粉末狀食品保溫箱溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王冬云，廉志凱，陸景麗

秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院（秦皇島 066100）

根據(jù)不同材料，不同的培養(yǎng)箱可以容納不同的食物。在食品的長(zhǎng)途運(yùn)輸中，粉狀食品容易受到溫度和水分的影響，而控制培養(yǎng)箱的溫度可以保證食品的質(zhì)量和口感。

國(guó)外研究食品保溫箱溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)起步較早，在國(guó)家政策的支持下，發(fā)達(dá)國(guó)家已具有較高技術(shù)水平的溫度控制系統(tǒng)，食品在溫度控制后的損耗量控制在3%左右，溫度控制系統(tǒng)的硬件制造水平也已經(jīng)處于世界領(lǐng)先的位置，在溫度傳感器技術(shù)的支持下，溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用到各個(gè)類型的食品物流鏈中。國(guó)內(nèi)針對(duì)粉末狀食品保溫箱溫度控制系統(tǒng)研究還比較少，整體的研究還處于初級(jí)研究階段，大部分的溫度系統(tǒng)只能實(shí)時(shí)采集溫度信息，無(wú)法對(duì)食品的溫度環(huán)境進(jìn)行控制，且溫度運(yùn)行成本較高，無(wú)法在物流運(yùn)輸過(guò)程中普及。為保證食品保溫箱溫度控制系統(tǒng)正常工作，在冷食冷藏工況下，研究食品冷藏保溫箱內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況，采用有限元方法，在外界環(huán)境溫度46 ℃的高溫條件下按照冷食冷藏的工況進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬仿真，使用COMSOL Multiphysics構(gòu)建食品冷藏保溫箱熱分析模型，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果即驗(yàn)證保溫箱溫度的分布以及保溫性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明蓄冷板對(duì)提高食品冷藏保溫箱保溫效果有較大作用[1]。結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制方法設(shè)計(jì)一種智能恒溫控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線調(diào)整PID控制器參數(shù)，給出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解決食品加工恒溫控制系統(tǒng)所存在的非線性、滯后性、精度不高差問(wèn)題，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)能力明顯提高溫度控制精度[2]。雙螺桿擠出機(jī)由溫度采集與控制系統(tǒng)組成，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制，根據(jù)具體情況對(duì)PID參數(shù)做出適當(dāng)調(diào)整，提出一種溫度控制方法，充分預(yù)估雙螺桿擠出機(jī)溫度的情況，大幅提高產(chǎn)品合格率[3]。

但是這些方法沒(méi)有考慮到粉末狀食品的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用狀況，箱內(nèi)的溫差數(shù)值過(guò)大，亟需設(shè)計(jì)一種粉狀食品培養(yǎng)箱溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，保證粉末狀食品內(nèi)的水分，控制其內(nèi)部的水分流失，維持食品存儲(chǔ)環(huán)境的穩(wěn)定。

1 保溫箱溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 保溫箱恒溫箱體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)恒溫箱體前，設(shè)計(jì)一個(gè)箱體空氣處理設(shè)備，空氣處理設(shè)備將進(jìn)入到保溫箱內(nèi)的空氣處理為設(shè)定的溫度目標(biāo)，并在動(dòng)力設(shè)備產(chǎn)生的推動(dòng)力下將處理后的空氣輸送至保溫箱中[4]，設(shè)計(jì)的箱體空氣處理設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在如圖1所示的設(shè)備結(jié)構(gòu)下，選用鉑耳帖作為溫度調(diào)節(jié)器，在溫度調(diào)節(jié)器外部設(shè)置一個(gè)回路，改變回路中電流的方向，變換溫度調(diào)節(jié)器加熱或是制冷功能。溫度調(diào)節(jié)器外部連接一個(gè)散熱器，設(shè)定散熱器額定功率240 W、內(nèi)部電阻值2 Ω、額定電壓20 V左右。送風(fēng)風(fēng)扇選用轉(zhuǎn)速1 000～2 000 r/min、額定電壓5 V的散熱風(fēng)扇，轉(zhuǎn)換溫度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的熱量至保溫箱外部，調(diào)節(jié)保溫箱內(nèi)空氣的溫度[5]?？諝饩靼暹x用方孔的金屬板，每個(gè)方孔上安置一個(gè)硬塑的擾流片，在箱體空氣處理設(shè)備上方、下方設(shè)置一個(gè)60 mm×55 mm大小的送風(fēng)口及回風(fēng)口。

