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摘要：針對調味紫菜生產過程中烤箱干、濕溫度的測量和控制問題，研制了以單片機為核心的智能干、濕溫度控制裝置，實現了干、濕溫度的自動控制。重點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 紫菜又稱海苔，是味道鮮美營養豐富的食用海藻，一種天然的綠色保健食品。紫菜產品的生產過程主要包括3個階段：原藻生產、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)。烤箱中，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，通過風門調節排濕量大小，啟閉回風門(用于排濕，控制濕溫)、進風門(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，無法建立數學模型，使常規的人工控制方法難以達到預期的控制目標，為此開發了調味紫菜智能干濕溫度控制裝置。基本實現了調味紫菜烘烤過程中干濕溫度的自動控制，烘烤工藝可隨機改變，有良好的推廣價值。 2 設計方案 實際表明，在紫菜烘烤過程中，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，而保溫的溫度及時間要根據紫菜的具體情況來定。若能控制烤箱內的干、濕溫度在其烘烤理想溫度的l℃以內，烘烤質量就有可靠保證。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，則從起烤溫度到37℃的升溫速率為1℃/30 min，且在任意時刻的理想溫度就確定了，溫度升至37℃時，自動進入保溫控制狀態，保溫時間到下次檔位設定；若第二次設定為④檔時，則從37℃"48℃以1℃/30min升溫，升到48℃時又自動進入保溫狀態，其他檔位依次類推。當使用時停電后再次來電時，由當前烤箱中的實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量的重要環節，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，濕溫控制區曲線如圖2所示。檔位設定和控制規律與干濕類似。 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。控制裝置精度要求為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、非易失存儲技術制造，存儲器可循環寫入/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個輸出通道，1個報警電路，利用蜂鳴器報警；2個驅動電路分別控制電動執行器的正、反轉。為了提高系統的抗干擾能力，驅動電路采用交流固態繼電器。溫度檔位設定采用BCD碼撥盤，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，擴展三位靜態顯示LCD接口電路。P1.7作為輸出控制，當P1.7=1時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、線性度好、靈敏度高等特性，且價格適中，能滿足系統的技術要求。 為了提高溫度測量精度，在設計硬件時，采取3方面的措施： (1)測量中傳感器的連接采用新的三線制方法，補償由導線引起的誤差； (2)選用0P07作為運算放大電路； (3)測量電路采用恒流源供電。執行部件由電動執行器、進風門和回風門組成。兩個電動執行器分別驅動進風門、回風門，實現烤箱內干、濕溫度的調節。電動執行器的轉速很低(90/90 s)，能正反轉并能在任意角度停止，最大轉角為90，其輸出可與風門的轉軸直接相連，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開始的單元中，然后進行數字濾波，得到的終值存于33H單元。A/D轉換采用查詢方式。溫度設定程序實現保溫溫度的設定和任意時刻理想溫度的計算。例如設設定溫度為To，任意時刻理想溫度為T01。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檔時到當前的時間是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。 溫度控制模塊實現對烘烤過程中干、濕溫度的控制及超限報警。溫度的高低受進風門(干溫)、回風門(濕溫)打開的角度控制，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，由計算機自動記錄滯后時間△t，使由升溫段進入保溫段之前執行器提前△t時間開始動作，保證了溫度過沖不超過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，電動執行器每次動作時間為5 s，風門每次開或關5并自動停在理想位置，最大限度地減小了烤箱內的溫度波動。當自動控制失效時，系統報警。 5 結束語 根據上述設計方案，筆者已經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行調味紫菜加工運行試驗，運行情況良好。同時，在硬件上增加了手動/自動轉換功能，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值。 |
