基于紅外線的果品干燥機(jī)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

白圣賀+楊瑩+史增錄+趙守瑞+周偉權(quán)

摘要：國內(nèi)果品紅外輻射干燥設(shè)備對果品的自動稱重檢測系統(tǒng)還不完善，通常由人工稱取果品質(zhì)量并進(jìn)行計(jì)算，極大增加了工作人員的勞動強(qiáng)度，還會出現(xiàn)干燥能耗大、成本高、產(chǎn)品品質(zhì)不穩(wěn)定等缺陷。設(shè)計(jì)一套果品紅外輻射干燥的在線自動稱重系統(tǒng)，利用Solid works軟件完成干燥機(jī)稱重裝置的三維結(jié)構(gòu)，并利用單片機(jī)控制技術(shù)結(jié)合干燥機(jī)稱重系統(tǒng)的工藝要求，設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)的控制方案，利用Keil uVision，Multisim軟件完成整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，為果品干燥機(jī)開展干燥特性試驗(yàn)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：稱重系統(tǒng)；稱重傳感器；8031單片機(jī)；ADC0809轉(zhuǎn)換器

中圖分類號：TS255 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）10-0018-03

紅外輻射干燥技術(shù)是一種高效、節(jié)能、低污染的干燥技術(shù)。近年來，紅外輻射干燥在果品干燥領(lǐng)域的研究和應(yīng)用得到了較快的發(fā)展。果品的紅外輻射干燥過程中，其含水率的測量對于果品干燥過程的實(shí)際進(jìn)程、工藝過程的優(yōu)化控制及干燥品質(zhì)等是十分重要的，直接影響產(chǎn)品的保質(zhì)期、色澤、口感等很多方面[1-4]。為此，開發(fā)研究一套果品紅外輻射干燥在線自動稱重系統(tǒng)，對于果品紅外輻射干燥過程中實(shí)時(shí)動態(tài)地檢測質(zhì)量變化，實(shí)現(xiàn)無人化操作，避免果品干燥過度，改善實(shí)驗(yàn)人員的工作環(huán)境，提高工作效率，節(jié)約成本等具有非常重要的意義[5-10]。

1 果品干燥機(jī)自動稱重裝置的結(jié)構(gòu)與原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

基于紅外線的果品干燥機(jī)振動裝置主要由支撐架、稱重傳感器、物料盤、振動電機(jī)、連接板等部件構(gòu)成，如圖1和圖2所示。

1.2 工作原理

振動裝置的柔性棒支撐著支架，支架上面固定著物料盤，連接板固定安裝在支架的下面，振動電機(jī)安裝在連接板上，稱重傳感器安裝在支撐架的下面，位于物料盤的正中心處，紅外線加熱器和溫度傳感器位于物料盤的上方，固定安裝在橫梁上，通過調(diào)整絲桿和調(diào)整螺母來調(diào)整高度位置。

工作時(shí)，溫度傳感器采用非接觸式的方式，掃描果品表面的溫度，開始測量果品表面的溫度，如果低于設(shè)定的溫度60°，紅外線加熱器開始工作，當(dāng)果品表面的溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，紅外線加熱管停止工作。振動裝置在振動電機(jī)的作用下，使物料盤中的果品在水平面內(nèi)作圓平動和繞水平面的搖擺振動，同時(shí)通過控制時(shí)間，使振動裝置間歇式作業(yè)，初始設(shè)置振動裝置工作2 min，使物料盤內(nèi)的果品正好旋轉(zhuǎn)180°后，停止15 min。通過紅外線加熱管加熱果品表面，周而復(fù)始地間歇工作，以保證物料盤內(nèi)加工果品的干燥均勻度。在振動裝置停止工作后，稱重傳感器開始工作，檢測果品質(zhì)量的變化，實(shí)時(shí)地通過電信號傳給自動稱重系統(tǒng)，記錄干燥過程中質(zhì)量的變化。

2 自動稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 稱重系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

首先，利用電阻應(yīng)變式稱重傳感器組成的測量電路測出壓力信號，經(jīng)過信號的放大以及濾波，以模擬量的信號傳到ADC0809轉(zhuǎn)換器。其次，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的信號，由單片機(jī)8031傳送到上位機(jī)，經(jīng)過復(fù)雜的運(yùn)算，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為果品的實(shí)際質(zhì)量信號，將其存儲在存儲單元里；非接觸式溫度傳感器組成的電路測出溫度信號及振動電機(jī)的開關(guān)信號，直接由單片機(jī)傳送到上位機(jī)。其流程如圖3所示。

