基于MSP430控制的紅棗光波烘干機設(shè)計

王江華，劉志剛,2

(1.南昌大學，南昌　330031；2.南昌工學院，南昌　330108)

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基于MSP430控制的紅棗光波烘干機設(shè)計

王江華1，劉志剛1,2

(1.南昌大學，南昌330031；2.南昌工學院，南昌330108)

摘要：優(yōu)良的烘干技術(shù)可以保證紅棗質(zhì)量，提升紅棗口感。傳統(tǒng)晾干技術(shù)中紅棗漿爛率較高，浪費較大，滿足不了農(nóng)戶對紅棗干燥的要求。光波設(shè)備在食品烘干領(lǐng)域的應用已十分廣泛，其以環(huán)保、節(jié)能、高效和殺菌等顯著優(yōu)勢實現(xiàn)了食品烘干的新型工業(yè)化生產(chǎn)，將其應用于紅棗烘干已成為一大趨勢。為此，基于MSP430控制設(shè)計了紅棗光波烘干機，運用模糊PID自動控制算法，準確控制紅棗表皮烘干溫度，將紅棗有效烘干，并使紅棗含水率控制在口感最佳的21%～23%，方便商戶更好地儲存。光波烘干技術(shù)可以明顯提高紅棗口感與質(zhì)量，且具有時間短、速度快、能耗低的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：紅棗；烘干；微波；MSP430

0引言

我國是產(chǎn)棗大國，紅棗種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，年產(chǎn)量不斷增加。但是，紅棗一般在寒冷的冬天進行采摘加工，此時環(huán)境溫度在0～12℃左右，在新疆等地甚至會低至0℃以下，此時紅棗若不及時烘干，會導致大量的凍壞、腐爛、降質(zhì)，使農(nóng)戶遭受一定的經(jīng)濟損失。紅棗果肉含有大量糖分，大部分的多糖沒有甜味，需要酶催化成單糖才會變甜。在一定溫度范圍內(nèi)升高溫度可以提高酶的活性，使紅棗的口感更佳，因此紅棗的烘干過程顯得尤為重要。烘干是為了脫去紅棗果肉內(nèi)多余水分，避免紅棗在運輸過程中腐爛變質(zhì)，延長其保質(zhì)期，當前我國紅棗主要采用晾干、曬干和烘烤等方法。本文設(shè)計了一套基于MSP430的紅棗光波烘干機，采用光波加熱法，通過MCU智能控制紅棗烘干過程中的溫濕度及烘干箱的循環(huán)速度，快速地將紅棗含水率控制在最佳值，讓紅棗內(nèi)部水分往外緩慢滲透、蒸發(fā)，使其色澤鮮紅、味道甘美清香。以MSP430F

G439單片機為控制核心的紅棗光波烘干機如圖1所示。

1結(jié)構(gòu)及烘干工藝流程

光波烘干機利用光波管將電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過空氣輻射給紅棗加熱烘干。文中設(shè)計的MSP430的紅棗光波烘干機采用光波加熱的方式烘干紅棗，紅棗表皮和內(nèi)部果肉快速升溫，使其所含水分迅速蒸發(fā)，達到烘干紅棗的效果。光波烘干機包括烘干倉、產(chǎn)品層、光波管、光波反射板、循環(huán)管、排濕扇和提升機等部分，如圖2所示。

圖1　紅棗光波烘干機

1.烘干倉　2.產(chǎn)品層　3.光波管

MSP430的紅棗光波烘干機的工作原理：在烘干過程中，紅棗通過傳輸帶送進烘干倉頂部，位于烘干倉中心處的光波管和光波反射板雙重高效加熱，向烘干倉內(nèi)輻射熱量，大量熱量集中在烘干倉，使鮮棗迅速脫水；紅棗在烘干倉內(nèi)做自由落體運動，加熱一段時間后落入循環(huán)管，進入提升梯后隨即再次進入烘干倉；如此反復循環(huán)，直到紅棗含水率達到所需標準，此過程實現(xiàn)了熱量的重復利用，達到了節(jié)能的效果。為使光波管熱量輻射均衡及熱量傳播更均勻，在此機器中配備了鼓吹機與烘干倉相連，在倉內(nèi)產(chǎn)生一定的氣流，使用熱量更容易輻射到倉壁邊的紅棗，做到烘干倉內(nèi)無死角。在整個烘干過程中，排濕風扇一直工作，快速有效地排出倉內(nèi)水蒸汽，降低環(huán)境濕度，檢測結(jié)果更加精確。烘干機完全由電能提供能源，比傳統(tǒng)的加熱方式更加節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠。

