置為40，算法中每個(gè)粒子代表一個(gè)潛在解，每個(gè)粒子代表極值優(yōu)化問題的一個(gè)潛在最優(yōu)解，用位置、速度、適應(yīng)度值3項(xiàng)指標(biāo)表示該粒子特征，適應(yīng)度最小的粒子確定為最佳權(quán)值，最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度值變化如圖8所示，最終得到最佳初始權(quán)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID模型算法初始值進(jìn)行后續(xù)分析。

從圖9中可以看出當(dāng)烤制溫度設(shè)定為160 ℃時(shí)，自適應(yīng)優(yōu)化后神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法能夠在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，有效避免超調(diào)量的產(chǎn)生，系統(tǒng)通過傳感器輸入人為引起20 ℃超調(diào)偏差時(shí)，溫控系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，有效消除溫度偏差，體現(xiàn)出該算法較好的調(diào)穩(wěn)功能。右圖則為PID穩(wěn)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(shè)備加熱管功率為14 kW，當(dāng)烤制溫度設(shè)定為160 ℃時(shí)，利用常規(guī)熱電偶及繼電器通斷控制最高溫度可達(dá)168.2 ℃，最低溫度為154.8 ℃，波動(dòng)范圍13.4 ℃，而采用改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID溫控模型，依靠傳感器采集溫度信號(hào)，通過ATM32單片機(jī)運(yùn)算后輸出PWM信號(hào)，通過PWM占空比改變可控硅調(diào)壓器（SCR型50A）對(duì)加熱管電壓進(jìn)行調(diào)整，達(dá)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(dòng)范圍5.1 ℃，顯著優(yōu)于繼電器通斷控制系統(tǒng)，且減少繼電器控制加熱裝置通斷，在滿足溫度條件的同時(shí)減少了能量損耗，實(shí)現(xiàn)較好的烤制品質(zhì)提升及節(jié)能目的。

3 基于Android-ATMEGA328P控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Andriod平臺(tái)及Atmega328P單片機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制：控制核心部分采用嵌入式開發(fā)系統(tǒng)及溫度傳感模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電壓自整定模塊及繼電器控制模塊組成，設(shè)備運(yùn)行采用單片程序控制，并利用平板電腦生成APK文件實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面交互操作，平板電腦與單片機(jī)通過USART串行異步接口和藍(lán)牙模塊進(jìn)行通訊；單片機(jī)控制程序由C語言編寫，人機(jī)交互界面程序由Java語言編寫?？局七^程首先預(yù)熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定之后進(jìn)入烤制階段，控制系統(tǒng)原理如圖10所示。

圖10 設(shè)備控制系統(tǒng)工作原理圖

3.1 Atmega328P單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Atmega328P單片機(jī)作為邏輯運(yùn)算控制核心，該芯片具備1 MIPS / MHz的高速運(yùn)行處理能力，先進(jìn)的超功能精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，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(qiáng)的AVR RISC架構(gòu)，數(shù)據(jù)吞吐率1 MIPS/MHz，所有寄存器都直接連接到算術(shù)邏輯單元（ALU），具有六通道PWM及32KB在系統(tǒng)編程FLASH存儲(chǔ)器和23個(gè)可編程的I/O 口，PWM脈寬平滑調(diào)速，片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能。溫度檢測(cè)系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)SPI串行外設(shè)總線與MAX6675單片熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接，熱電偶采用PT100，MAX6675電路內(nèi)部具有信號(hào)調(diào)節(jié)放大器、12位的模擬/數(shù)字化熱電偶轉(zhuǎn)換器、冷端補(bǔ)償傳感和校正、數(shù)字控制器、1個(gè)SPI兼容接口和1個(gè)相關(guān)的邏輯控制；頂蓋升降所用直流推桿電機(jī)及串簽旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)的直流電機(jī)則由L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，驅(qū)動(dòng)器則通過I2C總線方式與單片機(jī)進(jìn)行通訊，電加熱及紅外加熱管則通過單片機(jī)根據(jù)采集溫度經(jīng)優(yōu)化后PID模型進(jìn)行控制精準(zhǔn)控制，加熱器首先與SCR電力控制調(diào)壓模塊電路連接，通過MCU接口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，單片機(jī)與Android系統(tǒng)通訊則通過USART串口及CSR BC04 藍(lán)牙芯片實(shí)現(xiàn)，CSR BC04 藍(lán)牙芯片靈敏度(誤碼率)達(dá)到 -80 dBm，內(nèi)置2.4 GHz天線，發(fā)射功率 3dBm，當(dāng)Android系統(tǒng)啟動(dòng)藍(lán)牙接口時(shí)，首先搜索HC-05配對(duì)設(shè)備建立通訊連接，單片機(jī)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(jī)控制電路設(shè)計(jì)圖