2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.2.1 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的測量電路 電阻應(yīng)變式傳感器一般采用橋式測量電路。它由箔片式電阻應(yīng)變片電阻R1，R2，R3，R4組成。電橋的一個(gè)對角線接工作電壓Ui，另一個(gè)對角線接輸出電壓Uo。在測量質(zhì)量之前，調(diào)節(jié)滑動式線性可變電阻器R，當(dāng)載荷為0時(shí)，輸出為0。測量電路如圖4所示。

2.2.2 放大電路 由于電阻應(yīng)變式稱重傳感器輸出的模擬信號比較薄弱，需要放大一定的倍數(shù)才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器的需要，因此設(shè)計(jì)一種差動放大電路（如圖5所示）。

2.2.3 單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的信號傳送到單片機(jī)，ADC0809與8031單片機(jī)的接口電路原理圖如圖6所示。單片機(jī)使用查詢方式來控制ADC0809芯片，單片機(jī)的P0引腳分別連接ADC0809的DB引腳。當(dāng)加在EOC引腳上的電壓為低電平時(shí)，單片機(jī)可讀取ADC0809數(shù)據(jù)寄存器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。當(dāng)加在EOC引腳上的電壓為高電平時(shí)，ADC0809進(jìn)行數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)更新，禁止傳輸數(shù)據(jù)。

2.2.4 非接觸式溫度傳感器的測溫模塊及振動電機(jī)的連接 該非接觸式的溫度傳感器，解決了傳統(tǒng)測溫中需要接觸的問題，具有回應(yīng)速度快、測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。它通過紅外溫度傳感器掃描被測物體，并把相應(yīng)的紅外輻射數(shù)據(jù)通過P0.2，P0.3傳送給單片機(jī)。其測溫模塊如圖7所示。

振動電機(jī)主要作用是使果品進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，保證果品不會出現(xiàn)陰陽面，它的開關(guān)信號通過P0.4，P0.5傳送到單片機(jī)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 方案 軟件總體功能包括：自動清零，自動稱重，數(shù)據(jù)存儲。軟件結(jié)構(gòu)包括3個(gè)部分，即數(shù)據(jù)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。軟件總體流程圖如圖8所示。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊 在本模塊設(shè)計(jì)中，要能夠?qū)崿F(xiàn)稱重系統(tǒng)的自動清零、傳感器信號的輸出、正常稱重等功能。

2.3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊 A/D轉(zhuǎn)換模塊主要作用是采集稱重傳感器電橋輸出的電壓信號，并將轉(zhuǎn)換得到的24位數(shù)據(jù)信號傳送到單片機(jī)。

2.3.4 數(shù)據(jù)處理模塊 該模塊的作用是將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化計(jì)算，然后在系統(tǒng)界面上將量化后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過數(shù)值和監(jiān)控圖兩種形式實(shí)時(shí)顯示，并存入數(shù)據(jù)庫中。

3 結(jié)論

在先前的紅外線果品干燥裝置基礎(chǔ)上加入自動稱量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)果品干燥過程中在線自動精確稱量與數(shù)據(jù)的自動存儲、干燥溫度的精確控制、振動電機(jī)的自動有效變換，確保最佳干燥時(shí)間點(diǎn)，保證干燥品質(zhì)，完全實(shí)現(xiàn)整個(gè)干燥裝置自動控制，改善人機(jī)環(huán)境。該設(shè)計(jì)具有很好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 林喜娜，王相友.蘋果切片紅外輻射干燥模型建立與評價(jià)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010（6）：128-132.

[2] 劉云宏，朱文學(xué)，馬海樂.金銀花真空遠(yuǎn)紅外輻射干燥動力學(xué)模型[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010（5）：105-109，125.

[3] 吳振，李紅，羅楊，等.銀耳紅外輻射干燥特性研究及動力學(xué)模型構(gòu)建[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2014（4）：471-474，503.

[4] 張麗麗，王相友.紅外輻射干燥胡蘿卜的試驗(yàn)研究[J].食品科技，2012（6）：119-122.

[5] 龐偉屹.基于單片機(jī)的傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2010.

[6] 張玉鳳.基于單片機(jī)的智能動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007（4）：61-63.

[7] 李秉榮，劉夫云，程雄，等.自動稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2010（2）：245-248.

[8] 劉艷，馮愛國.電熱鼓風(fēng)干燥箱自動稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].食品研究與開發(fā)，2013（19）：130-132.

[9] 叢國進(jìn).基于STC12C5A60S2單片機(jī)的自動稱重控制設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2016（4）：119-120.

[10] 薛彪，張可兒，岳明星.基于單片機(jī)的非接觸式溫度測量儀設(shè)計(jì)[J].隴東學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（3）：14-18.