金銀花烘干控制器的設(shè)計(jì)與研究

張學(xué)斌， 黃 燦， 丁湘陵， 夏春華，袁 煒， 姚 怡

0 引言

金銀花抗菌作用的有效成分為綠原酸和異綠原酸等，其含量的高低在很大程度上受加工方式優(yōu)劣的影響[1，2].目前，常見的金銀花烘干加工法有兩種：低溫烘干法和機(jī)器殺青烘干法，低溫烘干法是將金銀花最高烘干溫度控制在60℃以內(nèi)，需要18-24h才能完成干燥[3]，該法保持了金銀花的色澤和原有的香氣，不破壞原有的化學(xué)成分，但耗時(shí)太長，不能滿足大規(guī)模、大批量的烘干要求；機(jī)器殺青烘干法是在極短的時(shí)間內(nèi)殺青滅活，用高溫幾分鐘時(shí)間就把金銀花干燥好[4]，該方法雖適合大規(guī)模生產(chǎn)要求，但瞬間的高溫會(huì)破壞金銀花中的有效藥性成分，會(huì)使金銀花的藥效大打折扣，因此，一種既能使金銀花藥效成分不被破壞，又能滿足大規(guī)模烘干要求的高效烘干方法必定會(huì)具有相當(dāng)高的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景.本設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)代金銀花烘干加工在效率和品質(zhì)保持方面的要求，采用分段控時(shí)控溫的方法，提出了一種由單片機(jī)STC89C52程序控制，通過DS18B20溫度采集模塊實(shí)時(shí)采集加溫區(qū)的溫度，嚴(yán)格控制各個(gè)加熱階段的加熱溫度和持續(xù)時(shí)間，給出了烘干控制器的設(shè)計(jì)方案和測(cè)試結(jié)果.

1.1 金銀花品質(zhì)保持烘干加工步驟

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

為了保證金銀花在烘干加工過程中藥效品質(zhì)得到保持，即保護(hù)其綠原酸和異綠原酸等藥效成分不被破壞，經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，金銀花烘干的最佳分段控時(shí)控溫加工步驟為[5，6]：

①預(yù)熱.首先，打開進(jìn)風(fēng)口，關(guān)閉開窗，烘干爐加熱，當(dāng)溫度上升到40℃時(shí).打開天窗及排氣扇排出潮氣.時(shí)間一般為30 min，濕度較大時(shí)可適當(dāng)延長排氣時(shí)間.

②除濕.預(yù)熱完成后將金銀花裝入烘干爐內(nèi)，打開進(jìn)風(fēng)口，打開天窗及排氣扇，迅速加溫到70℃進(jìn)行高溫除濕，讓濕氣盡快散發(fā).若溫度達(dá)不到可調(diào)小進(jìn)氣口和天窗開合度，溫度過高時(shí)加大進(jìn)氣口和天窗的開合度.除濕時(shí)間視金銀花采摘時(shí)天氣而定，

晴天一般為60 min，下雨天一般為90 min.

③烘干.除濕完成后將溫度降到55℃，打開進(jìn)氣口，打開排氣扇，打開天窗二分之一，烘干時(shí)間約為120 min.

④出花.逐漸將溫度降到30-35℃之間，打開進(jìn)氣口，打開排氣扇，打開天窗三分之一，時(shí)間一般為30 min.出花后不能立即包裝儲(chǔ)藏，應(yīng)在陰涼處攤放一段時(shí)間，待回軟后再進(jìn)行包裝儲(chǔ)藏.

1.2 系統(tǒng)框圖及工作原理

系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由微處理器、鍵盤模塊、實(shí)時(shí)溫度采集模塊、電源模塊、存儲(chǔ)單元、報(bào)警電路、液晶顯示模塊和操作控制模塊等組成.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

微處理器在金銀花在烘干加工過程中起到關(guān)鍵作用，通過程序控制金銀花加工的全過程.溫度采集模塊主要完成烘干爐內(nèi)溫度的采集，并通過單總線接口送到微處理器中，在微處理器中經(jīng)過處理后在液晶顯示模塊中顯示出來.電源模塊為微處理器及相關(guān)設(shè)備提供5 V直流穩(wěn)壓電源.金銀花在加工的四個(gè)階段中，每個(gè)階段的適宜溫度值和持續(xù)時(shí)間可通過鍵盤模塊修改，修改后的溫度值和時(shí)間值保存在存儲(chǔ)單元中.當(dāng)系統(tǒng)由于故障導(dǎo)致爐內(nèi)溫度達(dá)80℃時(shí)，微處理器將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警電路進(jìn)行蜂鳴報(bào)警，防止火災(zāi)發(fā)生.操作控制模塊由微處理器的I/O口分別控制繼電器實(shí)現(xiàn)加熱、開進(jìn)風(fēng)口、開天窗及排風(fēng)扇、關(guān)進(jìn)風(fēng)口、關(guān)天窗及排風(fēng)扇和翻花等機(jī)械操作.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由微處理器、鍵盤模塊、實(shí)時(shí)溫度采集模塊、電源模塊、存儲(chǔ)單元、報(bào)警電路、液晶顯示模塊和操作控制模塊等組成.

