智能紫菜烤箱干濕溫度控制裝置

　　摘要：針對調味紫菜生產(chǎn)過(guò)程中烤箱干、濕溫度的測量和控制問(wèn)題，研制了以單片機為核心的智能干、濕溫度控制裝置，實(shí)現了干、濕溫度的自動(dòng)控制。重點(diǎn)介紹了控制系統的硬件組成和軟件設計，給出了系統結構原理框圖。

　　1 引言

　　紫菜又稱(chēng)海苔，是味道鮮美營(yíng)養豐富的食用海藻，一種天然的綠色保健食品。紫菜產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程主要包括3個(gè)階段：原藻生產(chǎn)、一次加工和二次加工(即調味紫菜加工)。調味紫菜加工的核心是將經(jīng)一次加工的干紫菜制成可直接食用的紫菜食品。因此，烤箱的干濕溫度控制是關(guān)鍵。

　　烤箱分前烤和后烤兩部分，前烤主要是將一次加工的干紫菜烤熟，后烤的目的是去除加味后紫菜表面的水分，使紫菜耐貯存。后烤的工藝要求是根據紫菜的品種確定并控制升溫段、保溫段的干濕溫度(干溫是指烤箱中的空氣溫度；濕溫是指烤箱內的紫菜加調味后的水分溫度)?？鞠渲?，筆者采用石英電加熱管，在每根電加熱管上加裝了不銹鋼反射罩，以保證烤箱內溫度場(chǎng)的均勻一致，避免使紫菜未烤或烤焦。為了達到去濕的目的，在每節烤箱上設計了排濕煙囪，通過(guò)風(fēng)門(mén)調節排濕量大小，啟閉回風(fēng)門(mén)(用于排濕，控制濕溫)、進(jìn)風(fēng)門(mén)(控制干溫)。由于紫菜在烘烤中影響烤箱內干濕溫度的因素較多，并且隨機變化，無(wú)法建立數學(xué)模型，使常規的人工控制方法難以達到預期的控制目標，為此開(kāi)發(fā)了調味紫菜智能干濕溫度控制裝置?；緦?shí)現了調味紫菜烘烤過(guò)程中干濕溫度的自動(dòng)控制，烘烤工藝可隨機改變，有良好的推廣價(jià)值。

　　2 設計方案

　　實(shí)際表明，在紫菜烘烤過(guò)程中，不論什么品種的紫菜，其溫升段的升溫速率以l℃/30 min為最佳，而保溫的溫度及時(shí)間要根據紫菜的具體情況來(lái)定。若能控制烤箱內的干、濕溫度在其烘烤理想溫度的l℃以?xún)?，烘烤質(zhì)量就有可靠保證。根據使用要求，紫菜烘烤升溫段設置其升溫速率為l℃/30 min，為了適應不同紫菜的烘烤，設置干溫的理想曲線(xiàn)如圖1所示，由人工按鍵將溫度設定在37℃～70℃范圍內控溫檔位設置為6檔，當初始設為①檔時(shí)，則從起烤溫度到37℃的升溫速率為1℃/30 min，且在任意時(shí)刻的理想溫度就確定了，溫度升至37℃時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入保溫控制狀態(tài)，保溫時(shí)間到下次檔位設定；若第二次設定為④檔時(shí)，則從37℃~48℃以1℃/30min升溫，升到48℃時(shí)又自動(dòng)進(jìn)入保溫狀態(tài)，其他檔位依次類(lèi)推。當使用時(shí)停電后再次來(lái)電時(shí)，由當前烤箱中的實(shí)際溫度到設定檔位溫度按上述規律繼續工作。

　　控制濕溫是保證烘烤質(zhì)量的重要環(huán)節，為了適應不同品種的紫菜，在37℃~42℃溫度范圍內控溫檔位設為6檔，濕溫控制區曲線(xiàn)如圖2所示。檔位設定和控制規律與干濕類(lèi)似。

　　3 系統總體結構

　　控制系統的硬件部分由主機、傳感器和執行部件組成。硬件結構如圖3所示?？刂蒲b置精度要求為0.5級，根據控制功能需要，本系統選用AT89C52作為CPU。AT89C52是一款低功耗、高性能片內8 KB快速可編程/擦除只讀存儲器的8位CMOS微控制器，與80C51的指令系統及引腳兼容，使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，存儲器可循環(huán)寫(xiě)入/擦除1000次。A/D轉換器選用美國TI公司的TLC1549 CMOS 10位A/D轉換器，該器件分辨率為8位，總的非調整誤差為l LSB，輸出電平與TTL兼容，單電源+5 V供電，模擬量輸入范圍為0V～5 V。