MSP430紅棗光波烘干機工藝流程如圖3所示。

圖3　紅棗光波烘干機的工藝流程圖

工藝流程：含水率高的鮮棗在進料斗預熱，然后進入烘干倉進行加熱，紅棗通過循環(huán)管并進行含水率檢測。如果含水率檢測沒有達到所需值，則通過提升機再次進入烘干倉開始烘干流程；若紅棗含水率達到要求，則通過出口管排出，結(jié)束當前批次的烘干流程，進行打包入庫，開始下一輪的烘干工作。

2智控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　智控系統(tǒng)整體方案

基于功耗、處理能力、功能實現(xiàn)及經(jīng)濟情況的考慮，控制系統(tǒng)選用16位的MSP430FG439單片機為控制核心，主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、按鍵、LCD顯示、步進電機和光波管功率等部分。整體方案框圖如圖4所示。

圖4中，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊，完成對溫度、濕度數(shù)據(jù)實時跟蹤采集，數(shù)據(jù)實時顯示在終端的LCD上，系統(tǒng)可以自動監(jiān)測烘干倉內(nèi)的溫度去控制光波管功率，并通過按鍵面板調(diào)整倉內(nèi)溫度的范圍值。若單片機采集到的溫度值不在設(shè)置范圍內(nèi)，MCU會通過控制光波管的發(fā)熱功率，調(diào)整烘干倉內(nèi)的溫度。MCU還可以通過控制提升機的步進電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整高水分紅棗在烘干倉內(nèi)停留的時間。

圖4　系統(tǒng)整體方案框圖

2.2　智控系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計

系統(tǒng)控制核心器件MSP430FG439根據(jù)檢測到的溫度和濕度值控制烘干倉溫度和加熱流程。智控系統(tǒng)的硬件電路主要由光波管加熱、溫度檢測及濕度檢測等構(gòu)成,如圖5所示。

圖5　光波管加熱電路圖

光波管加熱實際上是采用鹵素燈發(fā)熱，再利用光波反射板集中熱量，就像凸透鏡一樣將熱能集中在烘干倉內(nèi)；然后，烘干倉內(nèi)的高溫就可以加熱高水分的紅棗，使其果肉內(nèi)水分快速蒸發(fā)，實現(xiàn)鮮棗的烘干。這種加熱的熱效率高達90%～95%，節(jié)約能源；光波管發(fā)熱不涉及到電磁場，不會帶來電磁輻射，整個加熱過程比較安全又環(huán)保。系統(tǒng)采用兩根2kW的鹵素燈管對烘干倉加熱，如圖5所示。MSP430的I/O口連接HEAT，通過I/O口輸出控制信號，控制雙向可控硅BAT16的導通相位角，從而實現(xiàn)對光波管加熱功率的控制。

濕度傳感器通過器件內(nèi)物質(zhì)從空氣中吸收水分后引起的一系列性質(zhì)變化，測量周圍環(huán)境濕度。HS1101是電容器件，其電容值隨著所測空氣濕度的增加而增大，通過電容的變化值可測量空氣濕度，進而確定紅棗在加熱蒸發(fā)出來的水分濃度，檢測烘干倉內(nèi)的環(huán)境濕度，以便確定紅棗的含水率。濕度檢測電路原理如圖6 所示。

圖6　濕度檢測電路原理圖

將濕度傳感器與振蕩電路結(jié)合起來,濕度傳感器的電容值轉(zhuǎn)化為反比的電壓頻率信號,被MCU的A/D口采集，處理后得到烘干倉濕度值。NE555接HS1101和R5，R8電阻形成一個充電回路，電路不斷自激往復振蕩形成所需的電壓方波信號Fout。

溫度傳感器DS1820是數(shù)字傳感器，接口電路簡單，可以直接指示所測物體的溫度。數(shù)據(jù)采集經(jīng)由單線接口從其送出，因此MSP430到溫度傳感器DS1820只需要一個A/D口，節(jié)省MSP430接口，不需要外部元器件，干擾因素較小。溫度檢測電路如圖7所示。

圖7　溫度檢測電路原理圖

圖7中：1腳GND接地，2腳DO接MSP430接口，3腳VCC接5V。DS1820采用單線協(xié)議，只需要1根線與MSP430進行信息傳輸，系統(tǒng)中MSP430的數(shù)據(jù)接口RT與DS1820芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3智控系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)正常運行的核心，數(shù)據(jù)采集是整個智能控制系統(tǒng)的前提。紅棗光波烘干機智控系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。

圖8　紅棗光波烘干機智控系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)上電，主程序開始初始化，并設(shè)置一系列參數(shù)；然后，主程序開始進行循環(huán)檢測，根據(jù)流程調(diào)用各個子程序。系統(tǒng)主程序會分別調(diào)用溫度值采集、濕度值采集、PID計算和 LCD顯示來完成各個階段所需要完成的功能。