微處理器采用STC公司推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗8位CMOS微控制器STC89C52RC.溫度采集模塊采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件DS18B20，測(cè)量溫度范圍為－55℃到＋125℃.電源模塊采用三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓得到+5 V直流穩(wěn)壓電源.液晶顯示模塊采用帶簡體中文字庫點(diǎn)陣圖形的液晶顯示器12864，用于人機(jī)界面的顯示.

圖2 4×4鍵盤與單片機(jī)接口電路

鍵盤采用4×4的矩陣鍵盤，如圖2所示，行線接單片機(jī)的P1.0—P1.3口，列線接單片機(jī)的P1.4—P1.7口，當(dāng)無按鍵閉合時(shí)，P1.0—P1.3與P1.4—P1.7之間開路.當(dāng)有鍵閉合時(shí)，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路.數(shù)字0—9為參數(shù)值輸入鍵，復(fù)用鍵B為退格刪除鍵，D為確認(rèn)鍵，A為管理員模式選擇鍵，C為自動(dòng)模式選擇鍵，*為手動(dòng)模式選擇鍵等.

圖3 蜂鳴器報(bào)警電路

圖4 存儲(chǔ)電路圖

圖5 操作控制模塊的電路圖

報(bào)警電路采用蜂鳴器報(bào)警，電路如圖3，當(dāng)系統(tǒng)由于故障導(dǎo)致爐內(nèi)溫度達(dá)80℃時(shí)，微處理器置I/O口P3.7為低電平并持續(xù)30 S，在此期間PNP型三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，持續(xù)30 S后警報(bào)自動(dòng)解除.

存儲(chǔ)芯片采用24C02，它是256×8 bit位的串行I2C總線EEPROM.圖4為存儲(chǔ)芯片與微處理器的接口電路圖，24C02的SCL和SDA分別與微處理器的P3.4和P3.5連接，SCL為串行同步數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘輸入，SDA用于傳輸串行地址和數(shù)據(jù).本設(shè)計(jì)中，24C02用于存儲(chǔ)烘干加工各階段.

操作控制模塊主要包括加熱控制、開天窗、開進(jìn)風(fēng)口、關(guān)天窗、關(guān)進(jìn)風(fēng)口和翻花等操作的控制，每一個(gè)操作采用繼電器控制，繼電器的驅(qū)動(dòng)通過微處理的I/O口控制高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列ULN2003來實(shí)現(xiàn)[7]53-84.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該烘干加工控制器軟件系統(tǒng)主要完成自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和管理員模式的程序控制.系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示.自動(dòng)模式是指在烘干加工過程中，按照每階段設(shè)置的加熱溫度和持續(xù)時(shí)間自動(dòng)完成烘干的全過程，比如某階段設(shè)定溫度Th、設(shè)定時(shí)間T、DS18B20采集實(shí)時(shí)溫度與Th比較，自動(dòng)控制加熱使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值，開關(guān)天窗和進(jìn)風(fēng)口、翻花等操作也通過程序控制自動(dòng)完成，每階段時(shí)間達(dá)到設(shè)定值T自動(dòng)進(jìn)入下一階段，直至金銀花完全烘干.手動(dòng)模式是指根據(jù)個(gè)性化烘干需求，通過按鍵手動(dòng)完成加熱、開關(guān)天窗和進(jìn)風(fēng)口、翻花等操作.管理員模式主要用于對(duì)自動(dòng)模式下的各烘干階段的加熱的溫度和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行微調(diào)，具體的方法是開機(jī)進(jìn)入管理員模式，按系統(tǒng)提示微調(diào)烘干的四個(gè)階段的溫度和加熱時(shí)間值，至于微調(diào)多少，靠的是待加工完后看烘干的效果再行微調(diào)，如此反復(fù)，滿足不同干濕程度和不同花種個(gè)性化加工需求.