　　本系統具有3個(gè)輸出通道，1個(gè)報警電路，利用蜂鳴器報警；2個(gè)驅動(dòng)電路分別控制電動(dòng)執行器的正、反轉。為了提高系統的抗干擾能力，驅動(dòng)電路采用交流固態(tài)繼電器。溫度檔位設定采用BCD碼撥盤(pán)，利用P1.O～P1.3作為數值輸入，操作方便。溫度顯示采用LCD顯示。為了不再擴展并行接口，利用串行口的移位寄存器功能，擴展三位靜態(tài)顯示LCD接口電路。P1.7作為輸出控制，當P1.7=1時(shí)允許串行口輸出數據給移位寄存器，否則，顯示內容不變。

　　根據測量和控制精度要求，本系統選擇了PtlO熱電阻作為溫度傳感器。Ptl0測溫范圍O℃～100℃，具有精度高、線(xiàn)性度好、靈敏度高等特性，且價(jià)格適中，能滿(mǎn)足系統的技術(shù)要求。

　　為了提高溫度測量精度，在設計硬件時(shí)，采取3方面的措施：

　　(1)測量中傳感器的連接采用新的三線(xiàn)制方法，補償由導線(xiàn)引起的誤差；

　　(2)選用0P07作為運算放大電路；

　　(3)測量電路采用恒流源供電。執行部件由電動(dòng)執行器、進(jìn)風(fēng)門(mén)和回風(fēng)門(mén)組成。兩個(gè)電動(dòng)執行器分別驅動(dòng)進(jìn)風(fēng)門(mén)、回風(fēng)門(mén)，實(shí)現烤箱內干、濕溫度的調節。電動(dòng)執行器的轉速很低(90/90 s)，能正反轉并能在任意角度停止，最大轉角為90，其輸出可與風(fēng)門(mén)的轉軸直接相連，安裝使用方便。

　　4 系統軟件設計

　　系統軟件主要由溫度檢測模塊、溫度顯示模塊、溫度設定模塊和溫度控制模塊組成。系統主程序和主控程序如圖4和圖5所示。

　　溫度檢測程序的功能是連續7次A/D轉換，把轉換結果保存在3BH開(kāi)始的單元中，然后進(jìn)行數字濾波，得到的終值存于33H單元。A/D轉換采用查詢(xún)方式。溫度設定程序實(shí)現保溫溫度的設定和任意時(shí)刻理想溫度的計算。例如設設定溫度為T(mén)o，任意時(shí)刻理想溫度為T(mén)01。對于干溫，若第一次設定為①檔，若第二次設定為②檔，設定②檔時(shí)到當前的時(shí)間是t，則To=40℃，當前的理想溫度T0l=37℃+t/l800℃。保溫控制程序流程如圖6所示。

　　溫度控制模塊實(shí)現對烘烤過(guò)程中干、濕溫度的控制及超限報警。溫度的高低受進(jìn)風(fēng)門(mén)(干溫)、回風(fēng)門(mén)(濕溫)打開(kāi)的角度控制，由于影響烤箱內溫度變化因素的復雜性以及溫度反應的滯后，系統采用了智能程序設計，由計算機自動(dòng)記錄滯后時(shí)間△t，使由升溫段進(jìn)入保溫段之前執行器提前△t時(shí)間開(kāi)始動(dòng)作，保證了溫度過(guò)沖不超過(guò)To0.5℃，從而保證了1℃的控制精度。升溫控制程序流程如圖7所示，電動(dòng)執行器每次動(dòng)作時(shí)間為5 s，風(fēng)門(mén)每次開(kāi)或關(guān)5并自動(dòng)停在理想位置，最大限度地減小了烤箱內的溫度波動(dòng)。當自動(dòng)控制失效時(shí)，系統報警。

　　5 結束語(yǔ)

　　根據上述設計方案，筆者已經(jīng)研制出調味紫菜干濕溫度控制裝置，并在江蘇省連云港恒福食品有限公司進(jìn)行調味紫菜加工運行試驗，運行情況良好。同時(shí)，在硬件上增加了手動(dòng)/自動(dòng)轉換功能，軟件上增添了抗干擾措施，使裝置工作更可靠、穩定。具有較好的推廣應用價(jià)值。