在箱體空氣處理設(shè)備回風(fēng)口處安置一個(gè)柵格均流板，均流板采用不銹鋼材質(zhì)，以8 mm為流片的安置位置，通過(guò)M6螺絲固定在空氣處理設(shè)備支架上[6]。保溫箱外部材質(zhì)選用聚氨酯泡沫保溫板作為保溫層，不銹鋼外殼作為隔熱層，選用導(dǎo)熱系數(shù)為0.005 W/（m·K）的泡沫保溫板，采用DASH干涉儀在保溫層上安置均勻分布的通光口[7]。保溫箱恒溫箱體設(shè)計(jì)完畢后，設(shè)計(jì)保溫箱內(nèi)部硬件電路。

圖1 箱體空氣處理設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2 保溫箱內(nèi)部硬件電路

將保溫箱內(nèi)部硬件電路分為3個(gè)部分：核心控制電路、食品溫度采集電路及溫度調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)電路。整體的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2所示的硬件整體結(jié)構(gòu)可知，核心微控制器選用以ARM為核心的CY8C4247微控制器，微控制器的CPU速度為48 MHz，內(nèi)存及SRAM均為64 kB，額定工作電壓為3.3 V，采用單片機(jī)的段碼液晶顯示驅(qū)動(dòng)串口連接的輸出線路[8]。電源管理模塊采用12 V直流作為硬件電路電源輸入，內(nèi)部安置一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片，根據(jù)不同硬件對(duì)運(yùn)行電壓的需求，轉(zhuǎn)化不同硬件的工作電壓。電壓轉(zhuǎn)換芯片串聯(lián)一個(gè)數(shù)值為20 μF的電容，保證轉(zhuǎn)壓處理后的電壓處于穩(wěn)定。形成的電源管理模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。在如圖3所示的電源電路結(jié)構(gòu)下，將PCB模塊表面劃分為2個(gè)區(qū)域，并保留一定縫隙予以敷銅處理。當(dāng)保溫箱內(nèi)部電路板獨(dú)立供電時(shí)，微控制器從驅(qū)動(dòng)板上獲取3.3 V的電壓，為防止該部分電壓對(duì)微控制器產(chǎn)生干擾[9]，在電源輸入管腳上安置一個(gè)磁珠，并在電源輸入管腳處添加濾波電容。

圖2 硬件整體結(jié)構(gòu)

圖3 電源管理電路結(jié)構(gòu)

圖4 顯示屏接口電路

2 保溫箱溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)置芯片采用低電平復(fù)位，將47號(hào)管腳經(jīng)由兩個(gè)獨(dú)立管腳連接到GND處，設(shè)置芯片的接口1作為程序的燒寫口，將引腳P2.1與P3.1配置SWDIO和SWDCLK。保溫箱實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)顯示內(nèi)部的溫度，所以選用一個(gè)0.9寸的顯示屏作為顯示模塊，利用顯示屏內(nèi)的發(fā)光二極管連接芯片內(nèi)部的寄存器，實(shí)現(xiàn)顯示屏與保溫箱內(nèi)部溫度處理硬件間的串口通信，硬件處理核心板上設(shè)置一個(gè)UART接口，UART接口連接一個(gè)上拉電阻，并采用低電平外部中斷的方式，控制顯示屏的工作[10]，最終形成如圖4所示的接口電路。在如圖4所示的接口電路結(jié)構(gòu)下，串聯(lián)一個(gè)鉑電阻溫度傳感器和一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)保溫箱內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)播報(bào)[11]。基于上述處理，最終完成實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。