除濕、烘干和出花階段設(shè)置了定時(shí)翻花的操作，目的是使加熱更加均勻.在烘干加工的全過程中，如果由于系統(tǒng)故障或短路等造成加溫爐內(nèi)溫度達(dá)到80℃時(shí)，報(bào)警程序啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)強(qiáng)制停止加熱和烘干，直到故障排除才能繼續(xù)加熱烘干.

4 溫度測(cè)試與品質(zhì)比較

4.1 溫度測(cè)試

該金銀花加工控制器采用分段控時(shí)控溫的方法，金銀花品質(zhì)保持受溫度影響較大，因此，有必要對(duì)系統(tǒng)溫度的控制進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試儀器選用FLUKE福祿克F59型紅外測(cè)溫儀，該測(cè)溫儀測(cè)溫范圍為-18～275℃，讀取精度±2%，響應(yīng)時(shí)間小于500 ms.測(cè)試方法是將系統(tǒng)顯示的溫度與紅外測(cè)溫儀的溫度進(jìn)行比較，即將DS18B20溫度傳感器檢測(cè)的溫度與紅外測(cè)溫儀檢測(cè)的溫度進(jìn)行比較，得出誤差值.經(jīng)過測(cè)試，得到如表1所示的測(cè)試數(shù)據(jù).

從表1中可以得到紅外測(cè)溫儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)略高于系統(tǒng)顯示的溫度，原因是加熱爐的余熱所致，因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，加熱開關(guān)雖斷開，但加熱爐的預(yù)熱會(huì)使加熱區(qū)的溫度繼續(xù)上升.總體來說，所測(cè)得溫度與紅外測(cè)溫儀測(cè)出的溫度偏差不大，不會(huì)影響到金銀花的品質(zhì)，烘干控制器能正常工作.

4.2 品質(zhì)比較

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

表1 DS18B20傳感器與紅外測(cè)溫儀檢測(cè)的溫度比較情況 單位：℃

為了驗(yàn)證分段控時(shí)控溫法加工方法的優(yōu)越性，采用傳統(tǒng)加工方法與該方法對(duì)金銀花加工的品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比.具體方法是將鮮花采回后，揀選同種品質(zhì)、大小均勻的花蕾，分別采用低溫烘干法、機(jī)器殺青烘干法和分段控時(shí)控溫法進(jìn)行烘干加工，直至全干，比較三種干燥方法下加熱時(shí)長、干花顏色、香味和綠原酸含量情況.綠原酸含量測(cè)定采用用高效液相法測(cè)定，具體做法是參照文獻(xiàn)[8]，利用50%甲醇將綠原酸對(duì)照品制成40μg/mL的對(duì)照品溶液，稱取各干燥樣品0.5 g，精密稱定，置具塞錐形瓶中，精密加50 mL 50%甲醇，稱定重量，超聲處理30 min，放冷，再稱定重量，用50%甲醇補(bǔ)足減少的重量，搖勻，濾過，精密量取濾液5 mL，置25 mL棕色量瓶中，加50%甲醇至滿刻度，搖勻，即得待測(cè)液.分別精密吸取對(duì)照品溶液與待測(cè)液各5～10μL，注入液相色譜儀觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 不同烘干加工方法下金銀花品質(zhì)對(duì)比表

從表2中可以得出：分段控時(shí)控溫法雖然在加熱時(shí)間上比機(jī)器殺青烘干法高，但烘干得到的金銀花品質(zhì)明顯優(yōu)于機(jī)器殺青法；相比于低溫烘干法，分段控時(shí)控溫法更快，綠原酸含量更高，只不過顏色上略有差異.綜合以上因素可得，新的烘干控制方法克服了高溫烘干藥效成分得不到保持、低溫烘干耗時(shí)久的缺陷，具有實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值.

5 結(jié)束語

本文介紹的金銀花加熱控制器，完成了金銀花在不同階段烘干溫度和時(shí)間的有效控制，最大限度的保持了金銀花的藥效成分不被破壞.由于在除濕階段的高溫、通風(fēng)和不斷翻花，使金銀花水分快速散失，提高了金銀花加工的效率，既彌補(bǔ)了低溫烘干法加工效率低，耗時(shí)久的不足，又克服了高溫烘干法破壞藥效成分而使品質(zhì)得不到保持的缺陷.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能滿足現(xiàn)階段金銀花烘干在加工效率和品質(zhì)保持方面的應(yīng)用需求，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)要求，達(dá)到了預(yù)期的目的.

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