圖12 Atmega328P單片機(jī)控制電路

3.2 Andriod移動(dòng)端無線通信與控制界面設(shè)計(jì)

本文采用Android系統(tǒng)的平板電腦（或手機(jī)）作為人機(jī)交互和復(fù)雜算法處理平臺(tái)，其主要作用是執(zhí)行系統(tǒng)核心算法，通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的雙工通信，并提供友好的人機(jī)交互界面。Andorid是一種以Linux為核心的操作系統(tǒng)，隨著平板電腦、手機(jī)、智能終端等移動(dòng)設(shè)備的普及，其市場(chǎng)占有率越來越高。

Andorid系統(tǒng)對(duì)藍(lán)牙有較好的支持，藍(lán)牙近距離通訊具有靈敏度高、信號(hào)穩(wěn)定等特點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)的單片機(jī)和Android數(shù)據(jù)通信頻繁、數(shù)據(jù)量較大的工況，Android系統(tǒng)的通信模塊設(shè)計(jì)使用的是Android藍(lán)牙類庫，包含藍(lán)牙設(shè)置、啟動(dòng)、查找、連接等內(nèi)容，可以高效的進(jìn)行開發(fā)，程序開發(fā)主要包括以下幾步：1）為軟件添加藍(lán)牙控制權(quán)限；2）在App啟動(dòng)時(shí)候初始化bluetooth Adapter；3）注冊(cè)廣播；4）當(dāng)點(diǎn)擊開啟藍(lán)牙時(shí)搜索藍(lán)牙設(shè)備；5）獲取藍(lán)牙socket對(duì)象；6）連接藍(lán)牙設(shè)備，開啟通信線程；7）利用通信協(xié)議格式化通信數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)端軟件需要適應(yīng)于不同屏幕尺寸的平板電腦和手機(jī)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。 Activity作為一個(gè)具有某一類功能的獨(dú)立頁面，實(shí)現(xiàn)與用戶之間的交互。多個(gè)Activity 之間通過Intent進(jìn)行通信，用戶對(duì)頁面的打開、關(guān)閉、隱藏等操作可以通過Active/Running、Paused、Stoped 和 Killed 等狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間回調(diào)接口實(shí)現(xiàn)。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(tǒng)通信協(xié)議采用Modbus主從RTU傳輸方式，Android系統(tǒng)作為主機(jī)，單片機(jī)作為從機(jī)，Modbus的RTU協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答方式，其模式數(shù)據(jù)幀包含設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)信息和CRC校驗(yàn)碼等。移動(dòng)端軟件部分界面如圖13所示。

圖13 人機(jī)交互控制界面

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)出插拔式串簽夾持機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)應(yīng)具有串簽插拔方便，夾持效果穩(wěn)定，可適應(yīng)于2 mm以上到6 mm的竹簽，轉(zhuǎn)速可在5～15 r/min范圍調(diào)節(jié)，則彈簧彈力應(yīng)不低于0.265 N，正常運(yùn)行串簽自旋轉(zhuǎn)速度5.3 r/min。

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

3）根據(jù)烤制過程熱量平衡原理結(jié)合拉氏變換得到系統(tǒng)溫度控制數(shù)學(xué)模型，采用自適應(yīng)變異優(yōu)化粒子群算法（PSO）對(duì)溫控模型初始值進(jìn)行優(yōu)化，PSO算法得到初始權(quán)值為0.044 2，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法，得到最佳模型=0.218 1，=0.63，=?0.151 9，系統(tǒng)溫控升溫迅速，最大波動(dòng)范圍5.1 ℃，超調(diào)量小，穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)跟蹤性良好，降低能量損耗，實(shí)現(xiàn)較好的烤制品質(zhì)提升及節(jié)能目的。

4）基于Andriod平臺(tái)及Atmega328P單片機(jī)設(shè)計(jì)研制自動(dòng)控制系統(tǒng)，核心部分采用嵌入式開發(fā)系統(tǒng)及溫度傳感模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電壓自整定模塊及繼電器控制模塊組成，人機(jī)界面操作便捷，控制精準(zhǔn)，達(dá)到較高水平控制要求。研制出連續(xù)式自動(dòng)化控制串烤設(shè)備樣機(jī)，經(jīng)初步試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)備運(yùn)行速度1 m/min，烤制時(shí)間最短為6 min，生產(chǎn)能力1 200串/h，為工業(yè)化串烤設(shè)備研發(fā)提供參考。

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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(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018YFD0400101）

王松磊，博士生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品無損檢測(cè)技術(shù)及加工裝備研發(fā)。Email：wangsonglei163@126.com

何建國(guó)，教授，博導(dǎo)，主要從事農(nóng)產(chǎn)品智能加工裝備研發(fā)。Email：Hejg@nxu.edu.cn

王松磊，弋偉國(guó)，王彩霞，何建國(guó)，康寧波，羅瑞明. 紅外復(fù)合加熱型連續(xù)式智能串烤機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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