2.1 計(jì)算粉末狀食品保質(zhì)率

計(jì)算粉末狀食品保質(zhì)率時(shí)，以保溫箱內(nèi)部溫度分布函數(shù)定義粉末狀食品單位溫度體積百分?jǐn)?shù)，數(shù)量關(guān)系可表示為

式中：T(t,)為保溫箱內(nèi)的溫度分布；V為保溫箱體積；δ為粉末食品的溫度系數(shù)；T’為粉末狀食品的溫度。粉末狀食品的溫度系數(shù)存在如式（2）的數(shù)量關(guān)系。

在上述數(shù)量關(guān)系約束下，設(shè)定保溫箱內(nèi)的溫度變化范圍在(T,T+dT)之內(nèi)，粉末狀食品占整個(gè)保溫箱的體積就可表示為

式中：t為粉末狀食品占整個(gè)保溫箱的百分?jǐn)?shù)。所以此時(shí)粉末狀食品在保溫箱中的品質(zhì)保證率就可表示為

式中：a(t)為粉末狀食品的品質(zhì)保證率；Tmax為保溫箱內(nèi)的最大溫度值；Tmin為保溫箱內(nèi)最小的溫度值。根據(jù)計(jì)算公式的數(shù)量關(guān)系，得到品質(zhì)保證率與f(t,T’)之間的數(shù)量關(guān)系，如圖5所示。

圖5 品質(zhì)保證率數(shù)量關(guān)系

在圖5所示的品質(zhì)保證率中，陰影部分的面積為食品的品質(zhì)保證率[12]，在陰影面積下，粉末狀食品的最佳溫度數(shù)值為T*，最佳溫度數(shù)值的數(shù)量關(guān)系就可表示為

式中：φ-1為廣義逆函數(shù)，g為時(shí)間函數(shù)。以計(jì)算得到的保溫箱最佳保存溫度為溫度控制目標(biāo)[13]，構(gòu)建一個(gè)溫度控制算法，完成溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

2.2 構(gòu)建溫度控制算法

在實(shí)際控制保溫箱內(nèi)的溫度時(shí)，很容易出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象[14]，溫度高于最佳溫度數(shù)值時(shí)，保溫箱內(nèi)的溫度變化符合如式（6）所示的數(shù)量關(guān)系。

式中：K為保溫箱放大系數(shù)；T1為溫控系統(tǒng)的時(shí)間系數(shù)；τ為溫控系統(tǒng)滯后時(shí)間常數(shù)。在上述溫度變化下，設(shè)定保溫箱內(nèi)溫度設(shè)定值為r(t)，采用PID控制算法控制溫度的偏差量e(t)就可表示為

式中：y(t)為保溫箱實(shí)際的溫度輸出值。保溫箱的輸出控制量就可表示為

式中：Ke為溫度差的放大系數(shù)；Kd為實(shí)際溫度值的放大系數(shù)；s為控制輸出量。根據(jù)計(jì)算得到的輸出控制量，此時(shí)保溫箱內(nèi)溫度的傳遞過(guò)程就可表示為

式中：U(s)為保溫箱內(nèi)溫度變化函數(shù)；E(s)為溫度變化引起的熱量變化函數(shù)。為保證粉末狀食品的品質(zhì)，引入一個(gè)熱量損失參數(shù)，保證溫度實(shí)時(shí)控制時(shí)箱內(nèi)的溫度能夠及時(shí)作出反應(yīng)[15]。綜合上述處理，最終完成粉末狀食品保溫箱溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

選用空氣處理模塊氣體浴恒溫體、溫度測(cè)控電路搭建一個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)境，溫度測(cè)控電路采用可調(diào)直流穩(wěn)壓電源為電路持續(xù)輸出12 V的直流穩(wěn)定電壓，選用最新參數(shù)的PC機(jī)，利用PSoC4芯片燒寫板用于系統(tǒng)程序的燒寫修改，搭建形成的試驗(yàn)環(huán)境如圖6所示。