4PID控制應用

紅棗光波烘干機的烘干過程是一個比較復雜的物理變化過程,溫度是烘干過程中的重要參數(shù)之一，且溫度檢測具有延時和非線性等特點。本設(shè)計采用模糊PID控制算法，運用模糊理論進行一系列列的比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法，并采用MSP430處理器完成計算控制。模糊PID控制的公式為

(1)

其中，△P為PID算法結(jié)果的輸出值；KP為比例系數(shù)；e為偏差；Ti為積分常數(shù)；Td為微分常數(shù)。

對于式(1)中閉環(huán)的模糊PID控制，MSP430采用的是離散計算方法。T、Ti、Td、K及每個時刻的偏差值e確定后，可以求出每個時間段n的運算值，處理器計算得出運算值，以實現(xiàn)模糊PID控制。智能控制過程結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

MSP430處理器處理時采用的是離散式的處理方法，采樣周期采用的是偏差方式，則

(2)

其中，e*(t)為信號采樣器的輸入信號，當t=0時，采樣器閉合τ秒，e*(t)為e(t)。由于e(t)的數(shù)值只有在瞬間時才有意義，那么采樣周期T選得越小，即采樣角頻率ωs選得越高，采樣周期越短，得到的數(shù)據(jù)越多，控制效果也會越好。

圖9　模糊PID智能控制過程典型結(jié)構(gòu)圖

在計算過程中,通過智控系統(tǒng)不斷地檢測環(huán)境的變量值,即時獲取偏差變化率,然后模糊化準確地控制烘干倉溫度, 實現(xiàn)對控制器參數(shù)值的控制，從而將紅棗有效烘干。

5測試結(jié)果與分析

本設(shè)計為測試紅棗光波烘干機的實際烘干效果，用1 000kg含水率在50%～60%的鮮棗進行烘干實驗。紅棗初始溫度在15℃上下，為保障紅棗品質(zhì)，烘干倉環(huán)境溫度設(shè)定在50～65℃之間。打開烘干機電源，投入鮮棗，在烘干機預熱后系統(tǒng)逐步走向穩(wěn)定，LCD顯示屏上顯示烘干倉內(nèi)溫度和濕度變化值。當環(huán)境濕度高于設(shè)定值時，光波管發(fā)熱功率變大，環(huán)境溫度升高；當環(huán)境濕度低于設(shè)定值時，光波管發(fā)熱功率變小，環(huán)境溫度降低。本實驗分10組進行，紅棗烘干后，分別測量每一批次的含水率。10組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　烘干后的干棗含水率

由表1可知：烘干實驗很成功，各批次鮮棗脫水后，含水率都達到了標準。烘干后的紅棗含水率如圖10所示。

由圖10可以看出：10個批次的干棗含水率在20%～23%之間；干棗的含水率波動性較小，干棗果皮色澤鮮艷，果肉為黃白色，色香味俱全，極品率達到79%，符合所需的優(yōu)質(zhì)干棗標準。

圖10　干棗含水率曲線

6結(jié)論

基于MSP430紅棗光波烘干機，以MSP430 FG439為智能控制核心，利用模糊PID自動控制算法，精確、高效地采集烘干倉環(huán)境溫度和濕度；運用光波加熱技術(shù)，實現(xiàn)烘干過程中溫度的自動控制，滿足實際要求。與傳統(tǒng)的烘干設(shè)備比較，其具有穩(wěn)定、準確、節(jié)能、效率高、污染小及品質(zhì)優(yōu)等優(yōu)越性，應用前景廣闊，經(jīng)過改造可以適用于各種作物烘干，具有研究推廣價值。

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Design of Light-wave Drying Machine for Red Jujube Based on MSP430 Control

Wang Jianghua1, Liu Zhigang1,2

(1.Nanchang University,Nanchang 330031, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

Abstract：The fine drying technology can ensure the quality of jujube, improve the taste of jujube. The jujube pulp rotten rate is high by the traditional dry technology, which can not meet the requirements of the farmers on jujube drying in the waste . Light-wave devices has been widely used in the field of food drying.And its application in baking dates has become a major trend ,such as the significant advantages of environmental protection, energy saving, high efficiency and sterilization realized food drying of the new-type industrialized production.It proposed a set jujube wave drying machine design and in process contro based on MSP430.By using fuzzy PID control algorithm, it took full control of jujube skin drying temperature, jujube dries, and dates so that moisture control in taste the best 21%-23%, convenient storage operators better. The light wave drying technology, which can improve the taste and quality of jujube, and has the advantages of short time, fast speed and low energy consumption.

Key words：jujube; drying; microwave; MSP430

中圖分類號：S226.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0218-04

作者簡介：王江華(1990-)，男，湖北天門人，碩士研究生。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(Email)fiberhome@126.com。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFC1079)；江西省科技計劃項目(20123BBG70217)

收稿日期：2015-07-21