在圖6所示的硬件連接方式下，控制試驗(yàn)環(huán)境的溫度20 ℃、濕度30%，并保持一致。在核心板與驅(qū)動(dòng)板輸出端通過(guò)USB接口轉(zhuǎn)TTL模塊與PC機(jī)相連，PC機(jī)選用ESP8266 WIFI模塊，ESP8266 WIFI模塊與PC機(jī)的連接方式如圖7所示。在圖7所示的接口方式下，接口連接成功后，調(diào)用PC機(jī)中的串口調(diào)試程序，調(diào)試各部分硬件的工作狀態(tài)，調(diào)試成功后，確定硬件與軟件各部分運(yùn)行正常后，選用2種傳統(tǒng)溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)即文獻(xiàn)[1]方法（傳統(tǒng)控制系統(tǒng)1）和文獻(xiàn)[2]方法（傳統(tǒng)控制系統(tǒng)2），與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比3種控制系統(tǒng)的性能。

圖6 試驗(yàn)環(huán)境硬件連接方式

圖7 接口連接方式

3.2 結(jié)果及分析

基于試驗(yàn)準(zhǔn)備，在3種溫度控制系統(tǒng)控制下，設(shè)置保溫箱的初始溫度0 ℃，設(shè)定試驗(yàn)時(shí)間6 h，測(cè)量在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)保溫箱內(nèi)的溫度變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 3種溫度控制系統(tǒng)控制下保溫箱內(nèi)溫度變化

由圖8所示的試驗(yàn)結(jié)果可知，控制保溫箱的初始溫度為0 ℃，在3種溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)作用下，傳統(tǒng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)1在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，保溫箱內(nèi)的溫度數(shù)值相差12 ℃左右，對(duì)保溫箱溫度控制效果較差，傳統(tǒng)溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)2控制下保溫箱內(nèi)的溫差在9 ℃左右，對(duì)保溫箱內(nèi)溫度控制效果較強(qiáng)，而在設(shè)計(jì)的溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)控制下，保溫箱內(nèi)溫差在4 ℃左右，與2種傳統(tǒng)溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制方法對(duì)溫度控制效果較好。

保持試驗(yàn)環(huán)境不變，選用5個(gè)PT1000鉑電阻溫度傳感器布置在保溫箱內(nèi)部，取5個(gè)溫度傳感器顯示的保溫箱溫度的平均值為溫度均衡值，設(shè)置一種溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)次數(shù)為5，統(tǒng)計(jì)計(jì)算3種溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的溫度均衡值，均衡值試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 3種溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)溫度均衡值結(jié)果

由表1所示的溫度均衡值可知，控制保溫箱運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)相等，在不同溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)下，傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的溫度均衡值在2～3 ℃，表明保溫箱不同的位置存在的溫差在2 ℃以上，保溫箱內(nèi)的溫度不均勻，系統(tǒng)溫度控制效果較差，傳統(tǒng)溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)2得到的溫度恒溫?cái)?shù)值在1～1.5 ℃，保溫箱內(nèi)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)間的溫差不大，保溫箱內(nèi)的溫度較為均衡，而此次研究的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)間的溫度差在1 ℃之內(nèi)，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)控制下保溫箱內(nèi)的溫度較為均衡，符合粉末狀食品的保溫需求。綜合試驗(yàn)結(jié)果可知，此次研究的溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)溫度控制力度最大，保溫箱內(nèi)溫度分布較為均衡，適合實(shí)際使用。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)物流產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，控制食品保溫箱溫度逐漸成為保溫箱研究制造的重點(diǎn)，根據(jù)粉末狀食品的特性，設(shè)計(jì)一種保溫箱溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，能夠改善傳統(tǒng)溫度實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)溫度控制效果不強(qiáng)、保溫箱內(nèi)溫度分布不均勻的問(wèn)題，為后續(xù)研究溫度控制系統(tǒng)提供理論依據(jù)。